Expérimentation réalisée avec un matériel ExAO Jeulin.

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Description du mode opératoire et de la méthodologie d'interprétation des résultats

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Protocole expérimental

Nous allons effectuer des mesures de consommation de dioxygène par l'organisme en comparant la teneur en dioxygène de l'air inspiré à la teneur en dioxygène de l'air expiré en fonction de trois périodes réparties en 8 minutes.

Montage du matériel ExAO

La sonde à dioxygène mesure la teneur en dioxygène de l'air expiré. La capteur turbine mesure le volume d'air expiré qui passe dans le tube. Le logiciel de traitement des données est RespiHom (logiciels Jeulin, photo ci-contre).

Déroulement de la manipulation Expérimentation par équipe de 2 (ou 3). Un élève est sujet de l’expérimentation, l’équipier contrôle le déroulement de l’expérimentation et indique oralement les consignes qui apparaissent à l’écran à son partenaire. Logiciel : - Respihom – Mesure du métabolisme. Matériel : - Interface, - Adaptateur Chronowin et turbine - Adaptateur Oxymètre et sonde oxymétrie - Enceinte métabolisme humain avec tuyaux, raccords, Y avec valves, filtre et embout buccal Configuration des mesures Se reporter au tableau en haut de page Ne pas oublier d’entrer les informations personnelles : taille, masse de la personne qui expérimente. L’expérimentation Réaliser la manipulation en suivant scrupuleusement les indications qui s’affichent et en particulier le temps de mise en condition avant de débuter l’expérimentation proprement dite. Ce temps de mise en condition ne doit pas être inférieur à 1 minute. L'élève qui expérimente doit de préférence avoir le dos tourné à l’écran pour ne pas être tenté de modifier sa respiration en fonction des courbes qui s’affichent. Durant l’expérimentation proprement dite, la fenêtre graphe s'ouvre, l’équipier peut ainsi : vérifier les valeurs qui s’affiche sur la droite de la fenêtre et contrôler le bon fonctionnement de la sonde à dioxygène (teneur en O2 expiré) et de la turbine (VO2 et air ventilé). relever la valeur du volume d'air ventilé à la fin de la 2e minute de repos juste avant l'effort et à la 8e minute. Cliquer sur démarrer pour débuter puis suivre les consignes qui s’affiche sur l’écran. Compter le nombre de flexions effectuées durant la minute d'effort. Lorsque l’enregistrement est terminé. Régler l’échelle des ordonnées de VO2 et IR, Donner un nom à la manipulation (8 caractères sans espace) Enregistrer le fichier (8 caractères sans espace) dans le répertoire par défaut, en prenant soin de conserver l'extension Par un double-clic sur la fenêtre manipulation choisir la couleur noir pour le graphique puis demander une impression en autant de copies que d’élèves dans l’équipe Revenir à la configuration de la courbe en sélectionnant à nouveau une couleur claire (jaune, cyan par ex.).

Des illustrations. Figure 1 - T.P. binôme 22emar - janvier 2008 Effort comportant 19 Flexions • V d'air ventilé à 2min (début de l'effort) = 30.29 l • V air ventilé lors du retour à 5min 20sec (IR normale) = 95.5 l Figure 2 - T.P. binôme 22emar - janvier 2008

Analyse et interprétation des résultats.

1. Définir les grandeurs VO₂ et IR en indiquant ce qu’elles mesurent et l'unité de mesure.
2. Interpréter les données fournies par l’intensité respiratoire en définissant les différentes phases observées.
3. Mesure de la quantité de dioxygène consommé par l'effort.
   1. Interpréter la courbe VO₂ en retrouvant les phases observées avec IR et en indiquant comment se traduisent ces phases sur la courbe.
   2. Déterminer la valeur de VO₂ si le sujet était resté au repos durant les 8 minutes.
   3. En déduire le volume de dioxygène qui a été utilisé par l'effort.
4. Evaluer le rendement de l'effort musculaire en sachant que :
   • l'énergie dépensée est proportionnelle à la consommation de O₂ pour l'effort :
     Energie dépensée en Joules = Vol.O_{2 effort} x 20 x 1000
     (cette formule sera démontrée en cours de Sc. physiques ultérieurement)
   • un effort de 120W durant une minute représente une énergie restituée de 7200 Joules
5. Mesure de l’équivalent respiratoire (ER)
   • L’équivalent respiratoire renseigne sur l'efficacité du système respiratoire et sur les qualités d’endurance.
     
   • Le volume d'air inspiré est identique à celui de l'air expiré (c'est l'air ventilé dans la fenêtre du logiciel)
   • Réaliser ce calcul en utilisant les valeurs du VO₂ et du volume d'air ventilé obtenues à la fin de la 2e minute de repos et à la fin des 8 minutes.
   • La valeur moyenne pour un individu n'ayant pas de capacités sportives particulières est de 28.

Attention, noter que : le document graphique exploité ne correspond pas aux configurations des mesures proposées dans le mode opératoire qui précède (les périodes sont ici 1 minute de repos, 1 minute d'effort de 120 W et 4 minutes de repos). T. P. du groupe 22adib (janvier 2004). Les résultats sont traduits graphiquement sous deux formes : Une courbe, le volume de dioxygène VO2, consommé depuis le début de l'expérience, en litres, Des histogrammes de 20s, l’intensité respiratoire IR en l/h/kg, elle correspond à la consommation de dioxygène par unité de temps et de masse. Elle permet de comparer la consommation de O2 entre individus de masse différente et surtout de mieux apprécier les variations de consommation à différents moments de l'expérience. On repère trois phases avec une réponse différente de l'organisme : Une phase de repos durant laquelle la consommation en O2 reste constante : IR moyenne au repos = 0,38 l/h/kg. Cette valeur correspond à la consommation de l'organisme avant l'effort physique. Elle correspond aux besoins énergétiques de tous nos organes à ce moment donné. Une phase d'effort qui se traduit par une augmentation de la consommation en dioxygène. Dans le cas présent et ce, du fait d'un effort demandé important, cette augmentation se poursuit lors des 20 secondes qui suivent la fin de l'effort pour atteindre une IR maximale de 1,165 l/h/kg. Une phase de récupération qui se caractérise par une diminution de la consommation en O2 pour revenir aux valeurs initiales au repos. Sur le graphique des IR on peut ainsi représenter en violet la consommation en dioxygène liée à l'effort. On montre ainsi qu'elle se produit durant l'effort mais aussi comme ici durant la phase de récupération (c'est la dette en dioxygène). Bilan - Lors d'un effort physique, on observe une consommation de dioxygène supplémentaire comparée à celle d'un organisme au repos. Un effort musculaire consomme du dioxygène pour produire le travail demandé.

Calcul du volume de dioxygène consommé par l'effort en utilisant la courbe VO₂.

On peut apprécier le volume de O₂ qui aurait été consommé en restant au repos toute la durée de l'expérimentation. La consommation de O₂ étant constante au repos, elle est représentée par une droite qu'il suffit de prolonger pour obtenir sur le graphique VO₂ le volume de O₂ qui aurait été consommé par l'organisme n'effectuant pas d'activité physique. Ici VO₂ = 2,78 l.
On connaît le volume de O2 consommé durant l'expérimentation incluant 1 minute d'activité physique : VO2 = 4,55 l.
On en déduit le volume de O2 consommé par l'effort, VO2 = 4,55 - 2,78 = 1,77 l.

Evaluation du rendement de l'effort musculaire

Le volume de O₂ consommé est utilisé pour produire de l'énergie par oxydation des nutriments énergétiques. Sachant qu'un litre de dioxygène permet de produire une énergie de 20 000 Joules, 1,77 l consommé aura permis la dépense de 35 400 Joules par l'organisme.
Or, le travail effectué a restitué une énergie équivalente à 7 200 Joules.
Le rendement de l'effort musculaire est donc : Energie restituée / Energie dépensée soit 7200 / 35400 = 0,20 ou 20 %.
Les 80 % d'énergie non restituée correspondent principalement à un dégagement de chaleur qui s'évacue par la peau, la transpiration, l'air expiré, … Noter que d'autres appareils ont été mis en jeu : l'appareil circulatoire et l'appareil respiratoire (augmentation des rythmes cardiaque et respiratoires.

Evaluation de l'équivalent respiratoire

La phase de récupération semblant être terminée après 5' 20" d’expérimentation nous prendrons les valeurs comprises entre 1' début de l'effort et 5'20" fin de la récupération. Ceci donne une consommation de O₂ de 4,15 - 0,45 = 3,7 l et un volume d'air ventilé de 98,4 l.