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Ausblick

Messung des Energieumsatzes

Kennt man den Energiebedarf für den Grundumsatz bzw. für verschiedene körperliche Tätigkeiten, so hat man Klarheit darüber, wie viel Nahrung dem Menschen zugeführt werden muss, damit er diesen Energiebedarf decken kann.

Die Faustregel für den Grundumsatz (1 kcal pro Kilogramm Körpergewicht pro Stunde) und die PAL-Werte für verschiedene Tätigkeiten wurden auf der Seite über den Energieumsatz beim Sport einfach mitgeteilt. Auf dieser Seite sollst du einen Einblick bekommen, durch welche Messmethoden man zu diesen Werten gelangen kann.

Direkte Kalorimetrie

Beim Grundumsatz wird die zugeführte chemische Energie nahezu vollständig in Abwärme umgewandelt. Man kennt also den Grundumsatz, wenn es gelingt die Abwärme des Menschen zu messen. Dazu bringt man die Versuchsperson (Proband) in einen gut wärmeisolierten Raum und misst über die Erwärmung von Kühlwasser die vom Menschen abgegebene Wärme.

Will man bei einer körperlichen Tätigkeit (z.B. Laufen) die gesamte benötigte Energie messen (Grundumsatz + Arbeitsumsatz), so muss man neben der Abwärme auch noch die verrichtete mechanische Arbeit (z.B. am Laufband) berücksichtigen.

Die Abbildung zeigt das Grundprinzip einer direkten kalorimetrischen Messung: Die Abwärme des Menschen wird über Wärmetauscher vom Kühlwasser aufgenommen. Aus der Temperaturerhöhung und der Durchflussmenge des Wassers lässt sich die Wärmeleistung des Probanden bestimmen. Aus einer entsprechenden Anzeige am Laufband kann man die mechanische Leistung entnehmen.

Indirekte Kalorimetrie

Indirekte Kalorimetrie: Messung des Volumens der aufgenommenen Atemluft. Aus dem Volumen lässt sich mit der Faustformel der Umsatz an chemischer Energie abschätzen.

Der experimentelle Aufwand bei der direkten Kalorimetrie ist beträchtlich. Bei der indirekten Kalorimetrie schließt man über die Menge der vom Menschen ein- bzw. ausgeatmeten Luft auf dessen Aufnahme an chemischer Energie. Um dies zu verstehen muss man etwas Chemie treiben:

Stark vereinfacht kann man die Freisetzung chemischer Energie dadurch erklären, dass das Nahrungsmittel (im Folgenden wird hierfür der Traubenzucker (CH2O)6 betrachtet) mit dem Luftsauerstoff (O2) unter Freisetzung von Energie zu Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) reagiert:
\[{\left[ {C{H_2}O} \right]_6} + 6 \cdot {O_2} \to 6 \cdot {H_2}O + 6 \cdot C{O_2} + 2830\rm{kJ}\]
Man kann davon ausgehen (Ulrich: Vergleichende Physiologie der Tiere), dass ein Liter Sauerstoff zusammen mit einem Nahrungsmittel etwa \(20,5\rm{kJ}\) chemische Energie liefert. Da der Sauerstoff zu etwa 20% in der Luft enthalten ist und bei der Atmung etwa 20% - 25% (Schlichting: Physik des Sports) davon genutzt wird, kann man von folgender Faustformel ausgehen:

1 Liter ein- bzw. ausgeatmete Luft ist mit dem Umsatz von 1 kJ chemischer Energie verbunden.