Zum Vergleich des Energieumsatzes beim Radfahren und beim Treppensteigen

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    14-Aug-2016

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  • (Aus dera Turntheoretischen Laboratorium dcr Universit~t Kopenhagen. Prof. J. Li~thard.)

    Zum Vergleich des Energieumsatzes beim Radfahren und beim Treppensteigen.

    Vorl

    Emanuel Hansen.

    (Eingegangen am 4. Juli 1933.)

    Auf Veranlassung der Kopenhagener Feuerwehr wurde auf dem hiesigen Laboratorium eine Untersuehung fiber den Energieverbrauch beiva k" ~.ragen yon Lasten eine Treppe hinauf vorgenommen. Beim ~ Training der Feuerwehrm~nner ist diese ~bung eine der

    am haufigsten verwendeten, da die m6glichst groBe Vertrautheit mit dieser Arbeitsform besonders fiir die Gastaueher yon grSBter Wichtig. keit ist. Wenn aber das Training rationetl gestaltet werden soil, is~ es aattirlich notwendig, die tats~chliche Leistung bei den versehiedenen ~bUngen zu kennen.

    Die Bestimmung tier GrS/3e der Leistung bei verschiedenen Arbeits- fOrmea ka~n aber bisweilen eine sehr sehwierige Aufgabe sein. Bei alien Arbeitsmaschinen, an denen frei]ieh eine bestimmte ~ul3ere *Arbeit er~ittelt wird, muB man n~mlich auch mit einer grSl3eren oder ge- riageren Extraarbeit, die auf dem Ergometer nieht gemessen wird, reehne~. Diese Extraarbeit h~ngt vor allem yon der Arbeitsmaschine ab; sie variiert aber fiir dasselbe Ergometer auch mit der Belastung Uad dem Arbeitstempo. Sie besteht aus mehreren Komponenten, die bei Wechselnden Bedingungen yon versehiedener Art sein kSnnen; bei allea Arbeitsformen ist aber sicher eine statische Komponente zur Stabilisierung des KSrpers vorhanden. Diese statische Komponente bewirkt, dab jedenfalls ein Teil der Extraarbeit nicht in physikalisehem MaB angegeben werden kann, und wenn man fiber die GrSi3e derselben sch~tzen wird, kann dies deshalb nur durch Bestimmung des der Extra- arbeit entsprechenden Anteils der Gesamtsteigerung des Energiever- brauehes geschehen.

    ])a[~ die statische Komponente fiir die totale Stoffwechselsteigerung naal~gebend sein kann, geht sehr deutlich aus den Versuchen yon Hansen

  • 300 E. Hansen :

    und Lindhard 1 mit dem Hillsehen Rad hervor. Die Arbeit wird in diesem Fall yon den El[bogenbcugern des einen Armes ausgef/ilu't, indem die Vp. in stehender Stellung den rechtwinklig abduzierten Oberarm auf einer in passender HShe angebrachten Tischplatte ruht und in dieser Stellung dureh eine Ellbogenbeugung dem Sehwungrad eine m6glichsV grol~e kinetische Energie mitteilt. Wenn man bei einer solehen Arbeit den Wirkungsgrad (kinetische Energie : Steigerung des Energieumsatzes im Organismus) berechnet, findet man - - je nach den wechselnden Bedingungen - - Werte zwischen 1,6 und 2,8%, und diese kleinen Werte sind nur einer grol3en statischen Muskeltatigkeit bei Ausffihrung der verhgltnismal3ig geringen dynamischen Arbeit zuzuschreiben.

    Beziiglich der Arbeit auf dem Kroghsehen Fahrradergometer hat der Verf. versucht, eine ann/~hernde Sch~ttzung fiber den der Extra- arbeit entspreehenden Anteil der Stoffweehselsteigerung vorzunehmen 2. Es stellte sich dabei heraus, dab die Extraarbeit bei dieser Arbeitsform relativ gering ist, indem der entsprechende Energieverbrauch bei den moisten Belastungen und Tempos nur etwa 10--15% der Gesamtsteige- rung des Umsutzes betrug. Diese Eigenschuft des Fahrradergometers, in Verbindung mit der (vor allem, bei dem Kroghsehen Typus) sehr grol3en MSgliehkeit einer bequemen und genauen Dosierung der Leistung, macht gerade diesen Apparat fiir arbeitsphysiologische Untersuchungen und fiir Funktionsprfifungen in der Klinik besonders geeignet. ~ber die Extraarbeit bei anderen Arbeitsformen well3 man dagegen nichts, und ein Vergleich zwischen den vielen vorliegenden :Ergebnissen, die groBenteils mit Hilfe welt versehiedener Arbeitsmaschinen gewonnen sind, wird dadurch in vielen F~llen unmSglich. Es w~re deshalb fiir die Gesamtfortschritte der Arbeitsphysiologie zu wfinsehen, dal~ kiinftige Arbeitsversuche, die sich mit den generellen Problemen der Muskelarbeit beseh~ftigen, an Arbeitsmaschinen yon gleichem Typus und sieher am besten am Fahrradergometer vorgenommen werden. Dies verhindert natfir]ich nicht, dal~ besondere Arbeitsformen, die aus irgendeinem Grund yon praktischem Interesse sind, als Untersuchungsobjekte aufgenom- men werden, wie es ja aueh in der speziellen Arbeitsphysiologie mit so grol]em Erfolg gesehehen ist.

    Wie bereits gesagt, ist das Tragen von Lasten auf einer Treppe yon besonderem Interesse f/Jr die Feuerwehr, und die ersten Versuche, die hier zu besprechen sind, wurden auf Wunsch der Feuerwehr vor- genommen, um festzustellen, ob die bloBe Steigarbeit in diesem Falle tats~chlich als ein Ausdruck ffir die geleistete Arbeit angesehen werden kann. Als Fortsetzung dieser Versuehe wurden aul3erdem einige Bei- spiele yon Treppensteigen ohne Tragen yon Lasten untersucht.

    In $3bereinstimmung mit den voranstehenden Betrachtungen liegt es in dieser Verbindung nahe, alas Treppensteigen mit der Arbeit auf

  • Zum Vergleich des Energieumsatzes beim Radfahren u. beim Treppensteigen. 301

    dem Fahrradergometer zu vergleichen. Die beiden Arbeiten werden grSBtenteils mit denselben Muskeln geleistet, und durch zweckms Anpassung des Tempos und der Bela.stung kSnnen die die Muskel- synergien betreffenden Arbeitsbedingungen bei den beiden Arbeits- formen einander sehr /~hnlich gem~cht werden. Da die Arbeit auf dem Fahrradergometer ziemlich genau bekannt ist, wird ein Vergleich zwischen der Stoffwechselsteigerung beim Treppensteigen und der beim Radfahren Aufschlfisse fiber die tatss GrSl]e der Gesamtleistung beim Treppensteigen geben kSnnen.

    ])as Treppensteigen mit zus/~gzlicher ]3elastung geht a]s Trainingsiibung auf der Gastaucherschule der Kopenhagener Feuerwehr in der Welse vor sich, daf$ 53 Stufen mit elncr Gesamth6he yon 10,5 rn in 50--60 Sekunden zuriickgelegt werden. ]gas Tempo ist also etwa 1 Stufe/Sek. ~V~ihrend des Steigens tragen die Gastaucher das Gas~aucherger~t auf dem Rticken und aul]erdem einen Sand- sack von 25--35 kg. ])as in unserem Laboratorium verwcndete Treppensteigen wurde in /~hnlichcr Weise vorgenommen. Die Treppe hatte 55 Stufen und eine ttShe yon 9,9 m, dig in etwa 50 Sekunden zuriiekgelegt wurde. Wie w/ihrend des Trainin~ trugen die Vpn. das Gastaucherger/~t auf dera Riicken, ohne jedoch in dasselbe zu atmen. Zur Berechnung der Steigarbeit dienen die Treppenh6he und das Gesamtgewicht, d. h. Bruttok6rpergewicht und Gewicht des Gaztaucher- ger/~tes (10 kg), des Sandsackes (27 kg) und der Ausstattung zum Respirations- x~ersuch (2 kg). Da die Zusa~zbelastung hei den versehiedenen Vpn. unveri~ndert gehalten wurde, variierte nattirlich die gesamte Steigarbeit yon Individuum zu Individuum; sie betrug 1080--1320 mkg.

    Zum Vergleich mit dieser Leistung wurde auf dem Fahrradergometer eine Arbeit yon ungef/ihr derselben GrSi]e, dieselbe Zeit hindureh und im selben Tempo (30 Pedalumdrehungen pro Minute) ausgefiihrt. Es wurde fiir alle Vpn. die gleiche Belastung verwendet und die geleistete Arbeit war deshalb in allen F/illen die- selbe, ni~mlich 1336 mkg/Mim, welches in 50 Sekunden 1113 mkg gibt. Aueh wi~h- rend dieser Arbei$ trugen die Vpn. das Gastauchergeri~t auf dem Riieken.

    Die O~-Aufnahme w~hrend der Ruhe wurde mitte]s eines Kroghschen l~espi- rationsapparates bestimmt. Da die Arbeitsperioden yon sehr kurzer Dauer sind, f/~llt nur ein geringer Teil der O2-Mehraufnahme in die Arbeitsperiode, w/~hrend der gr61]te Teil in der Erholungsperiode stattfindet. Um deshalb den ganzen durch die Arbeit erzeugten hlehrverbraueh yon O~ zu ermitteln, wurde an Hand der Douglassaekmethode die Gesamtaufnahme sowohl w~hrend der Arbeit wie auch in der Erholungszeit bis zum wiedererreiehten Ruhewert bestimmt. Bei Verwen- dung eines 4-Weghahnes konnten die S/~cke unmittelbar naeheinander dem Aus- atmungsventil angesehlossen werden, undes wurde immer dafiir gesorgt, dal3 der Hahn unmittelbar nach einer Ausatmung gedreht wurde. Als Regel atmete die Vp. in einen Sack in der Arbeitsperiode, in einen anderen die ers~en 8--9 Minuten danach, in einen dritten die n~chsten 8--9 Minuten und end]ich in einen vierten in etwa 5 Minaten. Die ganze :Erholungsperiode wurde in der Weise in 3 Perioden geteilt, yon denen die letzte als Kontrolle darauf diente, dal] die Os-Aufnahme wieder den Ruhewert erreieht hatte. Wenn dies nicht der Fall war, wurde der u nieht verwertet.

    Beim Radfahren sai]en die Vpn. auch in der Erholungsperiode auf dem Ergo- meter, welches mit besonderen Ful]stiitzen versehen war. Der Versueh mit dem Treppensteigen ging in der Weise vor sich, dab beim FuB der Treppe der Sandsack ohne Mitwirkung tier Vp. a~ff die Schulter derselben angebraeht wurde, wonach

  • 302 E. Hansen:

    das Steigen sofort anfing. WShrcnd des Steigens wurde der Douglassack von einem Assistenten getragen, und die Vp. hatte nur das Respirationsventil mit der eincn Hand zu stiitzen. Unmittelbar oberhalb der Treppe am obersten Stock des Ge- baudes waren mchrcro Douglassi~cke in Verbindung mit einem anderen Rcspi- rationsventil und einem anderen Mundstiick angcbracht. Hier lieB die Vp. den Sandsack alff den FuBboden fa]len, setzte sich auf einen Stuhl und wechse]to schnell (d. h. in 1--2 Sekunden) das Mundstiick, wonach die Erholungsperiode anfing. Diese wurde iibrigens in derselben Weisc wie nach dem Radfahren durch- gcffihrt.

    Alle Versuche wurden zwischen 10 und 12 Uhr vormittags vorgenommcn. Die Vpn. kamen wie gew6hnlich um 8 Uhr morgens zum Dienst in die Feuerwache; sie fuhren davon im Auto zum Gastaucherdepot (zur Kontrolle der Gastaucher- ger/~te) und welter zum Laboratorium. Es wurden kcine besonderen MaBregeln in bezug auf das erste Friihstiick getroffen.

    Die Resultate der Versuche gehen aus der Tab. 1 hervor. Wie eben erw~hnt, sind Versuche, in denen der letzte Erholungswert und der zuerst best immte Ruhewert nicht t ibereinstimmten, in der Tabelle n icht mit aufgenommen. Eine kleine Abweichung ist na$iirlich nicht immer zu vermeiden, und in dem Fall ist die Mittelzahl der beiden Werte als Ausgangswert benutzt. Aus der Gesamtvergr6Berung der O~-Aufnahme ist der Mehrverbrauch yon Sauerstoff pro Meterki logramm /~ui]ere Ar- belt berechnet. Unter Voraussetzung eines calorischen Wertes des S~uerstoffes yon 4,8 Calorien pro Liter 0 2 wurde danach der Netto- Wirkungsgrad als Quotient zwischen techniseher Leistung und Energie- vergrSBerung berechnet. Er ist in der Tabelle in Prozent angegeben.

    Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, ist der Wirkungsgrad bei den beiden Arbeitsformen yon ungef/~hr derselben Gr61]e. In einzelnen F/~llen k6nnen gewisse Unterschiede vorkommen; sic gehen aber in beiden Richtungen, und die i~uBere Leistung beim Tragen yon Lasten eine Treppe hinauf geht also unter den vorhandenen Bedingungen mit dem gleichen Energieverbrauch wie beim Radf~hren vor sich.

    Tabel le 1.

    l~adfahren, Tragen yon Lasten die Treppe hinauf. 30 Pedalumdrehungen/M:in. 55 Stufen in etwa 0,85 Minu ten

    YP- Datum Ar- Teehn. O,- O~ igetto- At- S~ig- 02- 00. Netto- bei~s- Lei - ~febr Wit- heirs- arbcit Mchr- Wir- dauer stung vcrbr, ccm kungsgr dauer verbr, ccm kungsgr. Min. mkg ccm ~ % Min. mkg ccm m-~ %

    A. W~

    K.P .

    V.V. R .N .

    L .H . F . J .

    29. X. 2. XI.

    22. X. 31. X. 24. X. 26. X. 4. XI.

    17. X. 19. X.

    0,84 1122 0,84 1122 0,85 1136 0,84 1122 0,84 11122 o,8411122 0,84 ] 1122 0,835 1112 0,80 1070

    2705 2650 2698 2840 2450 2810 2364 2830 2607

    2,41 2,36 2,38 2,53 2,18 2,50 2,10 2,54 2,44

    20,2 20,6 20,5 19,3 22,4 19,5 23,2 19,2 20,0

    0,84 0,82 0,83 0,86 0,99 0,80 0,77 0,82 0,81

    1170 1170 1110 1110 1140 1280 1280 1320 1080

    28o51 292oj 27701 26051 2630 2860 3210 3300 2300

    2,40 20,3 2,49 19,6 2,50 19,5 2,35 20,8 2,26 21,6 2,18 22,4 2,51 ]9,4 2,50 19,5 2,13 22,9

  • Zum Vergleich des Energieumsatzes beim Radfahren u. beim Treppensteigen. 303

    Um zu entscheiden, ob ein ~hnliches Verhalten sich auch bei Treppen- steigen ohne Zusatz yon Tr~glasten und bei anderen Geschwindigkeiten geltend macht , wurden noch 2 Versuchsreihen vorgenommen. Die Treppe wurde hier in volter HShe benutzt , d. h. es wurden 85 Stufen yon im ganzen 15,3 m HShe zuri iekgelegt. Die eine yon den beiclen in diesen Serien untersuchten Vpn. (A. W.) war der eine von den fr i iher genannten Feuerwehrm/innern; die andere (E. Ht . ) war ein medizini . scher Student, der yon recht guter Konst i tut ion war, ohne besonders tra in iert zu sein. Bei diesen Versuchen kamen die beiden Vpn. morgens nf ichtern zum Laborator ium. Das Gesamtgewicht, das zur Bereehnung der Steigarbeit verwendet wurde, setzte sich bei diesen Versuchen nur aus Brut to -Kt rpergewicht ~ Gewieht der Ausstat tung zum l~espira- t ionsversueh (2 kg) zusammen, da in diesem Fal l weder Sandsaek noch Gastaueherger~t getragen wurden. Der Gang der Versuche war i ibrigens derselbe wie in der obenerw/~hnten Serie.

    In der ersten Reihe dauerte das Treppensteigen etwa 0,75 Minnten mi t einer Steigarbeit Ifir die 2 Vpn. yon 1255 bzw. 1032 mkg. E ine dem- entsprechende Arbei t wurde auf dem Ergometer durch eine voraus- berechnete Belastung und in einem Tempo von 58 Peda lumdrehungen pro Minute, d. h. 87 halben Pedalumdrehungen in 3/4 Minuten, geleistet. Es geht ~us der Tab. 2 hervor, dab der Wirkungsgrad auch in diesem Fa l l bei den beiden Arbeitsformen yon ungcf/~hr derselben GrSBe ist. Durchsehnitt l ich l iegen die Werte viel leicht etwas niedriger als die frtiher besproehenen (Tab. 1), ein Verhalten, welches jedoeh deut l icher in der dr i t ten und letzten Serie zum Vorsehein kommt.

    In dieser letzten Serie wurde das Treppensteigen in etwa x/2 Minute durehgefi ihrt , und da ver langt wurde, daI~ die Vpn. ohne ~berspr ingen

    58

    AL 3iin.

    Tabel ]e 2.

    :R adf,Mm~n. [ Treppensteigem Pedatumdrehungen/Minute [ 85 Stufen in etwa 0,75 Minuten

    I Techn. ] O~- ,~ Netto- I Ar- O2- Netto- . u2 . . . Le l * Mehr - V~ t r - [ be l t s ~ S f , e ig - O~

    stung I verbr, ecru :uugsg~ daucr arbeit l~Ichr- Wir- ~erbr. ecm kuugsgr. mkg ] ecru ~ % | ]ltin. mkg ccln ~kg %

    Vl)

    A. W.

    E. H6.

    Datum

    14. I. 23. I. 25. I. 27. I. 29. I. 1. IL 3. II. 6. II.

    11. II. 17. II. 22. II.

    0,77 0,77 0,77 0,76 0,77 0,77 0,77 I 0,76 o,771

    1263 1263 1263 I248 1263 1073 1073 1060 1073

    I

    3660 3606 3333 34151 3630 2995 2780 2935 2975!

    h

    2,89 2,85 2,64 2,74 2,88 2,79 2,59 2,77 2,77

    16,9 ]7,1 18,5 17,8 16,9 17,5 18,1 17,6 17,6

    0,76 1255 0,74 1255

    0,72 1255 0,76 1255 0,73 11255 0,75 1255 0,771 1032 0,76 1 1032 0,76 1032 0,78 1032[

    3500 3550

    3052 3230 3190 3500 2800 2705 2660 2830

    2,79 17,5 2,83 17,2

    2,43 20,0 2,57 I 19,0 2,54 I 19,2 2,79 I 17;5 2,71 18,0 2,62 18,6 2,58 18,9 2,74 17,8

  • 304 E. Hansen :

    yon Stufen laufen sollten, entspricht dieses beinahe der maximalen Ge- schwindigkeit. ])as Tempo auf dem Fuhrrad war 88 Pedalumdrehungen pro Minute. Die Tab. 3 enth/tlt die Resultate dieser Versuche. Im grol3en ganzen sind die Werte des Wirkungsgrades bei den beiden Arbeiten einander sehr Kbnlieh; bei der Vp. A.W. scheinen sie jedoch beim Radfahren etwas niedriger als beim Treppensteigen zu liegen. ])ies kann doch vielleicht in den wenigen Versuehen auf ei...

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