7.8: Trabalho, energia e poder em humanos

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Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

Explique o consumo de energia do corpo humano quando está em repouso versus quando está envolvido em atividades que fazem um trabalho útil.
Calcule a conversão da energia química dos alimentos em trabalho útil.

Conversão de energia em humanos

Nossos próprios corpos, como todos os organismos vivos, são máquinas de conversão de energia. A conservação de energia implica que a energia química armazenada nos alimentos seja convertida em trabalho, energia térmica e/ou armazenada como energia química no tecido adiposo. (Figura 7.09.1.) A fração que entra em cada forma depende da quantidade que comemos e do nosso nível de atividade física. Se comermos mais do que o necessário para trabalhar e nos mantermos aquecidos, o restante será transformado em gordura corporal.

Um diagrama esquemático da energia consumida por humanos e convertida em várias outras formas é mostrado. A energia alimentar é convertida em trabalho, energia térmica e gordura armazenada representada por uma flecha que se ramifica a partir da energia alimentar e termina nessas três formas. A gordura armazenada mais a energia térmica é igual à outra energia final, rotulada O E sub f, e o trabalho não conservador é mostrado por W sub n c, que é negativa, então a outra energia inicial, rotulada O E sub i, mais W sub n c é igual a O E sub f. — Figura\(\PageIndex{1}\): A energia consumida pelos humanos é convertida em trabalho, energia térmica e gordura armazenada. De longe, a maior fração vai para a energia térmica, embora a fração varie dependendo do tipo de atividade física.

Energia consumida em repouso

A taxa na qual o corpo usa a energia alimentar para sustentar a vida e realizar atividades diferentes é chamada de taxa metabólica. A taxa total de conversão de energia de uma pessoa em repouso é chamada de taxa metabólica basal (BMR) e é dividida entre vários sistemas do corpo, conforme mostrado na Tabela. A maior fração vai para o fígado e o baço, com o cérebro vindo em seguida. É claro que, durante exercícios vigorosos, o consumo de energia dos músculos esqueléticos e do coração aumenta acentuadamente. Cerca de 75% das calorias queimadas em um dia entram nessas funções básicas. O BMR é uma função da idade, sexo, peso corporal total e quantidade de massa muscular (que queima mais calorias do que gordura corporal). Os atletas têm uma maior BMR devido a esse último fator.

Taxas metabólicas basais (BMR):
Órgão	Potência consumida em repouso (W)	Consumo de oxigênio (mL/min)	Porcentagem de BMR
Fígado e baço	23	67	27
O cérebro	16	47	19
Músculo esquelético	15	45	18
Rim	9	26	10
Coração	6	17	7
Outros	16	48	19
Totais	85 W	250 mL/min	100%

O consumo de energia é diretamente proporcional ao consumo de oxigênio porque o processo digestivo é basicamente um processo de oxidação dos alimentos. Podemos medir a energia que as pessoas usam durante várias atividades medindo o uso de oxigênio. (Veja a Figura 7.09.1.) Aproximadamente 20 kJ de energia são produzidos para cada litro de oxigênio consumido, independente do tipo de alimento. A tabela mostra as taxas de consumo de energia e oxigênio (energia gasta) para uma variedade de atividades.

O poder de fazer um trabalho útil

O trabalho realizado por uma pessoa às vezes é chamado de trabalho útil, que é o trabalho realizado no mundo exterior, como levantar pesos. O trabalho útil requer uma força exercida à distância no mundo exterior e, portanto, exclui o trabalho interno, como o realizado pelo coração ao bombear sangue. O trabalho útil inclui aquele realizado ao subir escadas ou acelerar até uma corrida completa, porque eles são realizados exercendo forças no mundo exterior. As forças exercidas pelo corpo não são conservadoras, de modo que podem alterar a energia mecânica\((KE + PE)\) do sistema em que se trabalha, e esse geralmente é o objetivo. Um jogador de beisebol jogando uma bola, por exemplo, aumenta a energia cinética e potencial da bola.

Se uma pessoa precisa de mais energia do que consome, como quando faz um trabalho vigoroso, o corpo deve aproveitar a energia química armazenada na gordura. Portanto, exercícios podem ser úteis para perder gordura. No entanto, a quantidade de exercício necessária para produzir uma perda de gordura ou para queimar calorias extras consumidas naquele dia pode ser grande, como ilustra o Exemplo 7.09.1.

Exemplo\(\PageIndex{1}\): Calculating Weight Loss from Exercising

Se uma pessoa que normalmente precisa de uma média de 12.000 kJ (3.000 kcal) de energia alimentar por dia consumir 13.000 kJ por dia, ela ganhará peso constantemente. Quanto andar de bicicleta por dia é necessário para trabalhar com esses 1000 kJ extras?

Solução

A tabela indica que 400 W são usados ao pedalar a uma velocidade moderada. O tempo necessário para trabalhar 1000 kJ nessa taxa é então

\[Time = \dfrac{energy}{\left(\frac{energy}{time} \right)} = \dfrac{1000 \, kJ}{400 \, W} = 2500 \, s = 42 \, min.\]

Discussão

Se essa pessoa usar mais energia do que consome, o corpo da pessoa obterá a energia necessária metabolizando a gordura corporal. Se a pessoa usar 13.000 kJ, mas consumir apenas 12.000 kJ, a quantidade de perda de gordura será

\[ Fat \, loss = (1000 \, kJ) \left ( \frac{1 \, g \, fat}{30 \, kJ} \right) = 26 \, g,\]

assumindo que o conteúdo energético da gordura seja de 39 kJ/g.

Uma pessoa mede a quantidade de oxigênio no sangue e a taxa metabólica usando um oxímetro de pulso. O oxímetro de pulso está preso ao pulso da pessoa e o dedo indicador está dentro do clipe. — Figura\(\PageIndex{2}\): Um oxímetro de pulso é um aparelho que mede a quantidade de oxigênio no sangue. O conhecimento dos níveis de oxigênio e dióxido de carbono indica a taxa metabólica de uma pessoa, que é a taxa na qual a energia alimentar é convertida em outra forma. a taxa metabólica de uma pessoa, que é a taxa na qual a energia alimentar é convertida em outra forma. Essas medidas podem indicar o nível de condicionamento atlético, bem como certos problemas médicos. (crédito: UusiaJaja, Wikimedia Commons)

Taxas de consumo de energia e oxigênio:

Atividade	Consumo de energia em watts	Consumo de oxigênio em litros O _2/min
Dormindo	83	0,24
Sentado em repouso	120	0,34
De pé relaxado	125	0,36
Sentado na aula	210	0,60
Caminhada (5 km/h)	280	0,80
Ciclismo (13—18 km/h)	400	1,14
Tremendo	425	1,21
Jogando tênis	440	1,26
Nadando de peito	475	1,36
Patinação no gelo (14,5 km/h)	545	1,56
Subindo escadas (116/min)	685	1,96
Ciclismo (21 km/h)	700	2,00
Correndo pelo país	740	2.12
Jogando basquete	800	2,28
Ciclismo, piloto profissional	1855	5,30
Correndo	2415	6,90

Todas as funções corporais, do pensamento ao levantamento de pesos, requerem energia. (Veja a Figura 7.09.3.) As muitas ações musculares pequenas que acompanham todas as atividades silenciosas, desde dormir até coçar a cabeça, acabam se tornando energia térmica, assim como as ações musculares menos visíveis do coração, pulmões e trato digestivo. O tremor, na verdade, é uma resposta involuntária à baixa temperatura corporal que coloca os músculos uns contra os outros para produzir energia térmica no corpo (e não trabalhar). Os rins e o fígado consomem uma quantidade surpreendente de energia, mas a maior surpresa de todas é que 25% de toda a energia consumida pelo corpo seja usada para manter os potenciais elétricos em todas as células vivas. (As células nervosas usam esse potencial elétrico nos impulsos nervosos.) Essa energia bioelétrica acaba se tornando principalmente energia térmica, mas parte é utilizada para alimentar processos químicos, como nos rins e no fígado, e na produção de gordura.

Uma varredura f M R I de uma cabeça humana com consumo de energia no centro da visão mostrado por um ponto brilhante. Esse brilho indica o consumo de energia. — Figura\(\PageIndex{3}\): Esta ressonância magnética mostra um aumento do nível de consumo de energia no centro de visão do cérebro. Aqui, o paciente estava sendo solicitado a reconhecer rostos. (crédito: NIH via Wikimedia Commons)

Resumo

O corpo humano converte a energia armazenada nos alimentos em trabalho, energia térmica e/ou energia química armazenada no tecido adiposo.
A taxa na qual o corpo usa a energia alimentar para sustentar a vida e realizar atividades diferentes é chamada de taxa metabólica, e a taxa correspondente quando em repouso é chamada de taxa metabólica basal (BMR)
A energia incluída na taxa metabólica basal é dividida entre vários sistemas do corpo, com a maior fração indo para o fígado e o baço, e o cérebro vindo em seguida.
Cerca de 75% das calorias dos alimentos são usadas para sustentar as funções básicas do corpo incluídas na taxa metabólica basal.
O consumo de energia das pessoas durante várias atividades pode ser determinado pela medição do uso de oxigênio, pois o processo digestivo é basicamente um processo de oxidação dos alimentos.

Glossário

taxa metabólica: a taxa na qual o corpo usa a energia alimentar para sustentar a vida e realizar diferentes atividades

taxa metabólica basal: a taxa total de conversão de energia de uma pessoa em repouso

trabalho útil: trabalho realizado em um sistema externo