제 8 장 운동의 에너지 계산
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Transcript 제 8 장 운동의 에너지 계산
운동의 에너지 계산
* 에너지 소비량을 재는 방법
- Direct method : 직접 chamber에서 재는 방법
- Indirect method : 간접적으로 산소의 소비량으
로 에너지 소비 계산
- Heart rate method : 간접적으로 심박수와 에너
지 소비량을 상관 시켜 구함
• Direct Method
직접 chamber에서 재는 방법. 이 방법은 외부로부터 차단되고
벽에 물이 흐르는 방 속에서 활동을 함으로써 나오는 에너지를
벽 속의 물이 흡수해서 물의 온도가 상승하는 것으로 에너지의
발산량을 계산하는 방법이다.
**
Indirect method :
간접적으로 산소의 소비량을 에너지 소비 계산
- 기본 원리는 bomb calorimeter에 의해 얻어진 산소 소비량에
따른 각 영양소 즉, 탄수화물, 지방, 단백질 등의 에너지 산출을
근거로 한다.
- 탄수화물, 지방, 단백질은 g당 4, 9, 5.6 Kcal의 열량을 낸다.
그러나 단백질의 nitrogen은 체내에서 urea로 빠져 나가 완전 연소
되지 않으므로 생리적으로 단백질은 g당 4.0Kcal의 열량 밖에 내지
못한다.
- 그러면 산소 1L를 소비할 경우 각각의 영양소는 얼마의 열량을
내는가를 보았더니, 그 결과가 탄수화물, 지방, 단백질 당 5.1, 4.7,
4.5 Kcal의 열량을 낸다.
- 비록 지방은 g당으로는 탄수화물의 두 배의 열량을 갖고 있으나
(9:4), 산소 1L 사용 시에는 탄수화물이 더 많은 열량을 낸다 (5.1 :
4.7).
- Table 1 The Caloric Density, Caloric Equivalent, and the Respiratory
Quotient Associated With the Oxidation of Carbohydrate, Fat, and Protein
Measurement
Caloric density (kcal/g)
Caloric equivalent of 1L of O2(kcal/L)
Respiratory quotient
Carbohydrate
Fat
Protein
4.0
5.1
1.0
9.0
4.7
0.7
4.0
4.5
0.8
- 산소를 소비하고 이산화탄소를 배출하는 비율을 respiratory
quotient(RQ), respiratory exchange ratio(RER or R)이라고 한다.
- respiratory quotient 와 respiratory exchange ratio의 차이점.
- RQ와 RER을 알면 운동시 연료로 사용되는 영양소를 짐작할
수 있다.
Glucose : C6H12O6 +6 O2
palmitate : C16H32O2 + 23O2
6 H2O +6 CO2
16 H2O +16 CO2
산소 1리터에 대한 탄수화물과 지방의 산화 및 열량 사이의 상호관계(비단백질 RQ)
1 liter of oxygen is equivalent to
비단백질 RQ
Carbohydrates,Gm
Fat,Gm
Calories
0.707**
0.71
0.72
0.73
0.74
0.000
0.016
0.055
0.094
0.134
0.502
0.497
0.482
0.465
0.450
4.686
4.690
4.702
4.714
4.727
0.75
0.76
0.77
0.78
0.79
0.173
0.213
0.254
0.294
0.334
0.433
0.417
0.400
0.384
0.368
4.739
4.751
4.764
4.776
4.788
0.80
0.81
0.82
0.83
0.84
0.375
0.415
0.456
0.498
0.539
0.350
0.334
0.317
0.301
0.284
4.801
4.813
4.825
4.830
4.850
0.85
0.86
0.87
0.88
0.89
0.580
0.622
0.666
0.708
0.741
0.267
0.249
0.232
0.215
0.197
4.862
4.875
4.887
4.899
4.911
0.90
0.91
0.92
0.93
0.94
0.793
0.836
0.878
0.922
0.966
0.180
0.162
0.145
0.127
0.109
4.924
4.936
4.948
4.961
4.973
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1.010
1.053
1.098
1.142
1.185
0.091
0.073
0.055
0.036
0.018
4.985
4.998
5.010
5.022
5.035
1.00*
1.232
0.000
5.047
* 에너지 소비를 표현하는 방법
- 운동에 필요한 에너지는 운동시 대상자의 steady-state 상태에서의
산소 소비량을 기초로 계산을 한다.
- 일단 steady-state 상태에 도달하게 되면 다양한 에너지 substrate를
사용한 aerobic metabolism에 의해서 ATP가 공급된다고 할 수 있다.
- 측정된 산소 소비량을 에너지 소비량으로 표현할 때 여러가지의
다른 방법이 있다.
1. VO2(L/min) 산소 섭취량을 산출할 때는 분당 몇 L 나 소비
했는가로 표시한다.
예를 들어서 80Kg인 사람이 treadmill에서 최대하부하의 운동을
했을 때 환기량(pulmonary ventilation) 이 60 L/min이고, 호기시의
산소함량이 16.93%이었을 경우.
VO2 (L/min) = 60L/min (20.93 - 16.93)% = 2.4 L/min
(대기중 산소 : 20.93%, 이산화탄소:0.03%, 질소: 79.04%)
2. Kcal/min이 사용되기도 하는데, 실용적인 이유로 약간의
정확성은 떨어지지만 1L의 산소 소비당 5Kcal를 잡는다.
위의 예로 계산을 계속한다면
2.4 L/min 5 Kcal/L = 12 Kcal/min이 된다.
그리고 30분간 운동을 하였다면
12Kcal/min 30min = 360 Kcal를 소비한 것이 된다.
3. VO2(ml/kg/min) 산소 소비량은 L에 곱하기 1000을 하면 ml가
되고, 이것을 몸무게로 나누고, 또 분으로 나누면, 이것이
ml/kg/min으로 다른 크기의 사람과 비교를 할 때 유용하고 가장
많이 사용되는 표현 방법이다.
즉, 2.4 L/min 1000 = 2400ml/min
2.4 L/min 80kg = 30 ml/kg/min이 된다.
4. METs : 안정시의 대사량은 대략 3.5 ml/kg/min이다.
그리고 이것을 1 METs 라고 한다. 즉, 운동의 활동량을
이 METs의 배수로 나타내기도 한다.
예를 들면, 30 ml/kg/min을 3.5ml/kg/min으로 나누어 주면
8.6METs가 된다.
*
운동의 에너지 소비량 추정을 위한 공식
- American College of Sports Medicine(ACSM)에서는 실제의
생리적 산소 요구량을 사용하여 각 활동에 맞는 공식을 개발
했다.
- 각각의 운동은 에너지의 사용 요소로 나누어 졌는데,
총 에너지 요구량 = 운동의 순수 산소 요구량 + 안정시 대사량
(3.5 ml/kg/min)
여기서 운동의 순수 산소 요구량 = 수평 운동시 요구량 + 수직 운동시
요구량을 말한다.
- 이러한 공식은 운동의 처방과 프로그램을 고안할 때 유용하게 사용
될 수 있는 공식이다.
*
걷기(Walking)
- 걷기 시 평지에서 1m/min의 에너지 값은 0.100에서 0.106ml/kg/ min
이다. 여기서 0.1의 값을 취해서 ACSM 공식을 사용하여 계산했을
경우 정확성이 많이 떨어지지 않은 상태에서 에너지 요구량을 구할
수 있다.
- 그러므로 공식은
VO2 = 0.1 ml/kg/min (수평 속도) + 3.5 ml/kg/min
- Question and Answer
Question ; What are the estimated steady-state VO2 and METs for a
walking speed of 90m/min(3.4mi/hr)?
VO2 = 90m/min
0.1ml/kg/min
+ 3.5ml/kg/min
m/min
VO2 = 9.0ml/kg/min + 3.5ml/kg/min = 12.5ml/kg/min
METs - 12.5ml/kg/min 3.5ml/kg/min = 3.6
Question ; An unfit participant is told to exercise at 11.5ml/kg/min to achieve
the proper exercise intensity. What walking speed would you recommend?
11.5ml/kg/min = ?m/min
0.1ml/kg/min
m/min
+ 3.5ml/kg/min
Subtract 3.5ml/kg/min from 11.5ml/kg/min to obtain the net O2 cost of the
activity (8.0ml/kg/min). The net cost is divided by 0.1ml/kg/min per m/min to
yield 80m/min (3mi/hr):
0.1ml/kg/min
8ml/kg/min = ?m/min
m/min
80m/min = 8ml/kg/min
3.0mi/hr = 80m/min
0.1ml/kg/min
m/min
26.8m/min
mi/hr
*
언덕을 올라갈 경우
- 언덕을 올라가는 수직에서의 산소 소비량은 1.8ml/kg/min이다.
- 또한 수직 속도는 언덕의 기울기(grade)에 분당(m) 의 속도를
곱해서 계산한다. 즉, 기울기 속도(m/min)이다.
- 만약 어떤 사람이 10%언덕을 분당 80m의 속도로 걷는다면 수직
속도는 8m/min이 된다.
즉, 0.1 80 = 8인 것이다.
- 그러므로 언덕을 걸어서 올라갈 때의 산소 소비량 계산 공식은
VO2 = 0.1 ml/kg/min (수평속도) + 1.8 ml/kg/min (수직속도) + 3.5
ml/kg/min이다.
- Question and Answer
Question ; What is the total oxygen cost of walking 90m/min up a 12%
grade?
Horizontal component: Calculated as in preceding equation and equals
9ml/kg/min
Vertical component ;
1.8ml/kg/min
VO2 = 0.12(grade) 90m/min
= 19.4ml/kg/min
m/min
VO2(ml/kg/min) = 9.0(horizontal) + 19.4(vertical) + 3.5(rest)
= 31.9ml/kg/min, or 9.1 METs
Question ; Set the treadmill grade to achieve an energy requirement of
6METs (21.0 ml/kg/min) when walking at 60 m/min?
The net O2 cost of the activity = 21 - 3.5, or 17.5ml/kg/min
Horizontal compponent = 60m/min
0.1ml/kg/min
m/min
= 6.0ml/kg/min
Vertical component = 17.5 - 6.0 = 11.5ml/kg/min
11.5ml/kg/min = fractional grade 60m/min
1.8ml/kg/min
m/min
11.5ml/kg/min = fractional grade 108ml/kg;min
Fractional grade = 11.5 108 = 0.106 100% = 10.6% grade
* Jogging and Running
- 130 -350 m/min속도 안에서의 jogging과 running 시의 에너지 소모량도
ACSM의 공식을 이용해서 구할 수 있다.
* 평지에서 달릴 경우
- 평지에서 달릴 경우에는 걷기의 두배인 1m/min당 0.2 ml/kg/min으로
잡고 있다.
- 훈련자와 비훈련자의 차이도 있고, 특정 그룹간의 차이도 있지만 다음
의 공식은 많은 오차 없이 달리기 운동시 에너지 소모량(ml/kg/min)을
추정하는데 사용할 수 있다.
- VO2 = 0.2 ml/kg/min (수평속도) + 3.5 ml/kg/min
- Question and Answer
Question ; What is the oxygen requirement for running a 10Km race
on a track in 60 min?
10,000m 60min = 167m/min
0.2ml/kg/min
VO2 = 167m/min
+ 3.5ml/kg/min
m/min
VO2 = 36.9ml/kg/min, or 10.5METs
Question ; A 20-year-old female distance runner with a VO2 max of
50ml/kg/min wants to run intervals at 90% of VO2max.
At what speed should she run on a track?
90% of 50 = 45ml/kg/min, and the net cost of the run =
45ml/kg/min - 3.5ml/kg/min, or 41.5ml/kg/min
41.5ml/kg/min
0.2ml/kg/min
= 207m/min
m/min
** 계산에서 36.9ml/kg/min은 보통사람의 VO2 max에 해당되므로
뛸 수 있는 사람도 있고 없는 사람도 있을 것이다.
* 언덕을 뛰어 올라갈 때
- 언덕을 뛰어 올라갈 때의 산소 소비량에 대한 정보는 우리가
이미 계산한 운동들에 비해서는 정보가 부족한 편이다.
- 그러나 거의 확실한 것은 걸을 때의 반정도 밖에 소모되지 않는
다는 것이다. 왜냐하면 평지를 뛰면서 뛰어오르는 수직 동작이
언덕을 뛰어올 때 작용해서 산소의 소비량을 줄여 주기 때문이다
그래서 언덕을 뛰어 올라갈 때의 산소 요구량은 0.9ml/kg/min이다.
- 그러므로 언덕을 뛰어 올라갈 때 산소 소비량의 공식은
VO2 = 0.2 ml/kg/min (수평속도) + 0.9 ml/kg/min (수직속도)
+ 3.5 ml/kg/min 이다.
- Question and Answer
Question : What is the oxygen cost of running 150 m/min up a 10% grade?
Horizontal component:
VO2 = 150m/min
0.2ml/kg/min
= 30ml/kg/min
m/min
Vertical component:
VO2 = 0.10(fractional grade) 150m/min
0.9ml/kg/min
= 13.5ml/kg/min
m/min
VO2 = 30.0(horizontal) + 13.5(vertical) + 3.5(rest) = 47ml/kg/min
Question : The oxygen cost of running 350 m/min on the flat in about
73.5ml/kg/min. What grade should be set on a treadmill for a speed of 300
m/min, to achieve the same VO2?
Horizontal component:
VO2 = 300m/min 0.2ml/kg/min per m/min = 60ml/kg/min
Vertical component:
Net VO2 = 73.5(total) - 60(horizontal) - 3.5(rest) = 10.0ml/kg/min
10ml/kg/min = fractional grade 300m/min
0.9ml/kg/min
m/min
Fractional grade = 10ml/kg/min 270ml/kg/min = .037 or 3.7% grade
* 걷기
- 만일 어떤 사람이 시속 3mile(4.8Km= 80m/min) 의 속도로 걷는
다면 1 mile은 20분에 걷게 된다.
- 이 사람의 몸무게가 70kg일 때 1mile 걷는데 필요한 열량은
VO2 = 80 m/min 0.1 ml/kg/min + 3.5 ml/kg/min이다.
VO2 = 11.5 ml/kg/min
VO2(ml/mi) = 11.5 ml/kg/min 70kg 20min/mi = 16,100 ml/mi
VO2(L/min) = 16100 ml/mi 1000ml/L = 16.1 L/mi
- 1L의 산소당 5 kcal의 열량을 내므로 총 열량은 80.5 kcal(16.1 5)
이다.
- 순수 소비 열량은 안정시의 산소 소비량을 뺀 값이다.
- 20분 70 3.5 ml/kg/min = 4900 ml = 4.9 L kcal/L = 24.5 kcal이다.
- 그러므로 80.5 kcal - 24.5 kcal = 56kcal 가 된다.
* 달리기 running
- 만일 같은 70kg인 사람이 시속 6mile(9.6km = 161m/min)로 달렸을
경우 산소 소비량은
VO2 = 161m/min 0.2 ml/kg/min + 3.5 ml/kg/min
VO2 = 35.7 ml/kg/min
VO2(ml/mi) = 35.7 ml/kg/min 70 kg 10min/mi = 25000ml/mi
VO2(L/min) = 25000 ml/mi 1000ml/L = 25 L/mi
- 1L의 산소당 5Kcal의 열량을 내므로 총 열량은 125kcal(25 5) 이다.
- 순수 소비 열량은 안정시의 산소소비량을 뺀 값이다.
- 10분 70 3.5 ml/kg/min = 2450ml = 2.45L 5Kcal/L = 12.25 Kcal
이다.
- 그러므로 125Kcal - 12.25 Kcal = 약 113 Kcal가 된다.
- 총 열량 소모의 비율은 125:80으로 약 50%정도 달리기가 크지만 순수
열량의 소모 차이를 보면 달리기가 113:56으로 두배 정도나 큰 것을
알 수 있다.