Thème 2 Corps humain et santé : Exercice physique

Chapitre 2 Effort physique et dépense énergétique TP n°3 seconde :

Energie et effort

Deux de vos camarades ne sont pas d'accord : l'un affirme que tous les individus dépensent la même quantité

d'énergie pour réaliser un même effort alors que l'autre est persuadé que cela dépend des paramètres personnels.

Vous essaierez, à l'aide des activités proposées, de préciser lequel de vos amis à raison et d'expliquer

l'origine de l'énergie nécessaire au travail musculaire.

I) La dépense énergétique associée à l'effort :

Un effort musculaire est caractérisé par un travail et une puissance.

Le travail est l'énergie mécanique développée par un (ou plusieurs) muscle(s) pour déplacer une masse, une balle…

Lorsqu’un sujet effectue une flexion, il soulève la masse de son corps contre la pesanteur sur une hauteur d’environ le tiers de sa

taille.

Le travail musculaire (énergie mécanique) réalisé au cours de flexions peut être estimé par la formule suivante:

Travail T (Joules) = masse (kg) × 1/3 taille (m) × g (m/s2) × nombre de flexions

g = accélération de la pesanteur =9,81 m/s2

La puissance de l’effort est égale au travail musculaire développé par unité de temps et peut être calculée par la formule

suivante :

Puissance (Watts) = Travail T (Joules) / durée effort (s)

1) Sans réaliser les flexions, vous allez estimer, avec vos paramètres personnels, le travail et la puissance de l'effort musculaire

réalisé lors de 10 flexions en 60 secondes.

a) Complétez le fichier Excel. (Feuille 1 du fichier Excel « effort et énergie").

b) Recopier les formules utilisées.

c) Complétez le tableau de la fiche réponse.

d) Comparez vos résultats à ceux de votre camarade.

e) Comparez ces résultats avec ceux que vous obtiendrez pour le double de flexions.

2) En utilisant l'ensemble de vos résultats et les données du document annexe ci-dessous, vous conclurez en précisant quels

paramètres peuvent faire varier la dépense énergétique d'un individu à l'autre.

Tableau des besoins énergétiques quotidiens (les valeurs suivantes sont des moyennes)

âge, état activité Homme Femme

Enfant

de 1 à 3 ans 5700 Kj 5700 Kj

Adolescents

de 13 à 15 ans 12100 Kj 10400 Kj

Adulte avec activité faible 8800 Kj 7500 Kj

Adulte avec activité

moyenne 11 300 Kj 8400 Kj

Adulte avec activité

intense 12500 Kj 9200 Kj

Femme enceinte - entre 8300 et

9000 Kj

II) Origine de l'énergie nécessaire aux muscles à l'effort :

Complétez le tableau du document de la fiche réponse. A l'aide des données de ce document et de vos

connaissances, compléter le texte à trous proposé dans la fiche réponse afin de préciser l'origine de l'énergie

nécessaire aux muscles.

Pb : Etant donné qu’il existe peu de réserves d’O2 dans l’organisme, quelle est l’origine du surplus d’O2 consommé

par les muscles lors de l’effort ?

1) Origine du dioxygène consommé en plus à l'effort :

a) Proposez une hypothèse concernant l'origine du surplus de dioxygène dont l'organisme a besoin à l'effort.

Dispositif ExAO permettant de mesurer la quantité d’O2 dans l’air inspiré et expiré et donc la quantité d'O2

consommé

On réalise les mesures :

- Pendant 2 minutes au repos.

- Au cours d’un effort modéré (10 flexions en 1 minute)

- Au repos jusqu'à la fin de l'expérience.

Les résultats des mesures sont reportés dans la feuille 2 du fichier Excel « effort et énergie ».

b) Résumer le protocole expérimental puis à l’aide du logiciel Excel, présenter les résultats : tracez le graphique

(nuages de points reliés par une courbe lissée) représentant l’évolution de la consommation cumulée d'O2 en fonction

du temps. Penser aux titres et unités des axes.

c) Demander au professeur le graphique obtenu et coller le sur votre fiche réponse. Délimiter sur le graphique la

période d’effort.

d) Déterminer - le volume de dioxygène consommé durant une minute au repos

- le volume de dioxygène consommé durant une minute d’effort (en L/min).

e) L’organisme ne dispose que de très peu de réserves de dioxygène, si bien que la mesure du prélèvement d’O2

correspond intégralement au volume de dioxygène consommé dans la respiration qui fournit l’énergie dépensée par

l’organisme. Chez l’homme, dont l’alimentation est diversifiée (glucides, lipides et protides), la consommation

d’un litre de dioxygène correspond à une libération moyenne d’énergie de 20 kJ.

*A partir des résultats précédents, calculer l’énergie produite à l’effort (10 flexions) puis comparer cette

quantité d’énergie produite à l’énergie mécanique dépensée lors des 10 flexions.

Cf partie I du TP : on prendra comme moyenne :

Travail (énergie mécanique dépensée) de 3KJ (3000J) pour les 10 flexions.

*Estimer alors le pourcentage d’énergie dissipée sous forme de chaleur.

*Conclure.

f) Compléter le schéma proposé (légendes et couleurs) montrant les échanges réalisés entre la cellule

musculaire et le sang, lui assurant l'apport d'énergie nécessaire à sa contraction.

Thème 2 Corps humain et santé : Exercice physique

Chapitre 2 : Effort physique et dépense énergétique

TP n°3 seconde :

Energie et effort

Problématique :

Est ce que les dépenses énergétiques liés à un effort dépendent des paramètres personnels ?

Quelle est l’origine de l’énergie nécessaire au travail musculaire ?

I) La dépense énergétique associée à l'effort :

Masse (kg) Taille (m) Nb flexions Durée effort (s) Travail (J) Puissance (W)

Elève 1 :

Elève 2 :

-L'élève plus grand ou de masse plus élevée développe un travail musculaire (énergie mécanique) plus important pour réaliser ces

10 flexions. La puissance de cet effort est aussi plus élevée pour cet élève.

Lorsqu'on double le nombre de flexions par ex (effort deux fois plus puissant), on dépense deux fois plus d'énergie (travail

musculaire).

- La dépense énergétique journalière augmente avec l'âge et le sexe de l’individus. pour une même activité, les hommes adultes, en

moyenne de masse plus élevée pour un âge donné, dépensent plus d'énergie que les femmes.

- Certaines dépenses énergétiques sont incompressibles car liées au métabolisme de base.

- On observe que des dépenses sont aussi associées à la thermorégulation et au travail digestif.

- certaines activités nécessitent une plus grande quantité d'énergie (ex :course>> travail scolaire)

La dépense énergétique d'un individu à l'effort dépend donc :

- des paramètres personnels (masse, taille, âge, sexe et état physiologique)

- de l'activité réalisée et de sa durée

II) Origine de l'énergie nécessaire aux muscles à l'effort :

DOC : Teneur en dioxygène, en dioxyde de carbone et en nutriments dans le sang entrant et sortant d'un muscle au repos et lors d'un effort

Repos En activité

Dioxygène Glucose Dioxyde de

carbone

Dioxygène Glucose Dioxyde de

carbone

Sang entrant dans le

muscle (100 ml)

19 mL 100 mg 50 mL 19 mL 100 mg 50 mL

Sang sortant du muscle

(100 ml)

15 mL 87 mg 53 mL 4 mL 72 mg 67 mL

Quantité consommée

ou rejetée par le muscle

Au cours d'un exercice physique, on observe que le muscle (cellules musculaires) consomme PLUS de :

dioxygène ( 3 fois plus) et de glucose ( 2 fois plus)

Cela permet de produire de l'énergie (travail musculaire) grâce à un mécanisme de dégradation des nutriments en

présence de dioxygène : ce phénomène se réalise dans les mitochondries : c’est la respiration cellulaire

glucose + O2 CO2 + H2O + ENERGIE

Travail musculaire Chaleur

Le muscle et son

irrigation

sanguine

Artérioles veinules

Pb : Etant donné qu’il existe peu de réserves d’O2 dans l’organisme, quelle est l’origine du surplus d’O2

consommé par les muscles lors de l’effort ?

1) Origine du dioxygène consommé en plus à l'effort :

a) Hypothèse : L’organisme doit prélever davantage d’O2 dans le milieu extérieur (air)

b) Protocole expérimental : expérience Assistée par ordinateur : enregistrement de la quantité d’O2 dans l’air inspiré et

dans l’air expiré afin de calculer la quantité d’O2 consommé.

c) Résultats (graphique) à coller

d) VO2 (repos) = 0,2 L/min

VO2 (effort) = 0,9 – 0,4 = 0,5 L/min

La quantité d’O2 consommée par l’organisme à

l’effort est supérieure (x 2) à celle consommée

au repos.

e) 1L d’O2 libère 20 KJ donc 0.5 L d’O2 consommé pendant la minute d'effort libère 10KJ (énergie produite)

Lors de la première partie du TP, les 10 flexions, nécessitaient en moyenne un travail (énergie

mécanique dépensée) de 3KJ (3000J), cela correspond à 30% de l'énergie produite par respiration

cellulaire. Le reste de l’énergie produite (70 %) par oxydation des nutriments est dissipée sous forme de

chaleur.

f)

DM : exercice 8 p 191

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 1 2 3 4 5 6

Vo

lum

e c

um

ulé

de

dio

xygè

ne

co

nso

mm

é (

L)

Temps (minutes)

Evolution de la consommation cumulée de dioxygène d'un individu donné en fonction du

temps et de l'effort fourni

A l'effort, l'organisme prélève donc

davantage d'O2 dans l'air,

Ce surplus d'O2 consommé est

nécessaire à la production d'énergie

dans les muscles à l'effort,

par respiration cellulaire dans la

cellule musculaire.

Travail musculaire

Chaleur

Respiration cellulaire