פעילות גופנית והוצאת אנרגיה

הערכת הוצאת אנרגיה מהווה מדד חשוב בתחומים שונים של תנועה ובריאות. בתחום הספורט ופעילות גופנית אפשר להעריך באמצעותה מאמץ, כושר גופני ויעילות אנרגטית. במספר רב של מקצועות ספורט או בעבודה פיזית, הפחתת הוצאת האנרגיה לאותה פעילות או שיפור היעילות של המאמץ בעבודה הם חלק מהאימון ונושא חשוב באֶרגונומיה.

בתחום הבריאות יש למדידת הוצאת אנרגיה שני תפקידים: האחד, הערכת הפעילות הגופנית שתפקידה בבריאות ידוע ומבוסס והערכת הפעילות המומלצת על ידי הממסד הבריאותי; השני, החשוב משניהם, בחינת המאזן האנרגטי.

‏‏קילוקלוריה (קק"ל) - המידה המקובלת והתקנית לביטוי ערכים אנרגטיים בפעילות גופנית ובמזון (המושג קלוריה אינו בשימוש במדידת מאמץ גופני או בתזונה; טעות שכיחה היא לומר קלוריה ולהתכוון לקק"ל). מגהקלוריה שווה ל- 1000 קקייל ומידה ואת מקובלת לעתים כביטוי להוצאה האנרגטית ליממה.
אֶרגונומיה - תורת מדידת יעילות העבודה הפיזית של האדם
קָלורימטריה - מדידת שטף אנרגית החום
תצרוכת חמצן מירבית - כמות החמצן הרבה ביותר הנצרכת על ידי הגוף בפעילות הנמרצת. מדד לכושר גופני אירובי
פעילות אנאירובית אַ-לקטית - פעילות ללא צריכת חמצן וללא יצירת חומצת חלב, פעילות קצרה מאוד ונמרצת
פעילות אנאירובית לקטית - פעילות ללא צריכת חמצן תוך יצירת חומצת חלב, פעילות קצרה
יחידת Metabolic Equivalent) MET) - יחידת מדידה להגדרת הוצאת האנרגיה בפעילות, ביחס להוצאת האנרגיה במנוחה. הוצאת האנרגיה של פרט מסוים במנוחה מהווה 1MET
מנת הנשימה (RQ) - היחס בין נפח הפחמן הדו חמצני הנוצר לנפח החמצן הנצרך
הוצאה אנרגטית בסיסית Basic) BMR Metabolic Rate) - הוצאת האנרגיה של האדם במצב עירנות, צום, ללא תנועה ובטמפרטורה נוחה
הוצאה אנרגטית במנוחה Resting) RMR Metabolic Rate) BMR הנמדד בתנאים מוגדרים (כמו: טמפרטורת הסביבה, משך הצום, המצב הפיזיולוגי)
עלות אנרגטית - הוצאת האנרגיה הנדרשת להליכת (או ריצת) מרחק מסוים (קק"ל/ק"ג/ק"מ)
מסילה נעה - מכשיר המאפשר הליכה או ריצה במהירויות שונות
פֶּדומֶטר - מכשיר המודד מספר הצעדים בהליכה או בריצה
אופניים ארגומטריים - אופניים נייחים המאפשרים דיווש במאמצים שונים

ההשמנה ועודף משקל הפכו למחלת ההמונים (ראו מדורי תזונה בגיליונות 77, 80); שליש מהמבוגרים וחמישית מאוכלוסיית הילדים בחברות מערביות רבות סובלים ממנה. ההשמנה מזוהה עם מחלות שונות: סוכרת סוג שני (type II), יתר לחץ דם, הפרעה בפרופיל שומנים, טרשת העורקים, מחלות לב, סוגים שונים של סרטן, מחלות מפרקים ועוד. ההשמנה נובעת ממאזן אנרגטי חיובי (חיובי במובן המתמטי, לא הבריאותי), כאשר כניסת האנרגיה גדולה מהוצאת האנרגיה כשעודף האנרגיה מאוחסן ברקמה שומנית וחלה עלייה במשקל. לכן, טענות שונות המופיעות בעיתונות, לפיהן פעילות גופנית לא מפחיתה משקל, שדיאטה חמורה לא מפחיתה משקל כי תפחית את הוצאת האנרגיה, שאין להימנע מעלייה כמשקל אצל בני 60 ומעלה, שפעילות קצרה ונמרצת לא מפחיתה משקל או שפעילות בעוצמה נמוכה רק היא תפחית שומן וטענות נוספות דומות, אינן מדויקות ואת כולן ניתן להפריך על ידי מדידת המאזן האנרגטי.

ישנן סיבות רבות לעלייה במשקל; לדוגמה, עלייה בהוצאה האנרגטית על ידי פעילות גופנית, בשיעור של 1000 קק"ל לשבוע, תבוטל על ידי צריכת אנרגיה נוספת של פחית קולה ליום ולפיכך לא תהיה ירידה במשקל. דיאטת הרזיה חמורה מורידה את ההוצאה האנרגטית ולפעמים מגיעים למצב שאין ירידה במשקל כאשר מתייצב מאזן אנרגטי חדש. אצל אדם מבוגר בגיל 60 עד 70, הוצאת האנרגיה יורדת הן עקב הירידה בפעילות תאי הגוף והרקמות והן משום הקטנת מאסת שריריו. לכן, פעילות גופנית דומה וצריכה אנרגטית דומה מביאה לתוצאות שונות בגילים שונים. לשם הערכת הוצאת אנרגיה פותחו מכשירים שונים - אופניים ארגומטריים, מסילה נעה (Treadmill), שעוני דופק, פֶּדוֹמֶטְרִים ועוד.

קיימות שלוש שיטות עיקריות למדידת ההוצאה האנרגטית. שתיים מהן - מדידה קלורימטרית ישירה ומדידת תצרוכת החמצן - פותחו בסוף המאה השמונה עשרה על ידי המדען הצרפתי לבואזיה ( 1743-1794 Lavoisier). שיטה נוספת - המבוססת על מים כפולי סימון, הופעלה באורח שיטתי רק בתחילת שנות השמונים של המאה שעברה.

מדידה ישירה על ידי קָלורימטר. האדם נמצא בתא מדידה מרווח המהווה את הקלורימטר. שינוי הטמפרטורה בתא המדידה מביע את ההוצאה האנרגטית. המדידה מדויקת ואפשר למדוד בה רק פעילויות במעבדה. בגלל המחיר הגבוה והתחליפים היעילים לשיטה זו יש כיום שימוש מצומצם.

שיטת מים בסימון כפול (Doubly Labeled Water – DLW). מדידה נפוצה במיוחד במעבדות לתזונה.

בשיטה זו ניתנת מנה מדודה של מים, מועשרת באיזוטופים כבדים של חמצן ומימן. החמצן במשקל אטומי 18 (החמצן הרגיל 16) והמימן במשקל אטומי 2 ומכונה גם דאוטוריום (המימן הרגיל משקלו האטומי 1). איזוטופים אלו אינם פולטים קרינה וראויים לניסויים בבני אדם.

באמצעות ספקטרוגרף מאסות ניתן לקבוע את היחסים בין האיזוטופים השונים במנה המדודה ובדוגמאות השתן. לאחר מכן נאספות דגימות של שתן בזמנים שונים. איזוטופ המימן הכבד (דאוטריום) יוצא מהגוף במים בלבד (בהזעה ובשתן) ואילו איזוטופ החמצן הכבד יוצא מהגוף גם במים וגם בפחמן הדו-חמצני (CO₂) הנפלט מהריאות. מתקבלות שתי עקומות דעיכה של ריכוזי האיזוטופים הכבדים, וההפרש ביניהן מורה על קצב היציאה של הפחמן הדו-חמצני. באמצעות קצב היציאה של הפחמן הדו-חמצני מחשבים את ההוצאה האנרגטית. שיטה זו טובה למדידה של הוצאת אנרגיה ממוצעת לזמנים ממושכים. אי אפשר למדוד בשיטה זו הוצאת אנרגיה בפעילות גופנית לזמנים קצרים והמדידה בשיטה זו יקרה.

מדידת תצרוכת החמצן VO₂

מדידה זו נפוצה ושימושית ביותר, וקיימות מספר שיטות מדידה המבוססות על מדידת תצרוכת החמצן. החמצן (O₂), מחמצן את חומרי המזון, פחמימות ושומנים תוך שחרור אנרגיה ביחסים קבועים בין חומרי המוצא לחומרי הפירוק. מתוארות שתי משוואות החמצון העיקריות, של חמצון הגלוקוז ושל חמצון החומצה השומנית אולאית.

חמצון הגלוקוז:

אנרגיה + C₆H₁₂O₆ + 6O₂ > 6CO₂+6H₂0

חמצון חומצה אולאית:

אנרגיה + 2C₁₈H₃₄O₂ + 51O₂ > 36CO₂ + 34H₂O

תהליכים אלה משחררים אנרגיה ותלויים באספקת החמצן. כמות האנרגיה המשתחררת בכל אחד משני התהליכים ידועה וכך לפי נפח החמצן הנצרך ונפח הפחמן הדו-חמצני המשתחרר אפשר לחשב את שחרור האנרגיה.

קיימים שני תהליכים אנרגטיים נוספים בגוף האדם: האחד, פעילות אנאירובית אַלקטיות, צורכת חמצן ואינה יוצרת חומצת חלב. השני, פעילות אנאירובית - לקטית שיוצרות חומצת חלב. שתי פעילויות אלו יוצרות חוב חמצן. שיטת המדידה של תצרוכת החמצן היא בלתי חודרנית ופשוטה. הנבדק שואף אוויר חופשי שהרכבו קבוע (ריכוז החמצן: 20.93%) נושף אוויר לשקי אוויר (בשיטות ישנות), או למכשיר מטבולי המודד באמצעות חיישנים שונים את נפח האוויר הננשף, ריכוזי החמצן והפחמן הדו-חמצני, הטמפרטורה והלחץ. המכשיר ידידותי ומאפשר מדידות כל המדדים המטבוליים בכל נשימה ונשימה. מדדים אלה מחושבים ומוצגים בדרך גראפית במהלך הבדיקה. כדי למדוד את ייצור האנרגיה בפעילות ספורטיבית קיימים מכשירים מטבוליים טלמטריים במשקל של 200 גר' המכילים את החיישנים ומשדרים את המדדים.

תצרוכת החמצן מהווה את ההפרש בין כמות החמצן באוויר השאיפה לבין כמותו באוויר הנשיפה.

את נתוני תצרוכת החמצן אפשר לתרגם להוצאה אנרגטית בקק"ל שהן היחידות המקובלות להערכת המאזן האנרגטי, ההכנסה וההוצאה.

שווה הערך האנרגטי של 1 ליטר O₂ תלוי במנת הנשימה (RQ) התלויה בתפריט ובפעילות הגופנית, וערכיה נעים בין 0.7 לבין 1.0. כאשר מנת הנשימה שווה לערך 1.0 (1 = RQ), ליטר שקול ל- 5 קק"ל. כאשר 0.7 = RQ (במצב מנוחה וצריכת שומנים גבוהה),ליטר חמצן שקול ל-4.6 קק"ל.

ההוצאה האנרגטית נחלקת לשתי פעילויות עיקריות. הפעילות הראשונה, כ - 70% מסך ההוצאה האנרגטית, ההוצאה האנרגטית הבסיסית Basic Metabolic Rate) BMR) אשר מכונה גם הוצאה אנרגטית במנוחה – Resting Metabolic Rate) RMR). קיים הבדל קטן בין שני המושגים אולם שניהם מקובלים כמושג אחד.

הפעילות השנייה, 20 עד 30% מוגדרת כהוצאה אנרגטית בפעילות גופנית. הפעילות השלישית, כ- 5%, היא הוצאה אנרגטית לעיכול המזון ולא נעסוק בה.

הוצאת אנרגיה במנוחה

הוצאת אנרגיה במנוחה (RMR) תלויה במספר רב של גורמים: משקל גוף, גיל, מין, מבנה גוף (שרירים או שומן), השפעות הורמונאליות כמו הורמוני התירואיד, תפריט, והכושר הגופני הנובע מהפעילות הגופנית שלא בעת המדידה. לדוגמה, מדדנו במעבדה שני נבדקים: בנבדקת אחת, שמשקלה 50 ק"ג, נמדדה תצרוכת חמצן של 150 מ"ל/ד' וכך הוציאה אנרגיה בשטף 1080 קק"ל ליממה. לנבדק השני, במשקל 75 ק"ג, נמדדה תצרוכת חמצן של 300 מייל/ד' והוא הוציא אנרגיה בשטף של 2160 קק"ל ליממה. הנבדק השני הוציא, אפוא, אנרגיה בשטף כפול מהנבדקת הראשונה. לכן, לא ניתן לנבא מראש את הוצאת האנרגיה במנוחה של הפרט או לערוך אומדן סביר על ידי חישוב, משום שקיים הבדל משמעותי בין הפרטים השונים ויש חשיבות מיוחדת לביצוע מדידה של תצרוכת החמצן.

פעילות גופנית

תצרוכת החמצן, או ההוצאה האנרגטית, מתגברת ככל שגדל עומס הפעילות הגופנית. את עומס המאמץ או העבודה מקובל לסווג לפעילות קלה (3 – 5 קק"ל/ד'), בינונית (5 - 7), קשה ( 7 - 9) וקשה מאוד (9 - 13). ניתן לסווג את המאמץ גם בערכים יחסיים לתצרוכת החמצן המירבית. תצרוכת חמצן מירבית, מוגדרת ככמות החמצן המירבית שהגוף מסוגל לקלוט בדקה. המדידה מבוטאת במ"ל לדקה או במ"ל לדקה לק"ג משקל גוף. ספורטאים בכושר גופני טוב מגיעים לערך גבוה מ- 50 מ"ל/ק"ג/ד'. ערך נמוך מאשר 30 מ"ל/ק"ג/ד' מעיד על כושר גופני נמוך. עם העלייה בגיל או במשקל הגוף יורדת תצרוכת החמצן המירבית. כדי להגדיר את עוצמת הפעילות לפי תצרוכת החמצן המירבית, מחשבים את צריכת החמצן באחוזים מהערך הפרטני של תצרוכת החמצן המירבית.

הפעילות הגופנית הקשורה בחיי היום יום, כגון הליכה לעבודה, הליכה מהחניה למקום העבודה, עלייה במדרגות, רכיבה על אופניים לעבודה או הליכה לקניות מוגדרת כפעילות בלתי מכוונת. פעילות זו יכולה להיות משמעותית, למשל הליכה של מספר קילומטרים ליום הגורמת להוצאה אנרגטית של 300 עד 400 קק"ל ליממה. ההוצאה האנרגטית יכולה גם להיות מעטה בכמות של 50 עד 100 קק"ל ליממה. הפרש של 300 קק"ל ליממה מהווה 108 מגהקלוריות לשנה, שוות ערך לכ14- ק"ג שומן. הפעילות הגופנית המכוונת מתבטאת באימון ובתחרויות ספורט.

בגבר במשקל 70 ק"ג, נמדדה הוצאה אנרגטית של 700 קק"ל, בהליכה מהירה במהירות 8 קמ"ש או בריצה במהירות 10 קמ"ש למרחק 10 ק"מ, העלות האנרגטית 0.2 מ"ל/ק"ג/מטר. ההוצאה האנרגטית והיעילות האנרגטית שוות בשתי הפעילויות, בראשונה אשר נמשכה 75 דקות ובשנייה שנמשכה 60 דקות, ואילו בהליכה במהירות 5 קמ"ש של אותו האדם נמדדה הוצאה אנרגטית של 525 קק"ל והעלות האנרגטית 0.15 מ"ל/ק"ג/ מטר. למרות שההליכה במהירות המתונה נמשכה שעתיים, ההוצאה האנרגטית בפעילות הנמרצת היתה גבוהה ב- 175 קק"ל. בנוסף להפרש ההוצאה האנרגטית בין הפעילות הנמרצת למתונה, קיימת הוצאה אנרגטית נוספת לאחר הפעילות הנמרצת של שעת התאוששות ומנוחה שערכה 70 עד 100 קק"ל. וכך ההפרש בין הליכה איטית לריצה או הליכה מהירה לאותו מרחק מתבטא בכ- 250 קק"ל. עריכת 4 אימונים בשבוע, פירושם הוצאה אנרגטית נוספת של 1000 קק"ל לשבוע, או כ-48 מגהקלוריה בשנה, שערכם האנרגטי 6 עד 7 ק"ג שומן.

ככל שקטנה יעילות הפעילות הגופנית כן גובר הפסד האנרגיה והירידה במשקל. מכאן שהליכה מהירה או ריצה יעילותן האנרגטית נמוכה ותרומתן למאזן אנרגיה שלילי (הרצוי) גדולה מאשר הליכה איטית. לכן פעילויות אלו עדיפות, למי שיכול ורוצה כדי להוציא אנרגיה רבה בפרק זמן קצר.

הוצאה אנרגטית	תצרוכת חמצן	הספק	מעמס החיכוך
קק"ל / שעה	ל' / ד'	וואט	ק"ג
270	0.9	50	1
450	1.5	100	2
660	2.1	150	3
810	2.7	200	4

הוצאה אנרגטית ברכיבה על אופניים ארגומטריות בעומסים שונים במהירות 50 סל"ד (או 18 קמ"ש)

שיטות נוספות להערכת הוצאת אנרגיה

מדידת תצרוכת חמצן אינה ישימה לבדיקה המונית יום יומית ולכן פותחו שיטות למדידות הוצאת אנרגיה באמצעות שורת מכשירים. המדידות במכשירים אלה נסמכות על המדידות והידע של מדידת תצרוכת החמצן תוך נקיטת הנחות שונות. לכן, המדידות מתאימות בעיקרן לצעירים בעלי משקל ממוצע, בעלי יעילות אנרגטית ממוצעת והמסוגלים להגיע לדופק מרבי רצוי. כדי להגדיר את הדופק המרבי הרצוי מפחיתים את הגיל (בשנים) מהערך 220

מסילה נעה: מסילה נעה פשוטה מציגה ערכי הוצאה אנרגטית לפי משקל תקני של 75 ק"ג ועלות אנרגטית של הליכה מהירה, 0.2 מ"ל/ק"ג/מטר. במכשור משוכלל נרשם משקל המתאמן והעלות האנרגטית מחושבת בהתאם למהירות ההליכה, וכך מורה הצג על ערכים תקינים מאשר במכשור הפשוט.

אופניים ארגומטריים: חישוב ההוצאה האנרגטית אמין ופחות בעייתי מאשר במסילה הנעה. ההוצאה האנרגטית אינה תלויה בגיל או במשקל ובכל הספק (עבודה / זמן), תצרוכת החמצן קבועה תוך הנחה שכל נבדק פועל בעלות אנרגטית ומנת נשימה, 1 = ,RQ דומות. ברור שנדרשת הקפדה על הספק קבוע, כלומר שהעומס (החיכוך) ומהירות הדיווש יהיו אמיתיים. באופניים מתוחכמות, ההספק נשמר בצורה אופטימאלית.

מדידת דופק: מכשיר המודד דופק באופן טלמטרי. המחשב מוזן בנתונים שונים המאפשרים דיוק מדידה סביר, משקל הגוף, דופק במנוחה, גיל, תצרוכת חמצן מירבית (המעידה על הכושר האירובי) ומהירות הריצה (כשהשעון מצויד בחיישן למדידת המרחק).

מחשבי השעון מספקים הוצאה אנרגטית גם לפי הדופק לאחר מדידת הדופק במנוחה. ההפרש בין הדופק המרבי (מחושב בהתאם לגיל) לדופק במנוחה מהווה 100% מעליית הדופק האפשרית. ההפרש בין הדופק הנמדד בריצה לבין דופק המנוחה הינו עליית הדופק וכך ניתן לחשב את אחוז עליית הדופק מכלל העלייה האפשרית. עלייה מרבית של הדופק שקולה לתצרוכת חמצן מרבית (אפשר להעריכה לפי מהירות הריצה) ועלייה קטנה מהמרבית מחושבת בהתאם. ההוצאה האנרגטית לדקה (קק"ל) מחושבת על ידי הכפלת נפח האוויר הנצרך לדקה (ליטר) כפול 5.

פדומטר: המכשיר מקובל לבדיקת ההוצאה האנרגטית לאוכלוסייה רחבה שאינה פעילה או לקשישים שעיקר פעילותם הליכה איטית מכוונת או פעילות הקשורה בחיי היום יום כמו הליכה לעבודה, עלייה במדרגות, הליכה לקניות. המכשיר מודד את מספר הצעדים. אם מוזן אורך הצעד מוצג המרחק. ישנם מכשירים המחשבים גם את ההוצאה האנרגטית בהנחה של עלות אנרגטית קבועה.

מד פעילות משוכלל: מדדנו במעבדתנו דוגמה המופיעה בשרטוט.

ככל שגברה מהירות ההליכה, עלתה ההוצאה האנרגטית לדקה. בשיא הפעילות, במהירות הליכה של 9 קמ"ש הגיעה ההוצאה האנרגטית ל-12 קל'/ד' וככל שירדה מהירות ההליכה כן ירדה ההוצאה האנרגטית.

במדידה אחרת מדדנו באמצעות אותו המכשיר את הפעילויות השונות שהנבדק ביצע משך כ- 5 שעות וגם חישבנו את הוצאת האנרגיה בכל פעילות. הפעילות מדורגות בסדר הולך וגדל לפי הוצאת האנרגיה (ראו תרשים).

משמאל, ישיבה בה נמדדה הוצאת האנרגיה של 1.6 קק"ל לדקה ומימין ריצה בה נמדדה הוצאת אנרגיה של 11.2 קק"ל לדקה. בדרך זאת ניתן למדוד את הוצאת האנרגיה היומית לפרטי פרטיה. מכשיר זה הוא דוגמה טובה לשיטה פשוטה ומתוחכמת להערכת הוצאת האנרגיה ומתאים לרוב הפעילויות הרגילות של מרבית האוכלוסייה המערבית. מדידה כזו חשובה להערכת המאזן האנרגטי והפעילות הגופנית באוכלוסיות שונות ובמיוחד באנשים בסיכון למחלות השמנה, לב וסוכרת.

מדידת ההוצאה האנרגטית מהווה חלק חשוב במאזן האנרגטי. הירידה בהוצאה אנרגטית עקב גלישה באינטרנט, צפייה בטלוויזיה ומשחקים וירטואלים במקום פעילות גופנית, מהווה גורם נכבד בעלייה בהשמנה באוכלוסיות העולם המערבי.

ומכאן שתי מסקנות:

1. פעילות גופנית - ככל שהעומס או המאמץ גדולים כן גדלה ההוצאה האנרגטית.

2. ההוצאה האנרגטית המרבית מושגת במאמצים ממושכים כמו ריצת מרתון (כ- 3000 קק"ל לרץ במשקל 70 ק"ג), רכיבה על אופניים למרחקים ארוכים כמו במרוץ "טור דה פראנס" כ- 180 ק"מ ליום (הוצאה של 4000 עד 5000 קק"ל, בהתאם לתנאי השטח). גם הליכה מהירה של 5 ק"מ ליום או 30 ק"מ לשבוע תביא להוצאת אנרגיה של כ-8 מגהקלוריות לחודש. לכן , אל תאמר " כשהייתי צעיר הייתי רזה", לך מהר והרבה, ותהא רזה.....

לקריאה נוספת

Bassett DR, Ainsworth BE, Swartz AM, Strath SJ, O'brien WL, King GA. Validity of four motion sensors in measuring moderate intensity physical activity. Med Sci Sports Exerc 2000;32:S471-80

Hoos MB, Plasqui G, Gerver WJM, Westerterp KR, Physical activity level measured by doubly labeled water and accelerometry in children. Eur J Appl Physiol 2003;89:624-6

Nieman DS, Austin MD, Chilcote SM, Benzera L. Validation of a new handheld device for measuring resting metabolic rate and oxygen consumption in children. Inter J Spor Nutr Exer Metab 2005;14:208-16

Waters RL, Lunsford BR, Perry J, Byrd R. Energy – speed relationship of walking: Standart Tables. J Orthpaedic Res 198