Consumo de energia no corpo humano

 

 

         O consumo de energia por uma pessoa adulta– na forma de alimentos –é de aproximadamente 2.500 kcal[i] por dia[ii]. Uma pessoa que pratique atletismo, outro esporte exigente, ou faça trabalho pesado deve consumir bem mais do que isso: umas 4 horas de atividade pesada por dia, como natação, trabalho na agricultura, ou alpinismo pode fazer com que uma pessoa precise comer duas vezes mais do que comeria na ausência dessas atividades. Já crianças ou pessoas de idade avançada e com pouca atividade física consomem bem menos. Em geral, mulheres consomem um pouco menos de energia do que homens. Entretanto, lactantes e grávidas podem precisar de alguma coisa como 300 kcal a 500 kcal a mais por dia para que possam dar conta das exigências adicionais a que estão submetidas. O valor “usual” de 2500 kcal/dia é bastante típico para grande parte dos adultos em atividades também “usuais”.

         Essa energia é usada para manter nosso organismo em funcionamento, como coração, pulmões e os demais órgãos internos, e também para fornecer alguma capacidade de trabalho externo que é feito durante praticamente todo o dia. Em condições de repouso, cerca de 30% da energia é consumida pelos músculos esqueléticos e praticamente outro tanto é consumida pelos órgãos abdominais. Em repouso o cérebro consome cerca de 20% e o coração 10% da energia total consumida pelo corpo.

         É interessante verificar que nosso corpo tem uma eficiência relativamente alta quando faz trabalho mecânico, mas está longe se ser totalmente eficiente. Assim, apenas cerca da décima parte da energia consumida pelo coração corresponde à energia necessária para empurrar o sangue; o restante é gasto de energia que não se traduz em movimento mecânico de coisa alguma.

         A energia que dispomos está armazenada nos músculos, no sangue e no fígado, na forma de glicogênio ou de glicose. Como a disponibilidade de energia é muito importante no desempenho de um atleta, há várias estratégias de alimentação que têm como objetivo encontrar um balanço adequado na alimentação que permita otimizar a disponibilidade e o armazenamento de energia no corpo.

        Energia e potência

 

         Às vezes, olhar uma mesma coisa de outro ponto de vista pode nos mostrar algo que, de outra forma, passaria desapercebida. Vamos aqui transformar a energia consumida pelo corpo em um dia em potência e, no caso, medida em watts (W)[iii]. Primeiro vamos transformar aquelas 2.500 kcal consumida durante todo o dia em joules (1j=4,18 cal):

 

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Para calcular a potência em W precisamos dividir essa energia pelo número de segundos em um dia:

 

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Aí está: produzimos e consumimos, em atividade normal, aproximadamente 120 W de potência, o equivalente ao consumo de eletricidade de uma lâmpada de uso caseiro. Se o coração é responsável pelo gasto de cerca de 10% da energia que consumimos, então ele consome cerca de 12 W; o cérebro, que nos “custa” 20% da energia, consome estão cerca de 24 W.

         Se a potência média consumida é de 120 W, isso quer dizer que temos capacidade suficiente para manter uma lâmpada acesa, girando a manivela de um gerador de eletricidade, e conseguir iluminar uma sala em caso de falta de energia? Sim, mas por pouco tempo e apenas uma pessoa bem treinada consiga fazer isso por alguns minutos. Vamos fazer algumas contas para estimar a capacidade de produção de energia externa de uma pessoa.

         Potência é trabalho por unidade de tempo. Vamos fazer alguns cálculos para determinar com que velocidade uma pessoa de 80 kg deve subir uma escada para que a potência mecânica dissipada pelo corpo seja de 100 W:

 

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onde DE é a energia mecânica (variação da energia potencial do corpo) no intervalo de tempo Dt. Se aquela pessoa de 80 kg sobe uma altura Dx, então a variação de energia mecânica será , onde g é a aceleração gravitacional, que vamos aproximar por 10m/s2. Para que essa energia seja de 100j em um segundo (100 W), então a cada segundo ela deverá subir 0,15m, aproximadamente um degrau de escada por segundo. Nos primeiros segundos, será fácil. Muitos agüentarão fazer isso por 10 ou 20 minutos. Manter esse esforço por um tempo mais prolongado já depende de um razoável preparo físico. Assim, não é uma boa idéia trocar a conta de eletricidade por um gerador elétrico a ser acionado por um pedal ou uma manivela.

 

 

        Energia nos alimentos

 

         A energia que consumimos vem dos alimentos que ingerimos. Quando no rótulo de um determinado alimento está escrito alguma coisa do tipo “cada 100 g deste produto contém 400 kcal”, quer dizer que ao digerirmos esse alimento nosso organismo será capaz de produzir 400 kcal.

Se você souber do que é composto um alimento, é fácil calcular quanto de energia ele é capaz de nos oferecer. Por exemplo, um grama de carboidrato (o elemento energético contido no trigo, no arroz, na batata, no açúcar, etc) ou de proteína contém cerca de 4 kcal. Já um grama de gordura contém bem mais que isso, cerca de 9 kcal. Para conseguirmos as 2.500 kcal que gastamos durante o dia precisamos consumir cerca de 625 g de carboidrato ou a metade disso em gordura ou uma saudável (e de preferência apetitosa) mistura dessas coisas.

         É fácil determinar a quantidade de energia contida em cada grama de um alimento: basta queimá-lo e medir o quanto de energia ele produziu. E para fazer isso basta medir o quanto uma certa quantidade de água, submetida à chama provocada pelo alimento ao se queimar, se aqueceu[iv].

É um pouco difícil queimar arroz ou feijão e aquecer água com a chama produzida. Para fazer isso você precisaria de uma atmosfera enriquecida em oxigênio. Com batata seria ainda mais difícil, porque a sua maior parte água e esta precisaria ser eliminada antes de queimar. Mas com amendoim, castanha de caju ou outra amêndoa bastante gordurosa a coisa se torna mais fácil. Acenda uma castanha de caju – isso mesmo, acenda segurando-a com uma pinça ou alicate – e, com a chama produzida, aqueça um pouco de água. Medindo a variação da temperatura da água depois que a castanha foi completamente queimada você pode determinar a quantidade de energia liberada. É essa mesma energia que a castanha nos fornece se for ingerida.

 

 

Eficiência mecânica do corpo humano

 

         Quando estamos em repouso ou em um nível de atividade bem baixo, quase toda a energia que consumimos é usada para manter nosso organismo em funcionamento, que corresponde a uma potência de aproximadamente 80 W. Ou seja, quase nada é gasto como “trabalho externo”, ou seja, trabalho mecânico. No dia-a-dia precisamos de uns 120 W, para garantir o funcionamento normal do corpo e mais alguma energia para o trabalho mecânico que fazemos nas atividades usuais: andar, levantar e sentar, subir escadas, etc. Entretanto, quando corremos, nadamos, trabalhamos duro, etc, uma parte da energia que consumimos é usada para fazer um trabalho externo adicional: ao andarmos temos que fazer nosso corpo subir contra a aceleração da gravidade; ao nadarmos temos que empurrar a água que está à nossa frente; se corremos, temos que empurrar o ar que está à nossa frente e ainda elevar nosso corpo a cada passo que damos; se transportamos tijolos escada acima o trabalho mecânico é transformado em energia potencial dos tijolos. Que parte da energia química que conseguimos dos alimentos pode ser transformada em energia mecânica? Ou, em outras palavras, qual a eficiência do corpo humana para realizar trabalho?

         Isso depende do nível de atividade, do tipo de atividade física (levantar pesos, andar de bicicleta ou correr) e também varia de pessoa para pessoa. Alguém que passe o final de semana em uma espreguiçadeira e a única coisa que faz é levantar duas ou três vezes para conseguir alguma coisa para comer, uma pequeníssima parte da energia consumida é gasta na forma de trabalho contra uma força externa, no caso a força gravitacional ou da porta da geladeira. Entretanto, um atleta bem treinado pode conseguir transformar uma boa parte da energia química ingerida em trabalho externo. Uma eficiência de 20% a 30% de transformação de energia química dos alimentos em energia trabalho mecânico (conseguido a partir da contração de músculos) é possível.

         Considere um atleta de 80 kg que passa cerca de 4 horas do dia em atividade “dura”, por exemplo, subindo uma escada a uma taxa de 0,25 m/s (só um bom atleta consegue isso). Nas quatro horas de exercício ele estará dissipando uma potência mecânica de[v]

 

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O trabalho feito nessas quatro horas é então .Com uma eficiência de 25%, esse atleta deverá gastar cerca de 2.800 kcal. E ele terá que se alimentar para conseguir esse adicional de energia. Por exemplo, ele pode comer 700 g de carboidrato: um belo prato de arroz com feijão, uma macarronada ou uma pizza só para ele.

 

 

Refrigerando o corpo

 

A energia produzida internamente em nosso corpo ou virará energia mecânica externa – empurrar a água de uma piscina, aumentar a energia potencial de tijolos ou de nosso corpo, etc – ou servirá para aquecer-nos. Mas nós não podemos deixar que o corpo se aqueça muito além dos 370C. Para isso, temos que resfriá-lo[vi], pois uma temperatura excessiva prejudica o controle motor, o desempenho de um atleta e pode levar, em casos extremos, à morte.

Se produzimos cerca de 120 W, precisamos eliminar exatamente 120 W para que a temperatura do corpo não se altere. O corpo humano, e dos demais animais, tem algumas formas de refrigeração: irradiação, aquecimento do ar próximo à pele – e esse ar se vai, sendo substituído por outro mais frio – e evaporação de água. (O camelo usa ainda um truque muito especial antes de começar a evaporar água – tão preciosa em seu habitat.) Note que mesmo em dias ou regiões frias precisamos eliminar os 120 W: as roupas grossas são necessárias para que eliminemos apenas esses 120 W, não mais, o que faria com que a temperatura do corpo ficasse demasiadamente baixa. Se estamos em atividade física, a potência dissipada é maior e, portanto, a necessidade de refrigeração também é maior.

Por irradiação e sem roupa nenhuma, perdemos cerca de 10 W para cada OC de diferença de temperatura entre nossa pele e o ambiente. Por aquecimento do ar e sob um vento de aproximadamente 1 m/s, perdemos mais 10 W, também para cada grau de temperatura de diferença entre a pele e o ar. Por evaporação – do suor ou da água no sistema respiratório de alguns animais, como de um cachorro ofegante – perde-se 540 cal (um pouco mais do que 2000 j) para cada grama de água evaporada.

Por exemplo, com a pele a cerca de 34OC você se sentirá confortável em uma noite na praia, com pouco roupa e com uma brisa de 1 m/s, se a temperatura do ar for de aproximadamente 280C; acima disso, você sentirá calor e abaixo disso, frio. Entretanto, vestido e em um ambiente fechado, sentimos calor a 280C e, provavelmente, começaremos a suar, pois os mecanismos de irradiação e de aquecimento do ar próximo à pele não são suficientes para eliminar os 120 W que produzimos.

Ao nadar, a perda de energia pelo corpo é da ordem de 50 W para cada grau celsius de diferença entre a nossa pele e a água, desde que esta esteja abaixo de 300C. Considere então um atleta que nade em uma piscina a 200C. Como a temperatura da pele pode cair a cerca de 300C quando estamos na água[1], esse atleta perderá cerca de 500 W. Essa energia perdida servirá para resfriar o corpo, pois ao nadar produzimos uma grande quantidade de energia que, se não eliminada, esquentaria o corpo.

 

        E os outros animais?

 

         Quanto os outros mamíferos consomem de energia por dia em situações normais (sem grande esforço)? Há uma “lei de escala” que permite avaliar as necessidades energéticas dos diferentes animais. Vamos descobrir essa lei de escala. Primeiro, a necessidade energética deve ser proporcional à massa do animal: quanto maior um animal maior será seu sistema circulatório; seu peso a ser sustentado pelos músculos, etc. Assim, poderíamos desconfiar que o consumo de energia cresce com a massa do animal,

 

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(Esse sinalzinho  quer dizer “proporcional a”.)

Mas, por outro lado, todo o animal deve resfriar seu corpo e os principais mecanismos de refrigeração ocorrem pela superfície do corpo: nossa pele. Essa superfície é proporcional ao quadrado da dimensão do animal, digamos l. Como a massa é proporcional ao cubo da dimensão do animal, , concluímos que a capacidade de refrigeração será proporcional à m2/3.

Muito pesquisadores, com trabalhos científicos publicados nas principais revistas científicas do Mundo, estudando essa questão com muito detalhe, chegaram à conclusão que a necessidade energética para manter o metabolismo basal é proporcional a um expoente entre 1 e 2/3, m elevado a 3/4, e o fator de proporcionalidade é aproximadamente 4 quando a massa é dada em kg e a potência em W:

 

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Se você preferir calcular o consumo de energia em calorias por dia, a fórmula é

 

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         Exemplos: um animal de 100g (0,1 kg), consome aproximadamente 0,7 W ou cerca de 15 kcal/dia; um animal de toneladas consumirá cerca de 700 W.

 

 



[1] Para evitar uma perda excessiva de energia quando estamos na água fria, a circulação sanguínea superficial é reduzida para esfriar a pele. Assim, a temperatura da pele pode cair a cerca de 300C na água fria.



[i] Um milhar de unidades é abreviado por um “k” antes da unidade principal, assim, 1 km são mil metros, 1 kj são mil joules, 1 kcal são mil calorias, etc.

[ii] Uma caloria equivale a 4,18 j (jaules), que é a unidade de energia no sistema internacional de unidades, SI. Outras unidades de energia são o kW.h, usado para medir o consumo de energia elétrica, o erg, unidade do sistema c.g.s. (centímetro, grama, segundo; 1 erg=10-7j). Outras unidades de energia também usadas são o eV (a energia ganha ou perdida por uma carga igual à de um elétron ao sofrer uma diferença de potencial de e o ft.lb. 1V), o Btu

[iii] Potência é energia dividida pelo tempo em que esta é gasta.

[iv] Lembre que 1 cal é a quantidade de energia necessária para aquecer um grama de água de 14,50C a 15,50C.

[v] Potência é a taxa com que realizamos trabalho, ou seja, trabalho por unidade de tempo. Mais diretamente, pode ser calculada pelo produto da força pela velocidade. Assim, o atleta em questão faz uma força de mg, onde m é sua massa e g a aceleração da gravidade, a uma velocidade vertical de 0,25m/.

[vi] . Note que a produção de energia em nosso corpo não é nada mal: cerca de 1,5 W por kg. Compare-se com o Sol: ele, o Sol, produz cerca de 4×1026 W, bem mais do que qualquer um de nos! Mas a massa do Sol é de 2×1030 kg, o que resulta em uma produção de apenas 0,0002 W/kg, bem menos do que qualquer um de nós!