Consumo energético al hacer ejercicio en un ambiente frío

2015-12-19

Vamos a plantear un modelo sencillo para estimar la energía gastada al realizar ejercicio en un ambiente frío cuando la ropa es la adecuada para mantener la actividad con confort térmico. Este modelo es algo grosero y puede servir para hacer estimaciones rápidas, pero no es en absoluto suficiente para diseñar un programa de entrenamiento o un régimen para la pérdida de peso.

Si vamos a estar en reposo en un ambiente frío y deseamos permanecer confortables, es recomendable llevar ropa adecuada que nos permita aislarnos hasta el punto de que nos mantengamos en equilibrio térmico con una temperatura corporal correcta. Esta temperatura corporal ronda los 310 K (37 °C). La temperatura de la piel es algo más baja y suele estar en torno a los 306 K (33 °C). Como aproximación algo grosera, podemos estimar que un ser humano estará térmicamente confortable si la temperatura de su piel se mantiene en ese valor en equilibrio.

Calor y actividad física

El cuerpo humano es un sistema termodinámico abierto y, como tal, intercambia calor y trabajo con el exterior. Este intercambio de calor y trabajo depende de la actividad física realizada, pero en general puede decirse que el cuerpo tiende a ceder calor al entorno conforme aumenta el esfuerzo físico del ejercicio realizado. Esto se debe a que el cuerpo humano no convierte a la perfección la energía almacenada en los alimentos en trabajo, sino que siempre tiene una disipación que tiende a aumentar su propia energía interna, lo que se traduce en un aumento de temperatura. Como sabemos, si dejamos interactuar térmicamente a dos objetos físicos que se encuentran a diferentes, intercambiarán calor con tendencia a igualar sus temperaturas. Si la temperatura del cuerpo humano aumenta cuando el ambiente está más frío, el cuerpo cederá más energía al entorno en forma de calor; si el ambiente está más caliente, el cuerpo recibirá energía del entorno en forma de calor, pero a un ritmo más lento que antes de aumentar su temperatura.

Ley de Newton y aislamiento de la ropa

Habitualmente, buena parte del intercambio de calor del cuerpo humano con el ambiente es mediante el mecanismo de convección, entendido de una forma quizá algo generalizada al incluir la sudoración. A menudo es acertado modelar esta transferencia de calor mediante la ley de Newton de la transferencia de calor por convección. Aplicada al cuerpo humano, esta ley dice que, cuando la temperatura de la piel es T_piel y la temperatura ambiente es T_ambiente, la potencia transferida al ambiente en forma de calor es

P = h S (T_piel − T_ambiente).

En esta ecuación, h es una constante de transferencia de calor por convección que depende de cómo sopla el viento relativo al cuerpo, de la ropa que se lleva e incluso de la propia actividad física (ya que el movimiento corporal puede provocar corrientes de aire debajo de la ropa). Por utilidad más adelante, esta constante está dada por unidad de superficie, tal que hay que multiplicar por el área superficial del cuerpo humano, S. Este área superficial está en torno a 1,8 m² para un adulto promedio. Aproximar la transferencia de calor con esta ley es una cosa algo grosera en este caso porque, entre otros motivos, se asume una temperatura uniforme para la piel y se ignora el efecto de la respiración. Aun así, sirve para echar un número no muy desencaminado.

No es difícil encontrar información tabulada del aislamiento térmico de la ropa. En vez de dar la constante de convección h, estas tablas suelen venir con una constante de aislamiento o resistencia térmica R, que es la inversa de la constante de convección:

h ≡ 1 ⁄ R.

Siguen algunos valores orientativos (que obtuve por ahí) de resistencia térmica para el viento esencialmente en calma y sin mover el cuerpo:

pantalones cortos y camiseta: 0,06 K m² W⁻¹;
pantalones largos y camiseta: 0,09 K m² W⁻¹;
pantalones largos, camiseta y sudadera: 0,15 K m² W⁻¹.
ropa de esquí: 0,3 K m² W⁻¹.

Todo junto: pérdida de calor al hacer ejercicio

Digamos que estamos haciendo ejercicio en un ambiente frío a temperatura T_ambiente con el viento en relativa calma. Llevamos ropas adecuadas a nuestro nivel de esfuerzo, de manera que, cuando estamos activos, nos encontramos cómodos, no notamos ni frío ni calor y no sudamos profusamente. En estas condiciones, la temperatura T_piel de nuestra piel se encuentra en torno al valor que tiene cuando estamos cómodos (unos 306 K) y estamos en equilibrio térmico con el ambiente. Si usamos la resistencia térmica R en vez de la constante de convección, la ley de Newton establece que estamos disipando por la superficie S de nuestro cuerpo una potencia

P = (S ⁄ R) (T_piel − T_ambiente).

La potencia que estamos sacando con nuestra actividad metabólica es mayor, ya que hay que añadir el trabajo realizado, que comúnmente es como la décima parte o las dos décimas partes de la energía disipada en forma de calor.

Hagamos una aplicación numérica de todo esto. Pensemos en:

una persona adulta (S ≈ 1,8 m²);
que está patinando sobre hielo (T_ambiente ≈ 285 K) despacito;
que viste pantalones largos, camiseta y sudadera (R ≈ 0,15 K m² W⁻¹);
está cómoda y en equilibrio térmico con el ambiente (T_piel ≈ 306 K).

Con estas condiciones, la potencia disipada es P ≈ 250 W. Tras una sesión de una hora, esta persona habrá quemado más de 910 kJ (220 kcal). Si su nivel de actividad física hubiera sido tal que se hubiera mantenido cómoda solamente con pantalones largos y camiseta, habría quemado más de 1500 kJ (360 kcal).

Esto no quiere decir que hacer ejercicio en un ambiente frío garantice perder peso (sea ello nuestro objetivo o no lo sea). Es fácil comer hasta el punto de compensar o sobrecompensar lo gastado.

Categorías: Deporte, Física

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