UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE MAPAEAMENTO DA TEMPERATURA DA PELE DE UM SER HUMANO EM REPOUSO E EM ATIVIDADE por Pedro Herrmann Ranieri Vinícius Gravina da Rocha Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Junho de 2009

2 RESUMO O objetivo deste trabalho é avaliar a influencia de uma atividade física na distribuição de temperatura no corpo humano. Para isto, é feito a medição da temperatura em diversos locais no corpo de uma pessoa em repouso e em atividade A atividade escolhida é pedalar de bicicleta em cima de um rolo de treino, sem deslocamento efetivo e sem circulação de ar. A aquisição de dados é feita através de termopares tipo J com um período de aquisição de 5s. O tempo de experimento é de 300s em repouso, 600s em atividade regular, 60s em atividade de máxima intensidade e 540s em retorno ao repouso, totalizando 1500s. Pode-se verificar que no início da atividade algumas regiões reduzem sua temperatura e após um tempo elas voltam a subir. As regiões dos músculos mais solicitados apresentam uma maior variação frente às menos solicitadas. No término da atividade a temperatura sobe em diversas partes do corpo, mesmo nas menos solicitadas. 2

3 ABSTRACT The objective of this experiment is to identify the impact of a physical activity on the distribution of temperature along the human body. In order to do this, these temperatures are measured on several spots on the body of a person at rest and in activity. The chosen activity is cycling on a bike on a training station, with no effective displacement and no air movement. The acquisition is made via type J thermocouples with an acquisition period of 5s. The chosen periods are 300s at rest, 600s in regular activity, 60s on intense activity and at last 540s on return to rest, with a total of 1500s. It s noticeable that when the activity begins, some regions reduce their temperature and after a while they start rising again. The regions in which the muscles are most used present a greater variation than the ones less required. At the end of the activity the temperature rises on several parts of the body. 3

4 SUMÁRIO I. INTRODUÇÃO...5 II. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...5 III. FUNDAMENTAÇÃO...5 IV. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Equipamentos utilizados Procedimentos...7 V. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO...8 VI. RESULTADOS...9 VII. CONCLUSÕES...11 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

5 I. INTRODUÇÃO O objetivo deste trabalho é realizar um mapeamento da temperatura da pele do corpo humano em repouso, e avaliar a variação deste campo de temperaturas quando o corpo entra em atividade. Foi visto na teoria [BEYER, 2009] que a pele do ser humano em atividade física tende a reduzir sua temperatura em relação ao repouso. Este mecanismo do corpo é muito importante, pois faz com que o calor no interior do corpo saia para a periferia (pele) com mais facilidade, evitando o superaquecimento dos órgãos e músculos. O grupo pretende com este trabalho responder a alguns questionamentos a respeito deste tema, como por exemplo, se as regiões do corpo mais solicitadas pela atividade física apresentaram temperatura diferente daquelas menos solicitadas ou se o corpo mantém uma distribuição uniforme da temperatura?. O mapeamento das temperaturas será realizado através da fixação de sensores à pele (termopares tipo J), e as medidas serão comparadas com as imagens obtidas através de uma câmera de infravermelho. II. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Rubner, 1900, estabeleceu 3 (três) mecanismos de regulação da temperatura do corpo humano: 1) aumento da atividade metabolica quando em ambientes frios 2) secreção de suor pela pele através de glândulas sudoríparas que absorve calor na sua evaporação e 3) mudança na circulação sanguínea para facilitar as trocas de calor entre o interior do corpo e a pele. No manual Fundamentals Handbook, ASHRAE, 2005, foram estabelecidos modelos para determinação da temperatura da pele e conforto. Estes modelos são baseados em trocar térmicas latente e sensível pela pele e respiração. Em seu experimento Schumacher, 2002, também mediu a temperatura da pele e de vestimentas com o objetivo de determinar resistência destas últimas e comparar com valores obtidos com manequins aquecidos. III. FUNDAMENTAÇÃO Para realizar a medição de temperatura da pele, foi necessário investigar os sensores mais adequados sendo os pré-requisitos: alta sensibilidade, uma vez que variações no corpo humano são na ordem de poucos graus Celsius; baixo custo, possibilitando a medida em diversos pontos; praticidade e facilidade na instalação, pois sendo fixado à pele, não podem ser de grande volume ou peso. Muitos fabricantes como Vernier e General Electrics dispõem de sensores feitos para medir a temperatura da pele, sendo a grande maioria PT-100s. No trabalho de conclusão de Schumacher foi utilizado também um PT-100, principalmente por motivos de custo. Para este trabalho foi escolhido o termopar tipo J pelos motivos mencionados anteriormente e principalmente pela passividade do sensor. Como as temperaturas envolvidas são de alguns graus, não é desejada a influência que pode ocorrer da dissipação de energia de um sensor ativo. Além disto, para a minimizar os efeitos da fixação, foi utilizada uma fita micropórea que permite melhor transpiração da pele. Para complementar a análise e obter uma representação visual dos resultados, foi utilizado um termógrafo de captação infravermelho de emissividade variável. Para a determinação da emissividade da pele considerou-se que a temperatura medida pelos termopares era a temperatura real. E à partir 5

6 disto, foi regulada a emissividade em um pirômetro até obter-se a emissividade equivalente. Também foi considerada que esta não se altera frente a secreção de suor. É importante ressaltar que a atividade foi feita em laboratório em cima de um rolo de treino. Isto quer dizer que a pessoa na bicicleta não se deslocou efetivamente e portanto não ocorreu um deslocamento relativo do ar que facilitaria a evaporação do suor. Assim, a influência da velocidade do ar foi minimizada no experimento. IV. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 1. Equipamentos utilizados Como mencionado, para este experimento foram utilizados termopares tipo J, fixados ao corpo com fita micropórea. A aquisição dos dados foi feita por uma magazine da Hewlett Packard modelo HP34970A, figura 1, através do software HP Benchlink Data Logger v1.3. A aquisição das imagens infravermelhas foi feita com um termógrafo EZ THERM da Electrophysics mostrado na figura 2 e a emissividade da pele foi determinada por pirômetro convencional com emissividade regulável. Para a atividade foi utilizada uma bicicleta normal com um rolo de treino como mostra a figura 3. O rolo de treino faz com que a bicicleta gire os rolos e o usuário fique no lugar, o que permitiu fazer as medidas desejadas. Por fim, um PT100 foi utilizado para a medição da temperatura ambiente. Figura 1 - Magazine de aquisição de dados HP34970A com software HP Benchlink Data Logger v1.3 Figura 2 - Termógrafo EZ THERM da Electrophysics 6

7 Figure 3 - Bicicleta convencional e rolo de treino. 2. Procedimentos Durante o experimento a temperatura ambiental foi medida algumas vezes para verificar que esta não se alterou, reduzindo assim sua influência na medição. Também foram escolhidos os pontos de medição, ilustrados na figura 4: Figura 4 - Pontos de fixação dos termopares para a aquisição dos dados Os locais considerados interessantes para o mapeamento e comparação num treino de bicicleta foram pé, canela, coxa, barriga, lado esquerdo do peito (coração) e lado direito do peito (peito). Nestes foram fixados termopares com a fita micropórea, como ilustrado na figura acima. Com isso foi possível obter a temperatura da pele da pessoa em repouso e estabelecer a emissividade da pele com o pirômetro. Isto foi feito por um processo iterativo em que a propriedade era regulada no equipamento até que a temperatura lida fosse a mesma do termopar. Por fim, foi verificada a homogeneidade da emissividade ao longo corpo aplicando-se este processo nos diversos pontos escolhidos 7

8 Com a emissividade determinada e a bancada montada, como ilustrado na figura 5, foi inciado o experimento com um período de aquisição de 5s. Este periodo foi escolhido considerado que as temperaturas do corpo humano não mudam abruptamente. Figura 5 - Bancada do experimento: sujeito em cima da bicicleta em rolo de treino, termopares fixados no corpo e ligados no magazine de aquisição No experimento, o sujeito ficou em repouso durante 300s para obter a temperatura neste estado. Em seguida iniciou-se uma atividade em ritmo regular até 900s, com uma intensidade de aproximandamente 70% da máxima. Entre 900s e 960s a atividade foi feita em intensidade máxima e por fim foi medido o retorno em repouso até 1500s. Durante a atividade foram feitas fotografias infravermelhas com o termógrafo. V. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO Através das equações para o cálculo da temperatura da pele do corpo humano em função da atividade física realizada e das tabelas de Geração de Calor Metabólico Típico para Diferentes Atividades [BEYER, 2009], estabeleceu-se as seguintes temperaturas: 8

9 Tabela 1 Temperatura (teórica) da pele em função da atividade física. Tipo de atividade Atividade correspondente (tabela) Tpele (ºC) Repouso Repouso, de pé, relaxado 33,9 Exercício Ginástica leve 31,3 Aceleração Gin. pesada 30,0 Pode-se observar que a temperatura da pele (Tpele) diminui conforme a atividade física intensifica-se. As temperaturas calculadas não levam em conta, no entanto, alguns fatores que influenciaram na medição da temperatura da pele, como a emissividade da pele, a produção de suor, a velocidade do vento, entre outros. Além disso, as temperaturas (teóricas) expressas através das equações fornecem um valor médio para o corpo inteiro, e não localizado, como os medidos no experimento. A temperatura ambiente manteve-se constante durante todo o experimento (Tamb = 21,5ºC), não influenciando desta forma na variação da temperatura do corpo ao longo do tempo. VI. RESULTADOS Na figura abaixo (Figura 6) são mostrados os resultados obtidos através das medições com termopares em diferentes pontos do corpo: Figura 6 Resultados das medições para os diferentes ponto do corpo Todas as medições apresentam valores aproximadamente constantes antes do início da atividade física, no período de repouso, de 0s a 300s. Pode-se distinguir três grupos cujo comportamento dos integrantes se assemelha: 9

10 No Grupo1, composto pela canela e pela coxa, pode-se notar uma queda da temperatura no início da atividade física, seguida de um aumento (a partir de 450s) e de uma diminuição (a partir de 1100s), com a temperatura na fase final de repouso tendendo à temperatura inicial. Pode-se observar que as variações de temperatura da canela e da coxa se assemelham qualitativamente, entretanto, as variações da coxa são maiores que as variações da canela quantitativamente. Sabe-se que os músculos da coxa são mais solicitados que os da canela para a atividade física proposta. No Grupo2, composto pela barriga, peito e coração, tanto o peito quanto o coração, que apresentam musculatura idêntica do ponto de vista da atividade física proposta, apresentam o mesmo comportamento, tanto qualitativamente quanto quantitativamente, separados apenas por uma diferença de temperatura inicial de 2,5ºC (devido à presença do coração). Dentro do mesmo grupo, o comportamento da barriga assemelha-se ao dos dois outros qualitativamente, porém quantitativamente este apresenta variações maiores que o comportamento do coração e do peito. Sabe-se que os músculos da barriga são mais solicitados que os músculos do peito para a atividade física proposta. No Grupo3, composto unicamente pelo pé, e desprovido de músculos significativos, observa-se que a temperatura permanece constante ao longo de todo o experimento. A região marcada pelo círculo vermelho indica a região em que os valores das medidas obtidas pelo sensor da barriga foram substituídos por valores provenientes de uma interpolação linear, com início e fim determinados visualmente através do próprio gráfico. Esta substituição de valores se deve pelo fato do sensor ter se desprendido do corpo durante este intervalo de tempo. As linhas pontilhadas, de mesma cor que as curvas de temperatura, representam o valor médio de temperatura medido de 0s a 300s (período de repouso) para cada um dos pontos. Foram também tiradas fotos com uma câmera de infravermelho, para comparar-se os resultados. Alguns exemplos são encontrados nas figuras abaixo (Figura 7, Figura 8, Figura 9 e Figura 10): Figura 7 Temperatura do peito, 280s. Figura 8 Temperatura do peito, 1150s 10

11 Figura 9 Temperatura da canela, 510s. Figura 10 Temperatura da canela, 1210s Abaixo, uma tabela comparando os valores de temperatura lidos nas fotos em infravermelho com aqueles obtidos pelos termopares, no mesmo instante de tempo: Tabela 2 Comparação de temperatura Câmera de Infravermelho x Termopar. Câmera Termopar Diferença Peito, 280s 28,00 35,60 21,3% Peito, 1150s 35,00 36,90 5,1% Canela, 510s 24,00 33,55 28,5% Canela, 1210s 30,00 35,08 14,5% Algumas das imagens nos fornecem valores muito próximos daqueles obtidos com os termopares, enquanto outras se distanciam significativamente. Durante todo o experimento, todas as fotos foram tiradas considerando-se a mesma emissividade calculada a partir do uso de um pirômetro no início do experimento (ε = 0,77), e isto pode ter sido uma fonte de erro para algumas das medições, na medida em que esta emissividade pode variar ao longo do experimento, devido a vários fatores, como o suor, por exemplo. Além disso, um estudo mais aprofundado do funcionamento da câmera de infravermelho se faz necessário para maior confiabilidade dos dados. VII. CONCLUSÕES Pode-se concluir que no inicio da atividade as temperaturas no geral se reduzem e em seguida elas voltam a subir. Os músculos mais solicitados amplificam o comportamento da temperatura ao longo do tempo em relação ao comportamento mostrado pelos músculos próximos a eles, porém menos solicitados, como é o caso dos grupos canela-coxa, barriga-peito/coração. No final da atividade a temperatura sobe nos diversos pontos medidos. Os valores de temperatura obtidos através dos sensores tipo termopar são superiores aos calculados teoricamente. Isto se deve ao fato do cálculo teórico fornecer uma temperatura da pele média para todo o corpo, enquanto os pontos que foram medidos no experimento estavam em partes do 11

12 corpo bastante solicitadas pelo exercício, o que implica em uma maior temperatura. Desta forma é razoável considerar que os resultados estão coerentes com a realidade. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Fundamentals Handbook Chapter 8 Thermal Comfort, BEYER, P. O., 2009 Apostila da Disciplina de Climatização II Capítulo 3, Conforto Térmico, UFRGS, Departamento de Engenharia Mecânica. INCROPERA, F. P et al., Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, LTC, Rio de Janeiro. GE's probe website RUBNER, M., Arch. f. Hygiene, 38, 120 (1900). SCHUMACHER, M. A. B., 2002 Uma Nova Metodologia para Avaliar e Especificar o Comportamento Térmico das Vestimentas. Vernier Website 12