Fréquences cardiaque et respiratoire à l'effort
Pendant le cross du collège, Lucas sent son cœur battre dans sa poitrine et il est essoufflé. Quelques minutes après l'arrivée, tout est redevenu calme. Que se passe-t-il dans son organisme pendant l'effort, et pourquoi ces changements sont-ils indispensables à ses muscles ?
Ce qui change pendant un effort
Pour se contracter, un muscle a besoin d'énergie. Il l'obtient à partir de nutriments (comme le glucose) et de dioxygène apportés par le sang. Les cellules musculaires produisent aussi du dioxyde de carbone, un déchet qu'il faut évacuer.
À l'effort, les muscles travaillent beaucoup plus qu'au repos : leurs besoins en dioxygène et en nutriments augmentent fortement. Deux appareils s'adaptent :
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l'appareil respiratoire : on respire plus vite et plus profondément ;
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l'appareil circulatoire : le cœur bat plus vite et envoie plus de sang vers les muscles.
Citer deux modifications de l'organisme que l'on constate pendant un effort physique intense, comme une course.
Citer deux modifications de l'organisme que l'on constate pendant un effort physique intense, comme une course.
Indiquer les deux gaz dont les échanges augmentent dans les muscles pendant un effort et préciser lequel est consommé et lequel est produit.
Indiquer les deux gaz dont les échanges augmentent dans les muscles pendant un effort et préciser lequel est consommé et lequel est produit.
Mesurer la fréquence cardiaque
La fréquence cardiaque est le nombre de battements du cœur par minute (bpm). On la mesure en prenant le pouls : on compte les battements ressentis sur une artère (au poignet ou au cou). Le pouls correspond aux battements du cœur.
Au repos, un collégien a une fréquence cardiaque d'environ 70 à 80 bpm. À l'effort, elle peut dépasser 150 bpm.
Comme on ne veut pas compter pendant une minute entière, on compte sur une durée plus courte et on multiplie :
| Durée de comptage | Facteur pour obtenir les bpm |
|---|---|
| 15 s | × 4 |
| 10 s | × 6 |
Au repos, le cœur d'un collégien bat 72 fois par minute. Calculer le nombre de battements en 10 secondes, puis en 15 secondes.
Au repos, le cœur d'un collégien bat 72 fois par minute. Calculer le nombre de battements en 10 secondes, puis en 15 secondes.
Lors d'une séance d'EPS au collège, Léa mesure son pouls : 78 battements par minute au repos, 150 battements par minute après 5 minutes de course, 96 battements par…
Lors d'une séance d'EPS au collège, Léa mesure son pouls : 78 battements par minute au repos, 150 battements par minute après 5 minutes de course, 96 battements par minute 3 minutes après l'arrêt.
- a) Calculer l'augmentation de fréquence cardiaque entre le repos et l'effort, en battements par minute puis en pourcentage (arrondir à l'unité).
- b) Interpréter la valeur observée 3 minutes après l'arrêt.
- c) Expliquer le rôle de cette augmentation de fréquence pour les muscles.
Fréquence respiratoire et volume d'air ventilé
La fréquence respiratoire est le nombre de mouvements respiratoires (une inspiration + une expiration) par minute. Au repos, elle est d'environ 15 mouvements par minute. À l'effort, elle augmente, et le volume d'air inspiré à chaque mouvement augmente aussi.
On calcule le volume d'air ventilé par minute :
$$\text{volume ventilé par minute} = \text{volume par mouvement} \times \text{fréquence respiratoire}$$Pourquoi cette relation ? Chaque mouvement fait entrer un certain volume d'air ; en une minute il y a autant de mouvements que la fréquence : on multiplie donc.
Un élève de 5e a un volume d'air inspiré de 0,5 L à chaque mouvement respiratoire au repos, avec 15 mouvements par minute. À l'effort, le volume passe à 1,5 L avec 30…
Un élève de 5e a un volume d'air inspiré de 0,5 L à chaque mouvement respiratoire au repos, avec 15 mouvements par minute. À l'effort, le volume passe à 1,5 L avec 30 mouvements par minute.
- a) Calculer le volume d'air ventilé par minute au repos et à l'effort.
- b) Calculer combien de fois le volume ventilé a été multiplié.
- c) Expliquer pourquoi cette augmentation est utile aux muscles.
Le débit cardiaque et l'apport de dioxygène
Le sang transporte le dioxygène jusqu'aux muscles. Plus le cœur envoie de sang par minute, plus les muscles reçoivent de dioxygène.
Le débit cardiaque est le volume de sang éjecté par le cœur en une minute. À chaque battement, le cœur éjecte un volume appelé volume d'éjection :
$$\text{débit cardiaque} = \text{fréquence cardiaque} \times \text{volume d'éjection}$$Au repos, le débit est d'environ 5 L/min. À l'effort, il peut être multiplié par 4 ou 5.
Pour savoir quel volume de sang est nécessaire, on rapporte le besoin en dioxygène à ce que contient chaque litre de sang. Exemple : si 1 L de sang apporte 0,2 L de dioxygène et que le muscle en extrait 60 %, chaque litre fournit $0{,}2 \times 0{,}6 = 0{,}12$ L utilisable. Pour 3 L de dioxygène, il faut $3 \div 0{,}12 = 25$ L de sang par minute.
Pour une personne au repos, le débit cardiaque est de 5 L/min avec une fréquence de 70 battements par minute. a) Calculer le volume de sang éjecté à chaque battement, en…
Pour une personne au repos, le débit cardiaque est de 5 L/min avec une fréquence de 70 battements par minute.
- a) Calculer le volume de sang éjecté à chaque battement, en mL (arrondir à l'unité).
- b) À l'effort, la fréquence est de 150 battements par minute et le volume par battement de 100 mL. Calculer le nouveau débit cardiaque en L/min.
- c) Expliquer le lien entre ce débit et l'apport de dioxygène aux muscles.
Pendant un effort, la consommation de dioxygène de l'ensemble des muscles passe de 0,3 à 3 L/min. Le sang apporte 0,2 L de dioxygène par litre de sang, et les muscles en…
Pendant un effort, la consommation de dioxygène de l'ensemble des muscles passe de 0,3 à 3 L/min. Le sang apporte 0,2 L de dioxygène par litre de sang, et les muscles en extraient environ 60 % lors de son passage.
- a) Calculer le volume de sang nécessaire par minute pour fournir 3 L de dioxygène aux muscles (arrondir à 0,1 L).
- b) Comparer cette valeur à un débit cardiaque de 5 L/min au repos et conclure sur la nécessité d'augmenter le débit.
- c) Expliquer comment l'organisme adapte conjointement les appareils respiratoire et circulatoire pour répondre à ce besoin.
Récupération et entraînement
À l'arrêt de l'effort, la fréquence cardiaque et la fréquence respiratoire ne retombent pas tout de suite : elles diminuent progressivement. Les muscles ont encore besoin de dioxygène pour reconstituer leurs réserves d'énergie. C'est le temps de récupération.
Une personne entraînée a en général :
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une fréquence cardiaque de repos plus basse ;
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une augmentation moins forte à l'effort pour un même effort ;
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une récupération plus rapide.
Pourquoi ? Son cœur est plus musclé : il éjecte plus de sang à chaque battement. Pour le même débit, il a donc besoin de moins de battements. Le cœur d'une personne entraînée est plus efficace.
Deux élèves d'un collège de Lille, Hugo (sportif régulier) et Inès (sédentaire), réalisent le même effort de 5 minutes. On mesure : Hugo : repos 60 bpm, effort 140 bpm,…
Deux élèves d'un collège de Lille, Hugo (sportif régulier) et Inès (sédentaire), réalisent le même effort de 5 minutes. On mesure :
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Hugo : repos 60 bpm, effort 140 bpm, retour à 65 bpm après 2 minutes de récupération ;
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Inès : repos 80 bpm, effort 175 bpm, retour à 100 bpm après 2 minutes de récupération.
- a) Calculer pour chacun l'augmentation de fréquence cardiaque à l'effort.
- b) Comparer la récupération des deux élèves.
- c) Proposer une explication à ces différences en lien avec l'entraînement, et justifier qu'un cœur entraîné est plus efficace.
Un coureur à pied s'entraîne sur les quais de la Loire. Son pouls est enregistré : 62 bpm au repos, 170 bpm au bout de 10 minutes d'effort constant, puis 100 bpm 5…
Un coureur à pied s'entraîne sur les quais de la Loire. Son pouls est enregistré : 62 bpm au repos, 170 bpm au bout de 10 minutes d'effort constant, puis 100 bpm 5 minutes après l'arrêt. Sa fréquence respiratoire est de 14 mouvements par minute au repos et de 40 à l'effort.
- a) Calculer le rapport entre fréquence cardiaque à l'effort et au repos, puis entre fréquence respiratoire à l'effort et au repos.
- b) Expliquer pourquoi ces deux variables augmentent simultanément.
- c) Justifier que les muscles, à l'arrêt de l'effort, continuent à demander plus de dioxygène que lors du repos, en lien avec la fréquence encore élevée à 5 minutes.
Retour au début : Lucas a le cœur qui s'emballe et le souffle court parce que ses muscles réclament plus de dioxygène ; le cœur et les poumons s'accélèrent pour le leur fournir, puis tout se calme pendant la récupération.
L'essentiel
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À l'effort, les muscles consomment plus de dioxygène et produisent plus de dioxyde de carbone.
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La fréquence cardiaque (en bpm) se mesure avec le pouls ; sur 15 s on multiplie par 4, sur 10 s par 6.
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Volume ventilé par minute = volume par mouvement × fréquence respiratoire.
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Débit cardiaque = fréquence cardiaque × volume d'éjection : plus il est élevé, plus les muscles reçoivent de dioxygène.
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Après l'effort, les valeurs reviennent progressivement au repos ; un sportif entraîné récupère plus vite.