Hans Gerd Wenzel

Über die Beziehungen zwischen Körperkerntemperatur und Pulsfrequenz des Menschen bei körperlicher Arbeit unter warmen Klimabedingungen

SummaryA young healthy man, nearly nude and adapted to heavy work in heat, performed different physical work on a treadmill in 105 working experiments, each work session lasting 2 to 51/2 h in the morning after rest in bed in normal room temperature. For each work experiment work level (metabolic rate about 170 to 450 kcal/h), room temperature (18 to 50 °C, air temperature ≈ wall temperature) and relative humidity (11 to 97%) were combined in different ways, air speed always being 0.3 m/s. Before and during work rectal temperature, ear temperature in the external acoustic duct, and heart rate were measured.Rectal temperature was higher than ear temperature during rest before work as well as at the end of each session. The heavier the performed work, the greater was the difference between both the final temperatures. It did not depend upon the combination of surrounding temperature and air humidity during work. Under warm climatic conditions ear temperature regularly increased at the beginning of work faster than rectal temperature and exceeded the latter by some 1/10 °C for some time under the heaviest climatic conditions which were combined with light work only.The heart rate reached at given work level under different climatic conditions at different times was usually the higher, the higher the rectal temperature was and the faster the rectal temperature increased at the same time. At given behaviour of rectal temperature during work at different levels, the heart rate was the higher, the heavier the work was. The relationship between heart rate and ear temperature was qualitatively similar, but quantitatively different. It is supposed that the relationships between heart rate and rectal resp. ear temperature reflect a relationship between heart rate and the temperature of the working muscles. Such a relationship may be independent of work activity and the physical environment at least under steady state conditions. It seems possible that the temperature of working muscles has some importance for the adjustment of heart rate.According to the combination of work level, room temperature, and air humidity either heart rate, rectal temperature, and ear temperature together reached steady levels during the experiments or they did not. The highest values of heart rate and rectal temperature which just remained constant with time depended upon work level, but not upon the combination of surrounding temperature and air humidity during work. These limiting values were 98 beats/min and 37.7 °C for light work (metabolic rate about 170 kcal/h), 113 beats/min and 38.0 °C for heavy work (320 kcal/h). The respective limiting values of ear temperature were similar for all the investigated work levels in the range 37.4 ° to 37.5 °C.The different relationships between metabolic rate and body temperatures found under normal and warm climatic conditions led to the assumption that at physical work above the endurance limit under normal climatic conditions body temperatures do not reach steady states, so that heat accumulation plays a part in the limitation of physical endurance efficiency.ZusammenfassungEin junger, gesunder Mann, der weitgehend unbekleidet und an schwere Hitzearbeit gewöhnt war, leistete bei 105 Arbeitsversuchen, jeweils nach einer morgendlichen Bettruhe in normaler Raumtemperatur, auf einer Tretbahn verschieden schwere Geharbeit von 2–51/2 Std Dauer. Von Versuch zu Versuch waren Arbeitsschwere (Stoffwechselgröße etwa 170–450 kcal/Std), Baumtemperatur (18–50 °C bei Lufttemperatur ≈ Wandtemperatur) und relative Luftfeuchtigkeit (11–97%) bei stets gleicher Windgeschwindigkeit von 0,3 m/s verschieden miteinander kombiniert. Vor und während der Arbeit wurden die Rectaltemperatur, die Temperatur im äußeren Gehörgang und die Pulsfrequenz gemessen.Die Rectaltemperatur lag sowohl bei Bettruhe vor der Arbeit als auch am Ende der Arbeiten höher als die Ohrtemperatur. Die Differenz beider Temperaturen war bei Versuchsende um so größer, je schwerer die verrichtete Arbeit war. Sie hing nicht von der Art der Kombination von Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit, bei der gearbeitet wurde, ab. Unter warmen Klimabedingungen stieg die Ohrtemperatur zu Beginn der Arbeit regelmäßig schneller an als die Rectaltemperatur und überschritt diese unter den schwersten Klimabedingungen, die nur bei leichten Arbeiten vorkamen, zeitweise um mehrere 1/10 °C.Die Pulsfrequenz, die bei Verrichtung gleicher Arbeit unter verschiedenen Klimabedingungen zu verschiedenen Zeiten vorlag, war im allgemeinen um so höher, je höher gleichzeitig die Rectaltemperatur lag und je schneller die Rectaltemperatur gleichzeitig anstieg. Bei gleichem Verhalten der Rectaltemperatur während verschieden schwerer Arbeit lag die Pulsfrequenz um so höher, je schwerer die Arbeit war. Eine qualitativ gleiche, quantitativ verschiedene Beziehung bestand zwischen der Pulsfrequenz und dem Verhalten der Ohrtemperatur. Es wird angenommen, daß sich in den Beziehungen, die die Pulsfrequenz zur Rectal- bzw. Ohrtemperatur hatte, die Beziehung widerspiegelt, die zwischen der Pulsfrequenz und dem Verhalten der Temperatur in der arbeitenden Beinmuskulatur bestand und daß zwischen der Höhe der Pulsfrequenz und der Temperatur der arbeitenden Muskulatur zum mindesten im steady state der Körpertemperaturen eine enge Beziehung bestanden hat, die unabhängig davon war, wie Arbeitsschwere und Umgebungsklima miteinander kombiniert waren. Es ist möglich, daß die Temperatur der arbeitenden Muskulatur für die Einstellung der Pulsfrequenz bei der Hitzearbeit von Bedeutung war.Im Verlauf der Versuche erreichten je nach Kombination von Arbeitsschwere, Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit entweder Pulsfrequenz, Rectaltemperatur und Ohrtemperatur gemeinsam zeitlich konstant bleibende Werte oder keine von ihnen. Die Höchstwerte, auf die sich Pulsfrequenz und Reotaltemperatur unter warmen Klimabedingungen noch konstant einstellten, hingen von der Arbeitsschwere, jedoch nicht von der Art der Kombination von Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit, die während der Arbeit vorlag, ab. Diese Grenzwerte betrugen bei leichter Arbeit (Stoffwechselgröße etwa 170 kcal/Std) 98 min−1 bzw. 37,7 ° C, bei schwerer Arbeit (320 kcal/Std) 113 min−1 bzw. 38,0 °C. Die entsprechenden Grenzwerte der Ohrtemperatur lagen bei den untersuchten Arbeiten gleich hoch im Bereich von 37,4–37,5 °C.Die unterschiedlichen Beziehungen, die die Körpertemperaturen unter normalen und unter warmen Klimabedingungen zur Stoffwechselgröße hatten, legten die Annahme nahe, daß sich bei Verrichtung körperlicher Arbeit oberhalb der Dauerleistungsgrenze unter normalen Klimabedingungen die Körpertemperaturen nicht mehr konstant einstellen und an der Begrenzung der Dauerleistungsfähigkeit eine Wärmestauung beteiligt ist.

Über quantitative Zusammenhänge zwischen Wasserabgabe, Wechselstromwiderstand und Kapazität der Haut bei körperlicher Arbeit und unter verschiedenen Raumtemperaturen

Zusammenfassung1.Mit Hilfe von Wechselstrommessungen wurde der Einfluß wärmeregulatorischer Vorgänge auf Widerstand und Kapazität der Haut untersucht. Dabei beobachteten wir die Wirkung vonkörperlicher Arbeit auf das elektrophysiologische Verhalten der Haut unter möglichst konstanten Klimabedingungen bei einer leichten Stanzarbeit und bei Arbeit am Fahrradergometer von verschiedener Schwere zwischen 5 und 25mkp/sec. Der Einflußklimatischer Faktoren konnte bei einer mehrwöchigen Untersuchung mit gleichbleibender Arbeit an einem Fließband sowie beim Gehen auf einer um 5 ° geneigten Tretbahn in einer Klimakammer mit konstanter Gehgeschwindigkeit (3,5 km/Std) bei konstanter relativer Luftfeuchte (60–65%), konstanter Windgeschwindigkeit (5m/sec) unter wechselnden Raumtemperaturen (Lufttemperatur = Strahlungstemperatur der Wände) zwischen 15 und 36 °C untersucht werden, wobei die Hautwasserabgabe gleichzeitig mitbestimmt wurde.2.In diesen Versuchen zeigte sich, daß der Hautwiderstand um so niedriger, die Kapazität um so höher lag, je schwerer die zu verrichtende körperliche Arbeit bzw. je höher die Umgebungstemperatur war.3.Der Widerstand der Haut fiel mit steigender Hautwasserabgabe geometrisch progressiv ab, während die Hautkapazität im untersuchten Bereich weitgehend linear zunahm. Eine gleiche Zunahme der Hautwasserabgabe rief darum eine um so größere Widerstandserniedrigung hervor, je höher der Ausgangswiderstand war. Bei größeren Hautwasserabgaben näherte sich der Hautwiderstand aber asymptotisch einem Grenzwert.4.Trotz des bestimmenden Einflusses wärmeregulatorischer Vorgänge auf die Größe des Hautwiderstandes wurde in unseren Versuchen dabei offensichtlich eine individuell vorgegebene Höhe des Hautwiderstandes modifiziert. Da diese individuellen Unterschiede bei niedrigen Umgebungstemperaturen deutlicher ausgeprägt waren als bei hohen Temperaturen, wurden als Ursache dieses Verhaltens individuelle Unterschiede in Zahl und Funktion der Schweißdrüsen vermutet.5.Die vorliegenden Untersuchungen zeigen darum deutliche Einflüsse wärmeregulatorischer Vorgänge auf Widerstand und Kapazität der Haut, soweit sie mit Steigerungen der Hautwasserabgabe einhergehen. Sie erklären hinreichend die früher beschriebenen großen Unterschiede in den mittleren Tageshautwiderständen an verschiedenen Tagen. Die Bedeutung dieser wärmeregulatorischen Einflüsse bei klinischen und anderen diagnostischen Messungen von Widerstand und Kapazität der Haut werden diskutiert.

Ableitung der Erholungsdauer

Um die Schwere einer Belastung zu beschreiben, der der Mensch bei bestimmten Arbeits- und Klimabedingungen unterworfen ist, wurden als Kriterien bisher meist Reaktionen oder Zustande des Korpers benutzt, die wahrend der Belastung vorkommen. Hierzu gehorten die subjektiven Empfindungen des Menschen [46, 48, 63, 80], Hohe oder Verlauf physiologischer Reaktionen wie Pulsfrequenz, Schweisabgabe oder verschiedener Korpertemperaturen [7, 13, 18, 23, 27, 41, 45, 59, 70, 75], die erreichte Leistungshohe oder der Betrag der verrichteten Arbeit [14, 38, 44], weiterhin auch der Zeitraum, in dem ein bestimmtes Klima ertragen werden kann [39, 40] und die Haufigkeit des Vorkommens von Hitzeerkrankungen [73, 81]. Es wurde auch versucht, unter Verwendung von Meswerten physiologischer Grosen die Warmeubergange zwischen dem menschlichen Korper und seiner Umgebung zu berechnen und Hitzebelastungen auf der Basis von Warmebilanzberechnungen zu beurteilen [3, 10, 21, 22, 34, 37, 43, 56]. Eine Reihe der zitierten Untersucher entwickelte »Hitzebelastungs-Indices«, die in Zahlenwerten die Hohe der durch verschiedene Arbeits- und Klimabedingungen hervorgerufenen Belastung ausdrucken.

Abhängigkeit der Erholungsdauer von Arbeitsschwere und Arbeitsklima

In Abb. 31 sind die Werte der Erholungsdauer in Abhangigkeit von den Belastungsbedingungen wahrend der Arbeitsphasen der Versuche dargestellt. Das Diagramm enthalt die Ergebnisse aller durchgefuhrten Versuche mit Ausnahme des Versuchs, bei dem die Vp. die leichte Arbeit vorzeitig abgebrochen hatte. Die Arbeitszeit war bei diesem Versuch 30 Minuten kurzer als bei den ubrigen Versuchen gewesen. Der zweite, vorzeitig abgebrochene Versuch ist dagegen in Abb. 31 enthalten, da die Vp. die vorgesehene Arbeitszeit von 2 Stunden bis auf 5 Minuten erreichte. Wie fruher besprochen wurde, konnte bei diesem Versuch die Abkuhlungskurve der Ohrtemperatur nicht berechnet werden. Als Erholungsdauer wurde daher die Zeit eingetragen, die die Rektaltemperatur benotigte, um den Wert von 36,97° C, der sich im Mittel bei den ubrigen Versuchen bei Erholungsende ergab, zu erreichen. Genauso wurde bei dem Versuch verfahren, dessen Endohrtemperatur nicht genau ermittelt werden konnte.

Zur Frage der Verwendbarkeit der Erholungsdauer als Kriterium für die Belastungshöhe

Die Frage, um wieviel sich Pulsfrequenz, Schweisabgabe und Korpertemperaturen erhohen, wenn ein relativ gering hitzebelasteter Mensch einmal dadurch hoher belastet wird, das nur seine Arbeitsschwere angehoben wird, zum anderen dadurch, das nur die Umgebungstemperatur oder nur die Luftfeuchtigkeit erhoht wird, scheint bisher noch nicht genauer untersucht worden zu sein. Givoni [22] auserte zu den Beziehungen, die speziell zwischen Rektaltemperatur, Pulsfrequenz und Schweisabgabe bei Hitzearbeit bestehen: »Generally, there exist fairly high correlation between these responses at high thermal stress, so that calculation of one response would permit estimation of the others«. Danach wurde es weitgehend gleichgultig sein, welche dieser Grosen fur die Kennzeichnung gleichwertiger Belastungssituationen herangezogen wird.

Verlauf der physiologischen Reaktionen während der Erholung

Der Versuch, dessen Meswerte in Abb. 5 dargestellt sind, zeigt bereits einige Befunde, die in ahnlicher Form bei den meisten der ubrigen Warmeversuche auch erhoben wurden. Am Ende der Arbeit hatten sich alle dargestellten physiologischen Grosen gegenuber den Ruhewerten vor der Arbeit erhoht. Nachdem die Vp. in den ersten Sitzperioden der Erholungsphase noch Schweis abgegeben hatte, erreichte die Wasserdampfabgabe relativ fruh einen praktisch gleichbleibenden Endwert, der der insensiblen Perspiration, die sich bei den Sitzversuchen in dem gewahlten Erholungsklima ergab, entsprach. Die Stoffwechselgrose hatte bei der zweiten Messung etwa 1 Stunde nach Arbeitsende ihren Ruhewert erreicht. Spater als diese beiden Grosen stellten sich Pulsfrequenz und Ohrtemperatur auf Endwerte ein, die den vor der Arbeit gemessenen Ruhewerten ahnlich waren. Ncch langer dauerte der Wiederabfall der Rektal- und Hauttemperatur, die ihre Ruhewerte in der Beobachtungszeit meist nicht ganz erreichten.

Durchführung der Versuche

Bei allen Versuchen diente ein 23jahriger, gesunder Mann (O. F.), der 1,75 m gros und morgens nach Einnahme des Fruhstucks unbekleidet im Mittel 64,0 kg schwer war, freiwillig als Vp. Die Untersuchungen umfasten neben einer Anzahl von Vorbereitungs- und Kontrollversuchen insgesamt 19 Hauptversuche. Jeder der Hauptversuche bestand aus drei aufeinanderfolgenden Phasen: Nach einer wenigstens einstundigen morgendlichen Bettruhe (I) verrichtete die Vp. in einer Klimakammer eine meist zweistundige korperliche Arbeit (II). Arbeitsschwere und Klima wurden wahrend der Arbeitszeit jedes Versuches moglichst konstant gehalten. Von Versuch zu Versuch waren Arbeitsschwere, Raumtemperatur und/oder Luftfeuchtigkeit verschieden miteinander kombiniert. Im Anschlus an die Arbeit begab sich die Vp. bei jedem Versuch in eine zweite Klimakammer, um sich hier ruhig sitzend bis zu 3 Stunden in thermisch neutraler Umgebung von der vorausgegangenen Arbeit zu erholen (III).