Mesurer la consommation d’O2 au repos et à l’effort

Ce document a été conçu, courant 2011, par un groupe de formateurs en ExAO de l’académie de Versailles à destination des collègues qui recherchent des pratiques pédagogiques pour mesurer la consommation d’O2 au repos et à l’effort avec leurs élèves de 2nde.

Nous présentons ici l’intégralité de la réflexion du groupe sur les problématiques liées aux modalités de l’expérimentation, aux choix pédagogiques et aux différents fournisseurs de matériel. Nous espérons que ce document, conçu dans un souci d’exhaustivité et issu d’un travail collaboratif, permettra de faciliter la mise en œuvre d’une expérimentation pour mesurer cette consommation d’O2.
Vos remarques et questions éventuelles sont les bienvenues et seront prises en compte avec attention pour améliorer ce document.

Le groupe ExAO :
Emilie Kuntschmann,
Fabienne Basset,
Jean Francois Bernaud,
Lucia Jakubik,
Martial Bondel,
Dalila Ouar,
Sandie Benichou,
Didier Areias,
Thierry Coince


1 - Présentation

2 - Acquisition des valeurs

3 - Exploitation des données


1 - Présentation

I – Compétences travaillées durant la séance en référence aux programmes officiels

I.1 - Extraits du programme de seconde 2010.(page 12)

Connaissances Capacités et attitudes
Des modifications physiologiques à l’effort

Au cours d’un exercice long et/ou peu intense, l’énergie
est fournie par la respiration, qui utilise le dioxygène et
les nutriments.

L’effort physique augmente la consommation de
dioxygène :

- plus l’effort est intense, plus la consommation de
dioxygène augmente ;


- il y a une limite à la consommation de dioxygène.

La consommation de nutriments dépend aussi de l’effort
fourni. L’exercice physique est un des facteurs qui
aident à lutter contre l’obésité.

Objectifs et mots clés. VO2, VO2max
(Collège. Nutriments et dioxygène libèrent de l’énergie
utilisable pour le fonctionnement des organes.
Réactions de l’organisme à l’effort).
[Limites. Aucune étude n’est conduite à l’échelle
cellulaire.]
Convergences Mathématiques : fonctions, tableur.
Concevoir et/ou mettre en œuvre un protocole expérimental (ExAO, spirométrie, brassard, ...) pour mettre en évidence un ou plusieurs aspects du métabolisme énergétique à l’effort (consommation de dioxygène, production de chaleur,…).

Exploiter des données quantitatives (éventuellement à
l’aide d’un tableur) concernant les modifications de la
consommation de dioxygène et/ou de nutriments à
l’effort.

I.2 – Extraits du brevet informatique et internet (B2i) niveau lycée

  • Etre autonome dans l’usage des outils et des services (domaine 1)
  • Faire preuve d’esprit critique face à l’information et à son traitement (domaine 2)
  • Concevoir des documents numériques en choisissant le logiciel, le service ou le matériel adapté (domaine 3)

II – Intérêts de l’activité

L’utilisation de l’ExAO permet d’impliquer l’élève dans l’évaluation de sa propre consommation d’O2 à partir de ses mesures expérimentales.

L’activité proposée permet de développer des compétences dont celles des ECE et du B2i :

  • des capacités techniques liées à l’expérimentation : mise en œuvre d’un protocole et utilisation de logiciels.
  • des capacités de communication liées à la présentation de ses résultats légendés et annotés à travers l’ utilisation d’un logiciel approprié pour produire un compte rendu composite, à la fois textuel et graphique.
  • des attitudes liées à la critique des résultats expérimentaux obtenus :
    • crédit à accorder aux résultats obtenus en classe (sans prétention médicale),
    • pertinence de la comparaison des valeurs obtenues entre élèves (elle ne dépend pas que des performances physiques).

III – Principe et perspectives méthodologiques

Les élèves savent que le dioxygène utilisé en permanence par les organes provient de l’air que l’on inspire, qu’il passe à travers les organes de l’appareil respiratoire pour être conduit jusqu’aux alvéoles pulmonaires où le dioxygène passe dans le sang.

L’énergie nécessaire au fonctionnement des organes provient de la réaction entre le dioxygène et les nutriments.
On peut être amené à se poser la question suivante : la consommation de dioxygène est-elle la même au repos que lors d’un effort physique ?

Pour évaluer la consommation de dioxygène des élèves, au repos et pendant un effort, la seule solution est d’utiliser un dispositif ExAO.

Remarque importante sur la sécurité : Cette activité est réalisable par la majorité de nos élèves car ils ne doivent pas réaliser un effort à sa puissance maximale. Néanmoins, il convient de s’assurer que la réalisation d’un exercice physique ne soit pas une contre-indication médicale pour certains élèves.

IV – Protocole expérimental

Le TP s’articule autour de 2 activités :

  • L’activité 1 consiste à mesurer la consommation de dioxygène au repos. Temps approximatif constaté en classe : 30 minutes, incluant les explications.
  • L’activité 2 consiste à mesurer la consommation de dioxygène à l’effort. Temps approximatif constaté en classe : 15 minutes.

L’utilisation de l’ExAO dépend de votre matériel.


2 - Acquisition des valeurs

2-1 Avec Jeulin

Les diverses possibilités avec Jeulin
Les dédiés
Le généraliste

2.2 Avec Eurosmart

2.3 Avec Sordalab


2-1 Les diverses possibilités avec Jeulin

Avertissement :
Les Applications ExAO Jeulin utilisables dans les lycées ont bien évoluées depuis 20 ans s’adaptant entre autre à l’évolution de l’outil informatique et proposant des améliorations sensibles quant aux traitements des données.
Depuis déjà 4 ans Jeulin propose un « l’atelier scientifique SVT » qui au lancement permet de choisir entre un généraliste ou les dédiés remis à jour voir enrichis. Bien sûr l’utilisation des anciens dédiés type « Cardio », « Spirom » « RéaCell » et autres est possible, car ils sont encore fonctionnels (pour combien de temps vu les contraintes techniques informatiques en perpétuelle évolution) mais bien dépassés…

Nous ne présenterons donc ici qu’une utilisation à travers « l’atelier scientifique SVT » valable pour toutes ses versions (2.11, 2.2, 2.3, 3 et 4)

- Légendes

Module généraliste de l’Atelier scientifique SVT Modules dédiés de l’Atelier scientifique SVT
Pictogramme
du logiciel
dans l’Atelier scientifique SVT
Nom du logiciel ou du module Généraliste pour les SVT
Sauf ancienne interface ESAO4 PCI (nappe donc USB)
Les échanges gazeux respiratoires chez l’homme L’activité cardiaque
chez l’homme
L’activité physique et l’adaptation à l’effort.
(version 4 uniquement)

Plusieurs solutions s’offrent à nous pour obtenir les valeurs de consommation d’O2 :

- Soit en utilisant le dédié"Respiration humaine"
Cette solution permet de gagner du temps car beaucoup de choses sont déjà paramétrées dans un dédié.

/ Cette solution permet aux élèves de suivre en direct leur consommation de dioxygène. Par contre, elle correspond à une valeur directement calculée par le logiciel et non à une valeur mesurée.

Cette solution ne permet pas de préparer la deuxième séance concernant la détermination du , pour laquelle il est nécessaire de suivre simultanément la consommation d’O2 et l’évolution de la fréquence cardiaque. Il n’est pas possible d’ouvrir deux logiciels dédiés en même temps.

- Soit en utilisant le généraliste.
/ Cette solution nécessite plus de temps car elle ne permet pas d’obtenir directement le volume d’O2 consommé et indique uniquement le volume ventilé et le taux d’O2 dans l’air expiré. Par contre, elle permettra de gagner du temps lors de la deuxième séance qui, elle, sera plus longue.

/ Cette solution nécessite la réalisation d’un calcul (très simple) hors ExAO pour obtenir la valeur du volume d’O2 consommé. L’avantage est que l’élève comprend comment on détermine la valeur du volume d’O2 consommé, à partir des valeurs mesurées (volume ventilé et taux d’O2).

Dans le travail que nous vous proposons, nous allons détailler ces deux options.

Faites votre choix

L’utilisation des Dédiés

(solutions 1 et 2)

L’utilisation du Généraliste.

(solution 4)

Avec les dédiés

- Matériel par poste et montage :

• Console ExAO : 1

• Adaptateur Oxymètre : 2

• Sonde O2 : 3

• Adaptateur « Chronowin » : 4

• Capteur « Spiro » : 5

• Turbine spirométrique : 6

• Enceinte « respiration humaine » : 7
• Tuyau de raccordement : 8

• Clapet anti-retour : 9

• Filtre antibactérien : 10

• Embout buccal : 11

• Ordinateur

• Imprimante
Activité 1 – Mesure de la consommation de dioxygène au repos
  • Acquisition des données

- Ouvrir Atelier Scientifique et cliquer sur

- Cliquer sur « OK », conserver les 3 modules cochés (« Valeurs numériques », « Echanges respiratoires » et « Métabolisme ») puis cliquer sur « Suite »

- Vérifier, dans l’onglet « Matériel », que les adaptateurs oxymètre et ventilation sont reconnus.


Conseils ou informations pratiques pour le réglage :

- La sonde oxymétrique a, normalement, déjà été étalonnée par le technicien de laboratoire (sinon, voir fiche « étalonnage-sonde- O2_jeulin »).

- Pour vérifier que la valeur mesurée par la sonde oxymétrique est toujours 20,9%, cliquer sur l’icône « Réglage » de l’oxymètre et tourner, le cas échéant, le bouton de gauche « pente », jusqu’à affichage de la valeur voulue.
- Cliquer sur « Fermer ».

- Cliquer sur l’icône « Réglage » de l’adaptateur ventilation, puis sur « Vérifier ».

- Suivre les instructions du logiciel et cliquer sur « Valider » quand le feu est vert.

  • Déroulement de l’expérience

Légendes :

Phase de respiration au repos de 1min
Phase d’effort (20 flexions/min) de 2 à 3min.
Chaque étape se termine par une phase de mesure, d’une durée de 30 secondes.
Phase de respiration dans le dispositif

- Dans l’onglet « Échanges respiratoires », ne pas cocher « IR », « IRmoy » et « QR ».

- Indiquer la « Durée totale » de la mesure (durée conseillée : 0,5 minute) et cliquer sur « Démarrer ».

- Indiquer le nom de la manipulation (exemple : « Repos »), cliquer sur « Lancer ».

- Suivre les indications du logiciel et cliquer sur « OK ».

- Remarque sur la durée de la phase d’effort :

Lors d’un effort, le (débit d’O2) augmente progressivement jusqu’à atteindre un plateau qui dépend de l’intensité de l’effort réalisé. Le obtenu au cours de cette phase d’augmentation n’est donc pas représentatif de l’effort fourni (voir courbe ci-après).

Pour obtenir des valeurs significatives, il convient de réaliser la période de mesure pendant la phase stationnaire du . Ainsi, nous proposons de réaliser la période de mesure après la période d’activité. La durée minimale de la période d’activité est bornée à 2 minutes car les essais réalisés montrent que le se stabilise au bout de 2 minutes. Il est bien sûr possible d’effectuer un effort plus court que 2 minutes tout en sachant que les valeurs obtenues seront alors d’autant plus approximatives.


Evolution du lors d’une période d’activité entre 2 périodes de repos


Modifié d’après http://hse.iut.u-bordeaux1.fr/lesbats/physiosite/physiowhtm/Image1.jpg

Activité 2 – Mesure de la consommation de dioxygène à l’effort
  • Déroulement de l’expérience

Légendes :

Phase de respiration au repos de 1min
Phase d’effort (20 flexions/min) de 2 à 3min.
Chaque étape se termine par une phase de mesure, d’une durée de 30 secondes.
Phase de respiration dans le dispositif

- Effectuer les flexions (exemple : 20 flexions)

- Cliquer à nouveau sur « Démarrer »

- Cocher « Nouvelle manipulation », indiquer son nom (exemple « Effort ») et cliquer sur « Lancer » et cliquer sur « OK » directement cette fois-ci, sans attendre l’écoulement des 60s comme le recommande le logiciel (en effet, ce temps permettrait à l’organisme de récupérer).


Conseils ou informations pratiques :

Les enregistrements réalisés précédemment au repos ont déjà permis de remplir l’enceinte d’air expiré (dont la teneur en O2 est d’environ 17%). Il est donc préférable de ne pas aérer l’enceinte.

- Ne pas oublier de faire enregistrer les données par les élèves

  • Résultats expérimentaux :
  • Traitement des données :

- Pour mieux visualiser les courbes :

    • placer le curseur de la souris sur l’axe à modifier et l’étirer ou le compacter
      - pour modifier les caractéristiques de la courbe (couleur, épaisseur...), cliquer sur l’onglet « Affichage », choisir « Affichage » dans le menu déroulant, cliquer droit sur la courbe et choisir la caractéristique à modifier.

- Pour ajouter un titre au graphique :

    • cliquer sur l’onglet « Affichage » et choisir « Annotation d’une courbe » dans le menu déroulant
      - entrer le titre dans la case « titre »

- Pour étiqueter les courbes :

    • cliquer sur l’onglet « Affichage » et choisir « Annotation d’une courbe » dans le menu déroulant
      - sélectionner la courbe à annoter dans le menu déroulant « Courbe à annoter »
      - entrer les informations concernant la courbe dans la case « texte » et cliquer sur « Insérer »
      - positionner l’étiquette sur le graphique.

-  Pour ajouter un commentaire  :

    • entrer le texte dans la case « Commentaire » et cocher « Afficher »
    • il est possible de déplacer le commentaire à n’importe quel niveau du graphique.

Remarque  : Seule la taille de la police du titre peut être modifiée.

Avec le généraliste

- Matériel par poste et montage :

• Console ExAO : 1

• Adaptateur Oxymètre : 2

• Sonde O2 : 3

• Adaptateur « Chronowin » : 4

• Capteur « Spiro » : 5

• Turbine spirométrique : 6

• Enceinte « respiration humaine » : 7
• Tuyau de raccordement : 8

• Clapet anti-retour : 9

• Filtre antibactérien : 10

• Embout buccal : 11

• Ordinateur

• Imprimante
Activité 1 – Mesure de la consommation de dioxygène au repos
  • Acquisition des données

- Ouvrir Atelier Scientifique et cliquer sur

- Cliquer sur « OK »

- Glisser les icônes « Oxymètre » et « Volumètre » sur l’axe des ordonnées et l’icône « Temps » sur l’axe des abscisses.


Conseils ou informations pratiques pour le réglage :

- La sonde oxymétrique a, normalement, déjà été étalonnée par le technicien de laboratoire (sinon, voir fiche « étalonnage-sonde- O2_jeulin »).

- Pour vérifier que la valeur mesurée par la sonde oxymétrique est toujours 20,9%, cliquer sur l’icône « Réglage » de l’oxymètre et tourner, le cas échéant, le bouton de gauche « pente », jusqu’à affichage de la valeur voulue.
- Cliquer sur « Fermer ».
]

  • Déroulement de l’expérience

Légendes :

Phase de respiration au repos de 1min
Phase d’effort (20 flexions/min) de 2 à 3min.
Chaque étape se termine par une phase de mesure, d’une durée de 30 secondes.
Phase de respiration dans le dispositif

[(- Remarque sur la durée de la phase d’effort :

Lors d’un effort, le (débit d’O2) augmente progressivement jusqu’à atteindre un plateau qui dépend de l’intensité de l’effort réalisé. Le obtenu au cours de cette phase d’augmentation n’est donc pas représentatif de l’effort fourni (voir courbe ci-après).

Pour obtenir des valeurs significatives, il convient de réaliser la période de mesure pendant la phase stationnaire du . Ainsi, nous proposons de réaliser la période de mesure après la période d’activité. La durée minimale de la période d’activité est bornée à 2 minutes car les essais réalisés montrent que le se stabilise au bout de 2 minutes. Il est bien sûr possible d’effectuer un effort plus court que 2 minutes tout en sachant que les valeurs obtenues seront alors d’autant plus approximatives.


Evolution du lors d’une période d’activité entre 2 périodes de repos


Modifié d’après http://hse.iut.u-bordeaux1.fr/lesbats/physiosite/physiowhtm/Image1.jpg

- Cliquer sur l’icône « Temps » puis sur l’onglet « Fonction du temps » et indiquer la durée de l’acquisition (durée conseillée : 0,5 minute).

- Cliquer sur l’icône

- Indiquer le nom de la manipulation (exemple : « Repos » ou « Effort ») et cliquer sur « Lancer ».

Activité 2 – Mesure de la consommation de dioxygène à l’effort
  • Déroulement de l’expérience

Légendes :

Phase de respiration au repos de 1min
Phase d’effort (20 flexions/min) de 2 à 3min.
Chaque étape se termine par une phase de mesure, d’une durée de 30 secondes.
Phase de respiration dans le dispositif

- Effectuer les flexions (exemple : 20 flexions)

- Cliquer à nouveau sur l’icône

- Cocher « Nouvelle manipulation », indiquer son nom (exemple « Effort ») et cliquer sur « Lancer ».

Conseils ou informations pratiques :

Les enregistrements réalisés précédemment au repos ont déjà permis de remplir l’enceinte d’air expiré (dont la teneur en O2 est d’environ 17%). Il est donc préférable de ne pas aérer l’enceinte.

- Ne pas oublier de faire enregistrer les données par les élèves

  • Résultats expérimentaux :
  • Traitement des données :

- Pour mieux visualiser les courbes :

    • placer le curseur de la souris sur l’axe à modifier et l’étirer ou le compacter
      - pour modifier les caractéristiques de la courbe (couleur, épaisseur...), cliquer sur l’onglet « Affichage », choisir « Affichage » dans le menu déroulant, cliquer droit sur la courbe et choisir la caractéristique à modifier.

- Pour ajouter un titre au graphique :

    • cliquer sur l’onglet « Affichage » et choisir « Annotation d’une courbe » dans le menu déroulant
      - entrer le titre dans la case « titre »

- Pour étiqueter les courbes :

    • cliquer sur l’onglet « Affichage » et choisir « Annotation d’une courbe » dans le menu déroulant
      - sélectionner la courbe à annoter dans le menu déroulant « Courbe à annoter »
      - entrer les informations concernant la courbe dans la case « texte » et cliquer sur « Insérer »
      - positionner l’étiquette sur le graphique.

-  Pour ajouter un commentaire  :

    • entrer le texte dans la case « Commentaire » et cocher « Afficher »
    • il est possible de déplacer le commentaire à n’importe quel niveau du graphique.

Remarque  : Seule la taille de la police du titre peut être modifiée.

3 - Exploitations des données

On constate que la consommation d’O2 est plus importante au cours d’un exercice physique qu’au repos.

On peut donc se demander quelle(s) adaptation(s) de l’organisme à l’effort permet(tent) un apport accru d’O2 aux organes qui en ont besoin.

Deux hypothèses peuvent être formulées :
-  Hypothèse 1 : Les besoins accrus en O2, au cours de l’exercice physique, sont satisfaits par une augmentation de la quantité d’air ventilé.
-  Hypothèse 2 : Les besoins accrus en O2, au cours de l’exercice physique, sont satisfaits par une augmentation de la quantité d’O2 prélevée dans un volume d’air donné

Ces deux hypothèses sont validées par les résultats obtenus :

4- Pour aller plus loin

4-1 Pour aller plus loin dans les hypothèses

On peut également formuler une 3ème hypothèse pour expliquer l’élévation de la consommation d’O2 au cours d’un effort physique :

- Hypothèse 3 : Les besoins accrus en O2, au cours de l’exercice physique, sont satisfaits par une accélération de la circulation sanguine dans l’organisme, qui permet une recharge accrue en 02 au niveau des poumons.

L’hypothèse 3 peut être éprouvée par l’étude du document suivant présentant l’évolution de la P02 dans le sang en fonction du temps passé dans les capillaires alvéolaires et par l’étude de l’évolution de l’évolution de la fréquence cardiaque au cours d’un effort physique.

On observe sur le document ci-dessus que le sang se recharge très rapidement en O2 au niveau des alvéoles par rapport au temps passé dans les capillaires. L’augmentation de la fréquence cardiaque ne permet pas d’accélérer davantage la recharge en dioxygène du sang.

4-2 Pour aller plus loin dans la compréhension du protocole

Le logiciel demande toujours, en début d’enregistrement, de « Respirer 1 minute dans le dispositif pour s’y habituer ».
A cela, 2 raisons :
- l’élève doit respirer le plus naturellement possible, malgré la présence de l’embout
- un laps de temps (d’environ 5s) est nécessaire pour remplacer l’air ambiant de l’enceinte (dont la teneur en O2 est de 20,9%), par de l’air expiré (dont la teneur en O2 est d’environ 17%).

Ceci explique la présence d’un plateau, visible en début d’enregistrement, si on lance les mesures sans respirer au préalable dans le dispositif. (Voir courbes suivantes).

Remarque : Les courbes ont été annotées à l’aide du logiciel.

Le groupe ExAO :
Emilie Kuntschmann,
Fabienne Basset,
Jean Francois Bernaud,
Lucia Jakubik,
Martial Bondel,
Dalila Ouar,
Sandie Benichou,
Didier Areias,
Thierry Coince

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