Antriebe und effektorische Maßnahmen der Thermoregulation bei Ruhe und während körperlicher Arbeit

Summary

Using a simple two compartment system (core and shell) and the input-output correlation of the system, as described before, we present a mathematical model of thermoregulation during rest and exercise. All calculations were carried out by two analog computers (Telefunken RA 742).

The model predicts fairly all steady state values reached after 2 hrs: esophageal and mean skin temperature (T _oe resp.$\bar T_s$), heat conductance (k), sweat rate (G _Sw ), and increased oxygen uptake in the cold (Δ$\dot V_{O_2 }$). Slight deviations of the theoretical from the experimental quantities (the latter marked by *) occur in the typical shape of the curvesT _oe * versusT _a (ambient temperature). The typical indifference range is only obtained by calculation under the low work conditions. In these cases, the range of indifference is due either to the non linearity of the function, used for calculation ofk* and δ$\dot V_{O_2 }$* when these quantitites become 0.4 kcal/ °C min (k*) resp. 0 (Δ$\dot V_{O_2 }$*) (0 and 300 kpm/min) or to the fact thatk* ($\bar T_s$* -T _a ) is constant in this range (600 kpm/min). At higher simulated work loads our model does not predict an indifference range. This is probably caused by using the correlation equations as linear within the limits of validity. However, in the 2nd part of this paper we showed that this is not correct. Between 0.4 to approximately 1.2 kcal/ °C min the calculated quantities ofk are greater than the experimental ones. The corrections withk* necessary to obtain correct indifference ranges in the calculated curves at high work loads are small. They have approximately the same amount as the deviation of the calculated quantitiesk* (see 2nd part of this paper) from the regression line in the lower range. From this one may state that the range of indifference is the consequence of the nonlinear properties of the regulation system. In cold climate, whenk begins to rise, this rise is smaller with the same increase in input than in warmer climate. In cold climate, therefore, esophageal temperature during exercise attains greater values than it would do with linear regulatory properties. According to this hypothesis the range of indifference is not the best regulatory range but rather the range where the regulatory properties increase with ambient temperature till they become linear.

Zusammenfassung

Aus den in den vorhergehenden Mitteilungen beschriebenen Korrelationen zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen im System der Thermoregulation wird ein mathematisches Modell der Thermoregulation entwickelt. Der Körper wird im Modell in zwei homogene Anteile aufgeteilt (Kern und Schale). Die Wärmeströme zwischen den beiden Anteilen und der Umgebung werden durch ein System von zwei Differentialgleichungen beschrieben. Die Berechnung erfolgt auf zwei Analogrechnern (Telefunken RA 742). In der einfachen Form gibt das Modell die Endwerte der Stellgrößen (SchweißrateG _sw , Wärmeübergangszahlk und Stoffwechselsteigerung im kalten Klima °$\dot V_{O_2 }$) und der Haut- und Kerntemperatur befriedigend wieder. Kleinere Abweichungen der errechneten Kerntemperatur von den experimentellen Werten lassen sich durch Korrekturen bei der Berechnung vonk ausgleichen.

• 1. Im warmen Klima wird die Kerntemperatur bei kleinen Leistungen zu niedrig berechnet, weil in diesem Bereich die bei der experimentellen Ermittlung vonk nicht berücksichtigte Differenz zwischen der Oesophagus-Temperatur und der bei Arbeit (wegen der höheren Muskeltemperatur) höheren wahren Kerntemperatur für die Wärmebilanz nicht zu vernachlässigen ist.

• 2. Bei höheren Leistungen tritt in den berechneten Kurven keine Indifferenzzone auf. Im Bereich, in dem die Indifferenzzone zu erwarten wäre, wirdk* stets zu hoch berechnet, weil in den Korrelationsgleichungen ein lineares Übertragungsverhalten zwischen den Eingangsgrößen undk angenommen wird, während in Wirklichkeit im Bereich kleinerk-Werte die experimentell ermittelten Werte kleiner sind als die berechneten. Die Indifferenzzone scheint damit das Ergebnis nichtlinearer Regeleigenschaften hinsichtlichk zu sein.

Die Zeitverläufe der Kerntemperatur werden vom Modell in seiner einfachen Form nur in grober Näherung wiedergegeben. Im kalten Klima fehlt im Modell das Überschwingen der Kerntemperatur. Überschwingende Zeitverläufe lassen sich durch Veränderung des Kern-Schale-Verhältnisses und durch feste Einstellung vonk* und Δ$\dot V_{O_2 }$* errechnen.