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Bericht Pilot-Untersuchung Polychrom
staatspreis design erfinderaward tirol 2011outdoor industry award 2011 ispo brand new award 2012
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Inhaltsverzeichnis Thermoregulation .............................................................................................................................. 3
Was ist Thermoregulation? ....................................................................................................................... 3
Wie wird Wärme produziert? .................................................................................................................. 3
Wie kann eine drohende Überhitzung abgewandt werden? .............................................................. 3
Wie schützt sich der Körper vor Kälte? ................................................................................................. 4
Wie kann ein Kleidungsstück bei der Thermoregulation helfen? .................................................... 5
Wie funktioniert so einen Membran? ..................................................................................................... 5 Testprotokoll ....................................................................................................................................... 6 Vergleich der Temperatur ............................................................................................................... 8 Vergleich der Luftfeuchte ............................................................................................................... 9 Thermographische Aufnahmen ................................................................................................... 11 Literatur ........................................................................................................................................... 13
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Thermoregulation
Was ist Thermoregulation? Unter dem Begriff Thermoregulation werden alle physiologischen Vorgänge
zusammengefasst, die dazu dienen, die Körperkerntemperatur konstant zu halten.
Da der Mensch ein gleichwarmes Lebewesen ist, im Gegensatz zu den wechselwarmen
Lebewesen (z.B. Reptilien), sind Menschen in der Lage, ihre Körperkerntemperatur auf einem
bestimmten Niveau konstant zu halten. [1]
Wie wird Wärme produziert? Durch die im Körper ablaufenden Stoffwechselvorgänge wird ständig Wärme produziert.
Diese ist einerseits nötig, um den Körper vor Unterkühlung (Hypothermie) zu schützen,
andererseits muss sie abtransportiert werden, um eine Überhitzung (Hyperthermie) zu
verhindern. Die Menge der gebildeten Wärme hängt stark von der körperlichen Aktivität und
der Außentemperatur ab. Der Großteil der Wärme wird bei Ruhe in den besonders
stoffwechselaktiven Organen des Körperkerns (Leber, Niere) gebildet. [1]
Wie kann eine drohende Überhitzung abgewandt werden? Sowohl durch hohe Umgebungstemperaturen als auch durch körperliche Arbeit kann es zur
Überwärmung des Organismus kommen. Um dies zu verhindern, stehen dem menschlichen
Körper mehrere Regulationsmechanismen zur Verfügung (Radiation, Konduktion,
Konvektion, Evaporation). Eine dieser Möglichkeiten zur gesteigerten Wärmeabgabe ist die
gleichmäßige Erwärmung des gesamten Körpers. Erreicht wird dies durch eine gesteigerte
Durchblutung der Körperschale, insbesondere der Haut. Die verbesserte Durchblutung der
Haut wird durch Gefäßweitstellung der Blutgefäße erreicht. Sie führt zu einem geringeren
Wärmedurchgangswiderstand. Bei Steigerung der Körperkerntemperatur ist jedoch die
effektivste Methode zur Regelung der Körpertemperatur die Schweißabgabe. Für die
Verdunstung des Schweißes ist viel Energie (580 kcal pro Liter Schweiß) nötig, die der Haut
in Form von Wärme entzogen wird. Die Schweißverdunstung ist außerdem die einzige
Möglichkeit, bei Außentemperaturen über der Körpertemperatur Wärme abzugeben. [1]
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Wie schützt sich der Körper vor Kälte? Die Schutzmechanismen des menschlichen Körpers gegen Unterkühlung sind, verglichen mit
denen gegen Überwärmung, schlecht ausgebildet. Er behilft sich deshalb z.B. durch das
Anziehen warmer Kleidung. Aber auch eine Veränderung der Körperhaltung führt zu
geringerer Wärmeabgabe durch Verkleinerung der wirksamen Körperoberfläche.
Die erste physiologische Reaktion auf drohende Unterkühlung ist die Verringerung der
Hautdurchblutung (Vasokonstriktion). Dadurch wird der Wärmedurchgangswiderstand der
Haut erhöht. Durch die verminderte Durchblutung sinkt zusätzlich die Hauttemperatur und
durch den geringeren Temperaturgradienten von der Haut zur Umgebung die Wärmeabgabe.
Des Weiteren kommt es zu einer Steigerung des Stoffwechsels der inneren Organe und der
Körper beginnt zu zittern. Zunächst wird lediglich der Muskeltonus gesteigert, was äußerlich
aber nicht sichtbar ist. In einem weiteren Schritt kommt es zum sichtbaren Kältezittern. Dies
erzeugt zwar eine große Wärmemenge, jedoch ist diese Wärmebildung unökonomisch. Dies
liegt vor allem an der gesteigerten Hautdurchblutung über den zitternden Muskeln und damit
gesteigerter Wärmeabgabe in diesen Regionen. Außerdem kommt es durch das Kältezittern zu
Einschränkungen der Willkürmotorik, was insbesondere beim Sport das Verletzungsrisiko
erhöht. [1]
Abbildung 1 Veränderung der Wärmeabgabe bei verschiedenen Aussentemperaturen [2]
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Wie kann ein Kleidungsstück bei der Thermoregulation helfen? Die Eigenschaften von Bekleidung werden von einer Vielzahl von Konstruktionsparametern
bestimmt. In erster Linie denkt man dabei an das Fasermaterial. Jedoch ist der Tragekomfort
nicht nur faser- sondern auch konstruktionsabhängig (d. h. von Dicke, Ausrüstung, Webart,
Porenanteil, Luftdichtigkeit der Textilien). [1]
Indem man moderne Textilfasern Wasser und Winddicht macht, kann die Thermoregulation unterstützt werden, ohne dabei die Atmungsaktivität zu vernachlässigen.
Kleidungsstücke sollen den Körper vor Kälte schützen wenn es kalt ist, aber vor Überhitzung bewahren wenn es warm ist. Dafür sind bestimmte „Membranen“ notwendig, die in den letzten Jahren immer wieder weiterentwickelt und verbessert wurden.
Wie funktioniert so einen Membran?
Wassertropfen sind etwa 10.000 - 20.000-mal größer als die Poren einer solchen Membran. Deswegen ist die Membran sehr dicht gegen Wasser und Wind. Körperfeuchtigkeit wird jedoch als Wasserdampf durchgelassen, sie ist also atmungsaktiv. Jedoch ist die sogenannte Atmungsaktivität wie bei allen wasserdichten Systemen limitiert.
Das Verdampfen von Schweiß durch die Membran kann nur erfolgen, wenn die
Außentemperatur wesentlich niedriger als die Temperatur in dem Bekleidungsteil ist. Für die
Funktion der Membran ist also ein ausreichender osmotischer Druck und eine
Temperaturdifferenz von etwa 15 °C nötig. Somit funktioniert diese Atmungsaktivität nur bei
Außentemperaturen niedriger als ungefähr 15−18 °C. Bei höheren Temperaturen diffundiert
nur noch wenig Wasserdampf durch die Membran, man schwitzt. [3]
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Testprotokoll Untersucht wurden bei diesem Protokoll die thermoregulatorischen Auswirkungen von 2
verschiedenen Jacken (Referenz | Polychrom). Zu diesem Zweck wurde versucht, einen
realitätsgetreuen Versuchsaufbau nachzustellen. Im Allgemeinen bestand dieser aus 5 min
Akklimatisation, 30 min Belastung und 10 min Ruhephase. Die gesamte Untersuchung wurde
in der Klimakammer an der Universität Innsbruck bei einer Umgebungstemperatur von 5°
Celsius und einer Luftfeuchte von 60% durchgeführt.
Zu Beginn der Untersuchung wurden dem Probanden die Sensoren zur Messung der
Hauttemperatur und Luftfeuchte angebracht. Diese wurden an der Laufbekleidung (Löffler C-
TEX Kompressionsshirt und Hose) außen befestigt.
Die Positionen der Sensoren wurden im Vorhinein festgelegt und während der Untersuchung
nicht mehr verändert.
Sensor A: Vorderseite – M. pectoralis major (rechte Seite | Brust) knapp vor Achselhöhle
Sensor B: Vorderseite – M. obliquus externus (linke Seite | seitl. Bauchmuskel)
Sensor C: Rückseite – M. latissimus dorsi (oberes Ende |Schulterblatt) knapp hinter
Achselhöhle
Sensor D: Rückseite – M. obliquus externus abdominis (Rückseite)
Als nächstes wurden Gewichtsmessungen am Probanden und den jeweiligen Jacken
durchgeführt.
Mit dem Ausfüllen eines Befindlichkeitsfragebogens waren die Vorbereitungen
abgeschlossen und das eigentliche Protokoll konnte starten.
Die Messungen von Körperkerntemperatur (KKT) sowie Herzfrequenz also auch die
thermographischen Aufzeichnung fanden an den vorgegebenen Zeitpunkten statt und
wurden immer schriftlich festgehalten.
Messung 1: 6. Minute (nach Akklimatisation)
Messung 2: 22. Minute (nach 15 min Gehen ohne Bestrahlung)
Messung 3: 38. Minute (nach 15 min Gehen mit Bestrahlung durch Infrarotleuchte)
Messung 4: 40. Minute (nach Wenden der Jacke Poly silber/schwarz)
Messung 5: 45. Minute (nach 5 min Ruhe mit Bestrahlung)
Messung 6: 51. Minute (nach 5 min Ruhe ohne Bestrahlung)
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In der Klimakammer wurden als erstes die Sensoren zur Messung der Temperatur und
Feuchte gestartet. Diese zeichneten alle 8 Sekunden die Umgebungstemperatur und
Luftfeuchte (zwischen Unterwäsche und Jacke) auf und wurden erst nach Beendigung des
Testprotokolls wieder ausgeschaltet.
Nun musste der Proband 5 Minuten ruhig sitzen, um sich zu akklimatisieren.
Nach diesen 5 Minuten und bevor die Belastungsphase startete wurde eine thermographische
Aufnahme vom Rücken des Probanden gemacht und die Körperkerntemperatur gemessen.
Der Proband musste nun 15 Minuten bei einer Steigung von 17,5 % und einer
Geschwindigkeit von 4km/h (entspricht 700 hm/h) gehen.
Nach dieser Belastung wurde wieder jeweils ein Foto gemacht und die Körperkerntemperatur
aufgezeichnet. Führte der Proband das Protokoll mit der Polychrom-Jacke (schwarz aussen)
durch, wurde diese jetzt gewendet. Dies wurde durchgeführt um eine realitätsnahe Situation
darzustellen. Die andere Jacke wurde normal weitergetragen.
Bevor die zweiten 15 Minuten Belastung starteten, wurde eine Infrarotleuchte hinter dem
Laufband positioniert und auf den Rücken des Probanden ausgerichtet.
Nach weiteren 15 Minuten Belastung wurde erneut ein Infrarotbild gemacht und die
Körperkerntemperatur aufgezeichnet. Nun wurden die Polychrom-Jacken gewendet, sodass
die schwarze Seit aussen sichtbar war. Die Referenzjacke wurde normal weitergetragen.
Erneut wurde ein thermographische Aufnahme gemacht und die KKT gemessen.
Nun hieß es für den Probanden 5 Minuten unter Bestrahlung der Infrarotleuchte zu
Abbildung 2 Schaubild | Messungen im Überblick
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sitzen.
Anschließend führte man wieder die üblichen Messungen durch.
Bevor die letzten 5 Minuten „Sitzen“ begannen, wurde die Infrarotleuchte entfernt.
Nach Beendigung des Protokolls wurde erneut gemessen und anschließend die
Aufzeichnung der Sensoren beendet.
Im Durchschnitt wurden für die gesamte Messung 52 Minuten benötigt.
Für einen Überblick der gesamten Messungen dient die Abbildung 1.
Vergleich der Temperatur Referenz | Polychrom (schwarz)
Im Folgenden werden die Ergebnisse des Vergleichs zwischen den beiden Jacken Referenz
und Polychrom (schwarz) dargestellt.
In Abbildung 2 sind einerseits die Daten der Temperatursensoren über die gesamte Messdauer
dargestellt, andererseits werden die einzelnen Messpunkte hervorgehoben.
Bezieht man nun diese Daten auf das durchgeführte Testprotokoll so kann man erkennen, dass
in den ersten 15 Minuten der Belastung beide Jacken einen leichten Anstieg der
Abbildung 3 Veränderung der Temperatur über die gesamte Testdauer und zu den jeweiligen Messzeitpunkten, vertikale blaue Linien geben die jeweiligen Messzeitpunkte an; hellrot und schwarz geben die Messdaten über die gesamte Messdauer an.
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Hauttemperatur verursachen. Dies war aufgrund der vermehrten Wärmeproduktion unter
Belastung zu erwarten. Große Unterschiede sind erst in den zweiten 15 min der Belastung zu
erkennen. Hier steigt die Temperatur unter der Referenz-Jacke stark an wogegen die
Polychrom-Jacke die Temperatur sehr konstant hält. Betrachtet man die Kurve der
Polychrom-Jacke über die gesamte Messdauer etwas genauer so ist zu erkennen, dass die
Temperatur bei Minute 22 stark abfällt. Dies ist wahrscheinlich mit dem „Wenden“ der Jacke
zu erklären. Nichts desto trotz erfüllt die gewendete Jacke (silber aussen) ihren Sinn und hält
die Strahlung der Infrarotleuchte weitestgehend ab.
Nach Beendigung der insgesamt 30 minütigen Belastung liegt somit die Temperatur unter der
Referenz- Jacke deutlich höher als die der Polychrom-Jacke. Der Sportler erfährt unter
Belastung mit der Polychrom-Jacke somit einen „Kühlungseffekt“, was positiv für
Leistungsfähigkeit und Kreislaufsystem zu bewerten ist.
Zwischen Minute 38 und 40 wird die Polychrom-‐Jacke wieder gewendet, was den
erneuten Temperaturabfall erklären kann. Jedoch steigt die Temperatur wieder an,
sobald die schwarze Seite aussen liegt und mit der Infrarotleuchte bestrahlt wird. In
Erholungspausen nach oder zwischen Belastungen wird der Sportler also bei
Sonneneinstrahlung gewärmt.
Beendet man die Bestrahlung durch die Infrarotleuchte, so sinkt auch die Temperatur
unter der Polychrom-‐Jacke wieder leicht ab.
Im Vergleich dazu erreicht die Referenz-‐Jacke die höchste Temperatur mit Beendigung
der Belastung und fällt anschließend stetig ab.
Abschließend kann man sagen, dass die Polychrom-‐Jacke den Temperaturhaushalt
besser reguliert. Auch ein unkontrolliertes „Frösteln“ nach Beendigung der Belastung
kann somit hinausgezögert werden.
Vergleich der Luftfeuchte Referenz | Polychrom (schwarz)
Im Vergleich zur Temperatur unterscheiden sich die beiden Jacken bei der Luftfeuchte nur
geringfügig.
In Abbildung 3 ist ersichtlich, dass die Luftfeuchte unter beiden Jacken mit Beginn der
Belastung rapide ansteigt.
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Bis zum Ende der Belastung haben beide Jacken einen Höchstwert von 75% (Polychrom)
bzw. 71% (Referenz) erreicht.
Wieder auffallend ist, dass die Luftfeuchte unter der Polychrom-Jacke nach der ersten
„Wendung“ schnell abfällt jedoch schon nach kurzer Zeit wieder auf dem Niveau der
Referenz-Jacke ist. Ein Grund dafür kann die Bestrahlung durch die Infrarotleuchte sein.
Nach Beendigung der Belastung sinkt die Luftfeuchte bei beiden Jacken recht schnell wieder
ab. Schon nach 10 Minuten Ruhephase ist der Wert unter der Umgebungsluftfeuchte von
60%.
Auffallend ist auch, dass die Polychrom-Jacke, trotz Bestrahlung durch die Infrarotleuchte, in
den ersten 5 Minuten der Ruhephase die Feuchte gut abtransportiert.
Die objektiven Messungen unterscheiden sich, wie in Abbildung 4 ersichtlich ist kaum,
jedoch darf man das subjektive Empfinden nicht außer Acht lassen.
Durch das zweimalige Wenden (nach 15 und nach 30 Minuten) der Polychrom-Jacke fühlt
sich diese zu jedem Zeitpunkt trockener an als die Referenz-Jacke.
Dieses Ergebnis stimmt auch mit der Auswertung der Befindlichkeitsfragebögen überein.
Die Probanden gaben an, dass sie sich während der Messung mit der Polychrom-Jacke
weniger nass gefühlt haben.
Abbildung 4 Veränderung der Luftfeuchte über die gesamte Testdauer und zu den jeweiligen Messzeitpunkten vertikale blaue Linien geben die jeweiligen Messzeitpunkte an; hellrot und schwarz geben die gesamten Messdaten über die gesamte Messdauer an;
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Thermographische Aufnahmen In den folgenden zwei Abbildungen sieht man die thermographischen Aufnahmen der beiden
Jacken. Die Bilder wurden nach Beendigung der 30 minütigen Belastung aufgezeichnet.
Auf der rechten Seite der beiden Abbildungen ist eine Skala zu erkennen. Diese gibt
Aufschluss welche Temperatur zu den jeweiligen Farben gehört.
Abbildung 5 zeigt die Polychrom-Jacke. Zum Zeitpunkt der Aufnahme wurde die Jacke mit
der silbernen Seite nach aussen getragen. Die roten Flächen zeigen die hohe Wärmestrahlung
an der Jackenoberfläche. Diese können nicht allein durch die Wärmeproduktion des Trägers
entstanden sein, vielmehr zeigt die Aufnahme wie gut die Jacke die Wärmeeinstrahlung der
Infrarotleuchte reflektiert, was bedeutet, dass sich die Jacke weniger von außen erhitzt.
Vergleicht man nun die beiden Abbildungen miteinander so ist deutlich zu erkennen, dass es
in Abbildung 6 weitaus weniger warme Flächen gibt. Lediglich der Bereich oberhalb der
Schulterblätter ist leicht rot gefärbt. Zum einen könnte das heißen, dass man beim Tragen
dieser Jacke weniger Wärme produziert zum anderen aber auch, dass diese Jacke weniger
Abbildung 5 Thermographische Aufnahme der Polychrom Jacke
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Wärme ableitet. Man kann auch davon ausgehen, dass diese Jacke durch ihre Oberfläche nicht
so viel Wärme von der Infrarotleuchte reflektiert.
Abbildung 6 Thermographische Aufnahme der Referenz Jacke
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Literatur
1. http://www.hohenstein.de/content/content1.asp?hohenstein=36-0-0-0-0
2. Reer R., Universität Hamburg, www1.uni-hamburg.de/spomed
3. Viewed on 16.06.2001; http://de.wikipedia.org/wiki/Gore-Tex
4. Gavin, T. P., (2003), Clothing and Thermoregulation During Exercise. Sports Med; 33 (13): 941-947
Abbildung 7 Versuchsaufbau: Proband auf Laufband in Klimakammer + Testleiter
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