--- title: "Le cœur et les poumons à l’effort" book: "Biologie du lycée" subject: biology language: fr chapter: 8 exercises: 15 source: https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/8-le-cur-et-les-poumons-a-leffort --- # Chapitre 8 — Le cœur et les poumons à l’effort Montez quatre étages en courant et arrêtez-vous en haut. Votre poitrine se soulève — quarante respirations par minute au lieu de douze, chacune trois fois plus profonde — et votre cœur cogne à cent soixante-dix. Rien dans ces escaliers ne vous demandait d’en décider ; le corps l’a organisé, en quelques secondes, parce que les muscles du [Chapitre 7](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/7-leffort-et-les-besoins-energetiques-du-corps#ch-g10-exercise-and-energy) réclamaient dix fois plus d’oxygène qu’une minute plus tôt. Ce chapitre porte sur le système de livraison — poumons, cœur, vaisseaux sanguins — et sur la façon dont son débit est multiplié quand l’effort commence. ## 8.1 La ventilation **Définition 8.1 (Ventilation).** La *ventilation pulmonaire* est le volume d’air qui entre et sort des poumons par minute : le volume d’une respiration (le *volume courant*) multiplié par le nombre de respirations par minute (la *fréquence respiratoire*). Au repos, environ $0.5\,\mathrm{L}$ douze à quinze fois par minute : $6\text{ to }8\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$. Dans les poumons, l’air atteint quelque 300 millions d’*alvéoles*, sacs à paroi mince enveloppés de capillaires, où l’oxygène passe dans le sang et le dioxyde de carbone en sort. **Proposition 8.2 (La ventilation à l’effort).** À l’effort, le volume courant et la fréquence montent tous deux : un adulte en forme peut respirer $2.5\,\mathrm{L}$ quarante fois par minute, soit $100\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ou plus, quinze fois la valeur de repos. La montée commence dès les premières secondes de l’effort, avant tout changement dans le sang, et se stabilise à un niveau proportionnel à l’oxygène consommé. **Démonstration.** *Admis à ce niveau.* ∎ ![Un spirogramme : le volume d’air contenu dans les poumons en fonction du temps. La respiration calme déplace 0.5\, L par cycle autour d’un niveau moyen ; une inspiration maximale suivie d’une expiration maximale balaie la capacité vitale, environ 4.5\, L ; les 1.2\, L qu’on ne peut jamais chasser sont le volume résiduel.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-2/g10-heart-lungs-effort/fig-02bb7f4e75f0.svg) *Un spirogramme : le volume d’air contenu dans les poumons en fonction du temps. La respiration calme déplace $0.5\,\mathrm{L}$ par cycle autour d’un niveau moyen ; une inspiration maximale suivie d’une expiration maximale balaie la capacité vitale, environ $4.5\,\mathrm{L}$ ; les $1.2\,\mathrm{L}$ qu’on ne peut jamais chasser sont le volume résiduel.* **Exemple 8.3 (Lire un spirogramme).** Sur la figure, quatre cycles prennent $16\,\mathrm{s}$ : 15 respirations par minute de $0.5\,\mathrm{L}$, d’où $7.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$. Le balayage maximal va de $5.7\,\mathrm{L}$ à $1.2\,\mathrm{L}$ : une capacité vitale de $4.5\,\mathrm{L}$. Un volume courant de $2.5\,\mathrm{L}$ à l’effort utilise plus de la moitié de cette capacité, et c’est bien ce qu’on ressent quand on souffle fort. ![Mesurer les volumes pulmonaires : le sujet respire par un embout dans un spiromètre, le nez pincé, et l’appareil enregistre le volume de chaque cycle.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-2/g10-heart-lungs-effort/img-6726f29a0d1c.jpg) *Mesurer les volumes pulmonaires : le sujet respire par un embout dans un spiromètre, le nez pincé, et l’appareil enregistre le volume de chaque cycle.* ## 8.2 Le cœur et les deux circulations **Définition 8.4 (Débit cardiaque).** Le cœur est une double pompe à quatre cavités. Le côté droit reçoit le sang qui revient des organes et l’envoie aux poumons (la *circulation pulmonaire*) ; le côté gauche le reçoit en retour des poumons et l’envoie aux organes (la *circulation systémique*). Des valves entre les cavités et à leurs sorties rendent l’écoulement à sens unique. Le *débit cardiaque* $Q$ est le volume de sang que chaque côté pompe par minute : le volume éjecté à chaque battement, le *volume d’éjection systolique* $V_s$, multiplié par la *fréquence cardiaque* $f$, $$ Q = f \times V_s . $$ Au repos, $70$ battements par minute de $70\,\mathrm{mL}$ : environ $5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ — tout le volume sanguin une fois par minute. ![La double circulation. En bleu : le sang pauvre en oxygène, pompé par le cœur droit vers les poumons. En rouge : le sang riche en oxygène, pompé par le cœur gauche vers les organes. Les deux côtés battent ensemble et pompent le même volume par minute.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-2/g10-heart-lungs-effort/fig-0b6e411de03e.svg) *La double circulation. En bleu : le sang pauvre en oxygène, pompé par le cœur droit vers les poumons. En rouge : le sang riche en oxygène, pompé par le cœur gauche vers les organes. Les deux côtés battent ensemble et pompent le même volume par minute.* **Proposition 8.5 (Le débit cardiaque à l’effort).** À l’effort, la fréquence cardiaque monte avec la puissance fournie, jusqu’à un maximum d’à peu près $220$ moins l’âge en années, et le volume d’éjection systolique monte aussi, de moitié environ chez une personne non entraînée et davantage chez une personne entraînée. Le [débit cardiaque](#def-g10-heart-lungs-effort-output) d’un jeune adulte passe de $5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ au repos à $20\text{ to }25\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ à l’effort maximal, et à $35\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ou plus chez un champion d’endurance, dont le volume d’éjection peut dépasser $180\,\mathrm{mL}$. **Démonstration.** *Admis à ce niveau.* ∎ ![Fréquence cardiaque, volume d’éjection systolique et débit cardiaque d’un sujet de vingt ans à puissance croissante. Le volume d’éjection plafonne à effort modéré ; au-delà, le débit ne monte plus que par la fréquence, et la fréquence elle-même plafonne près de 220 - 20 = 200.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-2/g10-heart-lungs-effort/fig-b3512634d1e9.svg) *Fréquence cardiaque, volume d’éjection systolique et [débit cardiaque](#def-g10-heart-lungs-effort-output) d’un sujet de vingt ans à puissance croissante. Le volume d’éjection plafonne à effort modéré ; au-delà, le débit ne monte plus que par la fréquence, et la fréquence elle-même plafonne près de $220 - 20 = 200$.* **Exemple 8.6 (Le débit à 200 W200\,\mathrm{W}200W).** D’après la figure : $f = 170$ par minute, $V_s = 115\,\mathrm{mL}$, donc $Q = 170 \times 0.115 \approx 19.6\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ : quatre fois le débit de repos. Le cœur déplace tout le volume sanguin du corps quatre fois par minute. ## 8.3 Amener le sang là où il faut **Proposition 8.7 (Redistribution du débit sanguin).** Au repos, les muscles reçoivent environ un cinquième du [débit cardiaque](#def-g10-heart-lungs-effort-output) ; le tube digestif, le foie et les reins en prennent la moitié. À l’effort intense, les petites artères des muscles au travail s’élargissent et celles du tube digestif et des reins se resserrent : les muscles reçoivent alors plus des quatre cinquièmes d’un débit qui a lui-même quadruplé — quelque $20\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ au lieu de $1\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$, vingt fois plus. La part du cerveau est maintenue constante en valeur absolue, et celle de la peau augmente pour évacuer la chaleur. **Démonstration.** *Admis à ce niveau.* ∎ ![Où va le débit cardiaque, au repos (5\, L/ min) et à l’effort maximal (24\, L/ min). La part des muscles passe d’un cinquième à plus des quatre cinquièmes ; le cerveau garde ses 0.75\, L/ min d’un bout à l’autre.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-2/g10-heart-lungs-effort/fig-19de867e61d1.svg) *Où va le [débit cardiaque](#def-g10-heart-lungs-effort-output), au repos ($5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$) et à l’effort maximal ($24\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$). La part des muscles passe d’un cinquième à plus des quatre cinquièmes ; le cerveau garde ses $0.75\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ d’un bout à l’autre.* **Proposition 8.8 (Livraison et extraction de l’oxygène).** Chaque litre de sang artériel transporte environ $200\,\mathrm{mL}$ d’oxygène, presque tout fixé sur l’hémoglobine des globules rouges. Au repos, les organes en retirent environ $50\,\mathrm{mL}$ par litre ; à l’effort, les muscles au travail en retirent jusqu’à $150\,\mathrm{mL}$, trois fois plus. L’oxygène consommé par minute est le [débit cardiaque](#def-g10-heart-lungs-effort-output) multiplié par la quantité retirée par litre — de sorte que la multiplication par cinq du débit et celle par trois de l’extraction donnent ensemble la multiplication par quinze de la consommation d’oxygène du [Chapitre 7](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/7-leffort-et-les-besoins-energetiques-du-corps#ch-g10-exercise-and-energy). **Démonstration.** *Admis à ce niveau.* ∎ **Exemple 8.9 (Le bilan de l’oxygène vérifié).** Repos : $5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ $\times$ $50\,\mathrm{mL}/\mathrm{L}$ $= 250\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$, la consommation de repos. Effort maximal d’un élève entraîné : $23\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ $\times$ $150\,\mathrm{mL}/\mathrm{L}$ $= 3.45\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ — une $\dot V\!\mathrm{O_2}$max de $50\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ par kilogramme pour $69\,\mathrm{kg}$, exactement le chiffre du chapitre précédent. ## 8.4 Comment la réponse est commandée **Proposition 8.10 (Commande nerveuse et hormonale).** Le cœur et les muscles respiratoires sont commandés par des centres nerveux situés à la base du cerveau. Deux jeux de nerfs atteignent le cœur : l’un le ralentit, actif au repos ; l’autre l’accélère et renforce chaque battement. Au début de l’effort, la commande que le cerveau envoie aux muscles est copiée vers ces centres — le cœur accélère en un ou deux battements — et des capteurs situés dans les muscles et les articulations signalent le mouvement. Puis, l’effort se poursuivant, des capteurs des artères mesurent le dioxyde de carbone et l’acidité du sang et ajustent la [ventilation](#def-g10-heart-lungs-effort-ventilation) et la fréquence cardiaque pour les maintenir près de leurs valeurs de repos. Les glandes surrénales y ajoutent l’hormone *adrénaline*, qui renforce l’accélération et élargit les artères des muscles. **Faits expérimentaux.** Sectionner le nerf ralentisseur d’un animal fait passer sa fréquence cardiaque de repos de 70 à environ 100 ; le stimuler arrête le cœur. Stimuler le nerf accélérateur double la fréquence. Une personne prévenue qu’un effort l’attend voit sa fréquence cardiaque monter avant tout mouvement ; un sujet respirant un air enrichi en dioxyde de carbone augmente sa [ventilation](#def-g10-heart-lungs-effort-ventilation) en moins d’une minute, et un sujet dont on maintient artificiellement constant le dioxyde de carbone sanguin pendant l’effort l’augmente quand même dès le début du mouvement — les deux mécanismes, anticipation et correction, sont bien réels. ∎ **Méthode 8.11 (Calculer la livraison d’oxygène).** 1. [Ventilation](#def-g10-heart-lungs-effort-ventilation) : volume courant $\times$ fréquence. Seuls 70 % environ de chaque cycle atteignent les [alvéoles](#def-g10-heart-lungs-effort-ventilation) ; le reste emplit les voies aériennes. 2. [Débit cardiaque](#def-g10-heart-lungs-effort-output) : $Q = f \times V_s$ , en litres par minute si $V_s$ est en litres. 3. Oxygène consommé par minute : $Q \times$ (oxygène retiré par litre de sang). 4. Débit vers un organe : sa part de $Q$ . Comparer les débits absolus, non les parts — une part plus petite d’un débit plus grand peut représenter davantage de sang. 5. Vérifier : la consommation ne peut pas dépasser la $\dot V\!\mathrm{O_2}$ max, et $f$ ne peut pas dépasser environ $220 -$ l’âge. **Remarque 8.12 (Où se situe la limite).** La [ventilation](#def-g10-heart-lungs-effort-ventilation) peut dépasser $150\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ et le sang qui quitte les poumons reste presque saturé à l’effort maximal : les poumons ne sont pas le goulot d’étranglement. Le volume d’éjection systolique l’est : il fixe la quantité de sang, donc d’oxygène, que chaque battement livre. L’entraînement en endurance agrandit le cœur et son volume d’éjection — ce qui explique qu’un cœur entraîné batte au repos à 45 au lieu de 70 pour les mêmes $5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$, et que la $\dot V\!\mathrm{O_2}$max monte avec l’entraînement. ## 8.5 Exercices **Exercice 8.1 ★.** Calculer la [ventilation](#def-g10-heart-lungs-effort-ventilation) d’une personne respirant $0.6\,\mathrm{L}$ quatorze fois par minute ; puis celle de la même personne respirant $2.2\,\mathrm{L}$ trente-cinq fois par minute. **Solution de Exercice 8.1.** $0.6 \times 14 = 8.4\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ; $2.2 \times 35 = 77\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$. **Exercice 8.2 ★.** Définir le [débit cardiaque](#def-g10-heart-lungs-effort-output) et donner sa formule. Le calculer pour une fréquence cardiaque de 65 par minute et un volume d’éjection de $75\,\mathrm{mL}$. **Solution de Exercice 8.2.** Le volume de sang pompé par un côté du cœur par minute : $Q = f \times V_s$. $65 \times 0.075 \approx 4.9\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$. **Exercice 8.3 ★.** Suivre le trajet d’un globule rouge de l’oreillette droite jusqu’à l’oreillette droite, en nommant les cavités et les deux circulations. **Solution de Exercice 8.3.** Oreillette droite, ventricule droit, artère pulmonaire, poumons (circulation pulmonaire), veines pulmonaires, oreillette gauche, ventricule gauche, aorte, organes (circulation systémique), veines, oreillette droite. **Exercice 8.4 ★.** D’après la figure du spirogramme, donner le volume courant, la capacité vitale et le volume résiduel. **Solution de Exercice 8.4.** Volume courant $0.5\,\mathrm{L}$ ; capacité vitale $4.5\,\mathrm{L}$ ; volume résiduel $1.2\,\mathrm{L}$. **Exercice 8.5 ★.** Quelle est la fréquence cardiaque maximale d’une personne de 16 ans ? D’une personne de 60 ans ? **Solution de Exercice 8.5.** Environ $220 - 16 = 204$ et $220 - 60 = 160$ battements par minute. **Exercice 8.6 ★★.** D’après la figure de la fréquence cardiaque, calculer le [débit cardiaque](#def-g10-heart-lungs-effort-output) à $100\,\mathrm{W}$ et à $300\,\mathrm{W}$, et le facteur entre les deux. **Solution de Exercice 8.6.** $100\,\mathrm{W}$ : $120 \times 0.105 \approx 12.6\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ; $300\,\mathrm{W}$ : $198 \times 0.115 \approx 22.8\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ; un facteur de 1.8. **Exercice 8.7 ★★.** Au repos, le tube digestif et les reins reçoivent 50 % de $5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ; à l’effort maximal, 4 % de $24\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$. Calculer les deux débits. Qu’est-ce qui change le plus, la part ou le débit absolu ? **Solution de Exercice 8.7.** Repos : $2.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ; effort : $0.04 \times 24 \approx 1.0\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$. La part est divisée par douze, le débit absolu seulement par 2.6, parce que le débit total a lui-même grandi. **Exercice 8.8 ★★.** Une sujette a un [débit cardiaque](#def-g10-heart-lungs-effort-output) de $18\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ et ses muscles retirent $140\,\mathrm{mL}$ d’oxygène par litre. Calculer sa consommation d’oxygène. Est-elle proche du plafond d’une élève entraînée ? **Solution de Exercice 8.8.** $18 \times 0.14 = 2.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ : environ les trois quarts des $3.45\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ d’une élève entraînée — proche, pour une personne plus petite. **Exercice 8.9 ★★.** Pourquoi le débit sanguin du cerveau reste-t-il à $0.75\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ alors que celui du tube digestif est réduit des deux tiers à l’effort ? Penser à ce que chaque organe peut supporter. **Solution de Exercice 8.9.** Le cerveau ne supporte pas même quelques secondes sans oxygène ni glucose, et son approvisionnement est donc protégé. Le tube digestif et les reins peuvent suspendre digestion et filtration une heure sans dommage, et leur part est prêtée aux muscles. **Exercice 8.10 ★★.** Une cycliste entraînée a une fréquence cardiaque de repos de 42 et un débit de repos de $5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$. Calculer son volume d’éjection systolique et le comparer à celui d’une personne non entraînée. **Solution de Exercice 8.10.** $V_s = 5000/42 \approx 120\,\mathrm{mL}$, contre environ $70\,\mathrm{mL}$ : son cœur agrandi délivre le débit de repos en bien moins de battements. **Exercice 8.11 ★★.** Expliquer pourquoi la fréquence cardiaque commence à monter avant la première foulée d’une course, et ce qui arriverait à un coureur dont la commande ne fonctionnerait que par détection du dioxyde de carbone sanguin. **Solution de Exercice 8.11.** La commande de mouvement du cerveau, et son anticipation de l’effort, sont envoyées aux centres cardiaques et aux glandes surrénales avant que les muscles n’agissent. Un coureur qui ne compterait que sur la détection du dioxyde de carbone partirait avec un débit de repos, courrait la première minute sur la [fermentation](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#def-g10-cell-metabolism-fermentation), et serait contraint de ralentir par l’acide lactique avant que la livraison ne le rattrape. **Exercice 8.12 ★★★.** Deux sujets atteignent la même fréquence cardiaque maximale de 195. L’un a un volume d’éjection maximal de $110\,\mathrm{mL}$, l’autre de $160\,\mathrm{mL}$. Avec la même extraction d’oxygène de $150\,\mathrm{mL}/\mathrm{L}$, calculer leurs [consommations maximales d’oxygène](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/7-leffort-et-les-besoins-energetiques-du-corps#def-g10-exercise-and-energy-vo2max), et dire ce que la [Remarque 8.12](#rem-g10-heart-lungs-effort-limit) prévoit de leurs histoires d’entraînement. **Solution de Exercice 8.12.** $195 \times 0.110 \times 0.150 \approx 3.2\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ et $195 \times 0.160 \times 0.150 \approx 4.7\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$. C’est le volume d’éjection que l’entraînement agrandit : le second sujet est celui qui est entraîné en endurance. **Exercice 8.13 ★★★.** L’air contient 21 % d’oxygène. Une sujette ventile $100\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ à l’effort maximal et consomme $3.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ d’oxygène. Quelle fraction de l’oxygène qu’elle inspire utilise-t-elle réellement ? Que devient le reste ? **Solution de Exercice 8.13.** Oxygène inspiré : $0.21 \times 100 = 21\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ; utilisé : $3.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$, soit 17 %. Le reste est de nouveau expiré — l’air expiré contient encore environ 16 % d’oxygène, et c’est pourquoi le bouche-à-bouche fonctionne. **Exercice 8.14 ★★★.** Un médicament bloque les nerfs accélérateurs et l’effet de l’[adrénaline](#prop-g10-heart-lungs-effort-control) sur le cœur, limitant la fréquence cardiaque à 110. Prévoir son effet sur le [débit cardiaque](#def-g10-heart-lungs-effort-output) à l’effort maximal, sur la $\dot V\!\mathrm{O_2}$max, et sur ce que le patient peut faire. **Solution de Exercice 8.14.** Débit au plus d’environ $110 \times 0.12 \approx 13\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ au lieu de 24 : la $\dot V\!\mathrm{O_2}$max chute de près de moitié, vers $2\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$. Le patient peut marcher et pédaler doucement mais ne peut soutenir aucun effort intense. **Exercice 8.15 ★★★.** Chez une personne en altitude, le sang artériel transporte $150\,\mathrm{mL}$ d’oxygène par litre au lieu de $200$. À [débit cardiaque](#def-g10-heart-lungs-effort-output) maximal identique et avec la même extraction de 75 % de l’oxygène livré, calculer la perte de $\dot V\!\mathrm{O_2}$max en pour cent. Proposer une adaptation que le corps met en place les semaines suivantes. **Solution de Exercice 8.15.** Livraison par litre réduite d’un quart, extraction inchangée en proportion : la $\dot V\!\mathrm{O_2}$max baisse de 25 %. Au cours des semaines suivantes, le corps fabrique davantage de globules rouges, ce qui ramène l’oxygène transporté par litre vers $200\,\mathrm{mL}$. ## 8.6 Problème : l’épreuve d’effort **Problème 8.1.** Problème du week-end — une épreuve d’effort chez le cardiologue : fréquence cardiaque, volume d’éjection, ventilation et extraction d’oxygène mesurés à puissance croissante, et la multiplication qu’ils réalisent ensemble Tom, 17 ans, $68\,\mathrm{kg}$, pédale sur un vélo de laboratoire pendant qu’on enregistre sa fréquence cardiaque, sa [ventilation](#def-g10-heart-lungs-effort-ventilation) et son air expiré. Résultats : | puissance (W) | 0 | 75 | 150 | 225 | 300 | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | fréquence cardiaque (par min) | 62 | 105 | 140 | 175 | 198 | | volume d’éjection (mL) | 72 | 100 | 116 | 120 | 120 | | volume courant (L) | 0.5 | 1.2 | 1.8 | 2.3 | 2.6 | | respirations par min | 13 | 18 | 24 | 32 | 44 | | $\mathrm{O_2}$ retiré par litre de sang (mL) | 52 | 90 | 120 | 145 | 155 | **Partie I — Le cœur.** 1. Calculer le [débit cardiaque](#def-g10-heart-lungs-effort-output) de Tom à chaque puissance. 2. De quel facteur le débit a-t-il monté à $300\,\mathrm{W}$ ? Quelle part de ce facteur vient de la fréquence et quelle part du volume d’éjection ? 3. Au-dessus de quelle puissance le volume d’éjection cesse-t-il de monter ? Qu’est-ce qui augmente seul le débit au-delà ? 4. Comparer la fréquence cardiaque maximale de Tom à la règle empirique. 5. Son débit de repos vaut environ $4.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ . Si son volume sanguin est de $5\,\mathrm{L}$ , combien de temps dure un tour complet au repos, et à $300\,\mathrm{W}$ ? **Partie II — Les poumons.** 6. Calculer la [ventilation](#def-g10-heart-lungs-effort-ventilation) à chaque puissance. 7. De quel facteur a-t-elle monté à $300\,\mathrm{W}$ ? Lequel des deux facteurs, volume ou fréquence, y contribue le plus ? 8. La capacité vitale de Tom vaut $5.0\,\mathrm{L}$ . Quelle fraction en utilise chaque cycle à $300\,\mathrm{W}$ ? 9. La [ventilation](#def-g10-heart-lungs-effort-ventilation) a monté d’un facteur plus grand que le [débit cardiaque](#def-g10-heart-lungs-effort-output) . Cela signifie-t-il que les poumons limitent la performance ? Utiliser la [Remarque 8.12](#rem-g10-heart-lungs-effort-limit) . 10. Seuls 70 % de chaque cycle atteignent les [alvéoles](#def-g10-heart-lungs-effort-ventilation) . Calculer la [ventilation](#def-g10-heart-lungs-effort-ventilation) alvéolaire au repos et à $300\,\mathrm{W}$ . **Partie III — L’oxygène.** 11. Calculer la consommation d’oxygène de Tom à chaque puissance, à partir du [débit cardiaque](#def-g10-heart-lungs-effort-output) et de l’oxygène retiré par litre. 12. Exprimer la valeur à $300\,\mathrm{W}$ en millilitres par minute et par kilogramme. Est-ce une $\dot V\!\mathrm{O_2}$ max, et de quel genre de sujet ? 13. De quel facteur la consommation a-t-elle monté du repos à $300\,\mathrm{W}$ ? La décomposer en facteur dû au cœur et facteur dû à l’extraction. 14. En prenant $20\,\mathrm{kJ}$ par litre d’oxygène, calculer la puissance métabolique à $300\,\mathrm{W}$ et le rendement des muscles (puissance mécanique divisée par la puissance métabolique au-dessus du repos). 15. Tracer, ou décrire, la consommation d’oxygène en fonction de la puissance mécanique. Est-elle linéaire ? Où est le plafond ? **Partie IV — La commande et le verdict.** 16. La fréquence cardiaque de Tom atteignait 75 alors qu’il attendait assis le début de l’épreuve. Expliquer. 17. À $300\,\mathrm{W}$ , son sang artériel est encore saturé à 95 % en oxygène. Que cela vous apprend-il sur les échanges alvéolaires, et sur le lieu où se situe la limite de sa $\dot V\!\mathrm{O_2}$ max ? 18. Le cardiologue note que les muscles reçoivent désormais environ $20\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ de sang. Quelle fraction du débit cela représente-t-il, et où est passé le reste de la répartition de repos ? 19. Après six mois d’entraînement, le volume d’éjection maximal de Tom vaut $140\,\mathrm{mL}$ à la même fréquence maximale et à la même extraction. Calculer sa nouvelle $\dot V\!\mathrm{O_2}$ max. 20. Énoncer le résultat : les trois nombres (cœur, extraction, [ventilation](#def-g10-heart-lungs-effort-ventilation) ) par lesquels le corps de Tom a multiplié son apport d’oxygène de repos, et celui des trois que l’entraînement a modifié. **Solution de Problème 8.1.** **1.** $62 \times 0.072 \approx 4.5$ ; $105 \times 0.100 = 10.5$ ; $140 \times 0.116 \approx 16.2$ ; $175 \times 0.120 = 21.0$ ; $198 \times 0.120 \approx 23.8\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$. **2.** $23.8/4.5 \approx 5.3$ : la fréquence y contribue pour $198/62 \approx 3.2$, le volume d’éjection pour $120/72 \approx 1.7$, et $3.2 \times 1.7 \approx 5.3$. **3.** Au-dessus d’environ $225\,\mathrm{W}$, le volume d’éjection reste à $120\,\mathrm{mL}$ ; seule la fréquence cardiaque élève encore le débit. **4.** $220 - 17 = 203$ : ses 198 tiennent dans la précision de la règle. **5.** $5/4.5 \approx 1.1\,\mathrm{min}$, soit environ $67\,\mathrm{s}$ ; à $300\,\mathrm{W}$, $5/23.8 \approx 0.21\,\mathrm{min}$, environ $13\,\mathrm{s}$. **6.** $0.5 \times 13 = 6.5$ ; $1.2 \times 18 = 21.6$ ; $1.8 \times 24 = 43.2$ ; $2.3 \times 32 = 73.6$ ; $2.6 \times 44 \approx 114\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$. **7.** $114/6.5 \approx 18$ : le volume courant a été multiplié par 5.2, la fréquence par 3.4 ; le volume y contribue davantage. **8.** $2.6/5.0 = 52\%$ de la capacité vitale par cycle. **9.** Non : la [ventilation](#def-g10-heart-lungs-effort-ventilation) dispose d’une large réserve et le sang qui quitte les poumons reste saturé. La limite est le volume d’éjection du cœur, qui fixe l’oxygène livré à chaque battement. **10.** $0.7 \times 6.5 \approx 4.6\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ et $0.7 \times 114 \approx 80\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$. **11.** $4.5 \times 0.052 \approx 0.23$ ; $10.5 \times 0.090 \approx 0.95$ ; $16.2 \times 0.120 \approx 1.94$ ; $21.0 \times 0.145 \approx 3.05$ ; $23.8 \times 0.155 \approx 3.7\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$. **12.** $3700/68 \approx 54\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ par kilogramme. La fréquence a atteint son maximum et le gain de 225 à $300\,\mathrm{W}$ est faible : c’est bien sa $\dot V\!\mathrm{O_2}$max, celle d’un élève en forme et entraîné. **13.** $3.7/0.23 \approx 16$ : le facteur 5.3 du cœur multiplié par celui de l’extraction, $155/52 \approx 3.0$. **14.** $3.7 \times 20 = 74\,\mathrm{kJ}$ par minute, soit environ $1230\,\mathrm{W}$ ; au repos $0.23 \times 20/60 \approx 77\,\mathrm{W}$ ; au-dessus du repos environ $1150\,\mathrm{W}$, d’où un rendement $300/1150 \approx 26\%$. **15.** À peu près une droite de $0.23$ à $3.05\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ entre 0 et $225\,\mathrm{W}$, puis un fléchissement : les derniers $75\,\mathrm{W}$ n’ajoutent que $0.65\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$. Le plafond est d’environ $3.7\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$. **16.** L’anticipation : l’attente de l’effort est relayée par le cerveau aux centres cardiaques et aux glandes surrénales, ce qui élève la fréquence avant tout mouvement. **17.** Les [alvéoles](#def-g10-heart-lungs-effort-ventilation) oxygènent pleinement le sang même à [ventilation](#def-g10-heart-lungs-effort-ventilation) et débit maximaux ; les poumons ne sont pas la limite. La limite est la quantité de sang que le cœur peut envoyer par minute. **18.** $20/23.8 \approx 84\%$. Le tube digestif et les reins, qui prenaient la moitié du débit de repos, reçoivent désormais environ $1\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ; leurs artères se sont resserrées et le débit a été redirigé vers les muscles. **19.** $198 \times 0.140 \times 0.155 \approx 4.3\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$, soit environ $63\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ par kilogramme. **20.** Le [débit cardiaque](#def-g10-heart-lungs-effort-output) est multiplié par 5.3, l’extraction d’oxygène par 3, la [ventilation](#def-g10-heart-lungs-effort-ventilation) par 18 ; l’entraînement a modifié le volume d’éjection du cœur, et avec lui le plafond.