Sciences

Le corps humain, une ressource d'énergie

Dossier - L'énergie sous toutes ses formes
DossierClassé sous :énergie , physique , énergie humaine

-

L’énergie baigne notre monde, omniprésente dans notre quotidien et dans le débat public. Sans elle, pas un mouvement, pas de vie. Quelles énergies pour demain ? Quel impact sur le climat ? Quels défis techniques, quels risques ? Voici quelques éléments de réponse.

  
DossiersL'énergie sous toutes ses formes
 

Techniquement parlant, les êtres humains sont des moteurs. À ceci près qu'il est impossible de les arrêter. Même au repos, nous consommons un petit peu d'énergie pour maintenir le système en marche. Notre cœur, par exemple, consomme en continu quelques watts de puissance pour faire circuler le sang dans nos veines.

L'énergie humaine. © 12019, Pixabay, DP

Et notre cerveau ? On s'est rendu compte qu'il consomme plus d'énergie que n'importe quel autre organe humain : jusqu'à 20 % de la consommation totale ! Deux tiers du budget énergétique du cerveau permettent aux neurones d'envoyer et de recevoir des signaux. Le dernier tiers est utilisé pour la « maintenance », c'est-à-dire l'entretien des cellules.

Un perchiste en plein effort physique convertit grâce à ses muscles de l'énergie chimique en énergie mécanique, puis en énergie potentielle (gravitationnelle). © Tsutomu Takasu, CC by 2.0

Pendant un effort physique, notre consommation énergétique augmente et est convertie en travail et en chaleur. Même au repos, nous chauffons en permanence. Chez un individu en bonne santé et dont la corpulence est stable, toute la ration quotidienne de nourriture finit en chaleur, ce qui correspond à une puissance d'environ 100 W. Un être humain est donc un radiateur de 100 W. Soit la puissance d'une ampoule ordinaire.

Le sport booste l'énergie

En plein effort physique, cette valeur augmente évidemment. Un être humain normal peut développer en continu 100 W de puissance, pour monter des marches ou faire du vélo par exemple. Nous parlons ici d'énergie purement mécanique. L'énergie totale utilisée par le corps est bien supérieure, car le rendement de nos muscles est loin d'être parfait. En plein effort, bien plus de 100 W sont donc libérés en chaleur.

Mais alors, comment faisons-nous pour maintenir notre corps à une température constante et confortable ? Il existe trois mécanismes pour évacuer la chaleur et refroidir le corps : la conduction thermique avec l'air ambiant, le rayonnement et l'évaporation.

La conduction et le rayonnement sont complètement conditionnés par la différence de température entre notre corps et le monde extérieur. Ils sont gouvernés par les lois de la physique : notre corps n'a pas la possibilité de les ajuster. Heureusement, il y a aussi le mécanisme d'évaporation... que notre organisme est capable d'influencer en régulant automatiquement la quantité de sueur produite. La figure suivante indique l'évolution de plusieurs formes d'énergie et de chaleur au cours d'un exercice physique.

Taux indicatifs de production d’énergie, de production de chaleur et de chaleur évacuée par un adulte en plein effort. Comme le rayonnement et la conduction sont à peu près constants, c’est l’évaporation qui est notre planche de salut. © EDP Sciences

Dès que l'effort commence, la production totale d'énergie augmente à peu près quatre fois comme le travail effectué, ce qui s'explique par le rendement musculaire fixé ici à 25 %. La chaleur produite correspond à l'énergie totale produite moins le travail effectué. On voit que l'évaporation joue le rôle clé dans le mécanisme de thermorégulation qui permet de maintenir notre température. Elle est particulièrement efficace, l'évaporation de l’eau étant très gourmande en énergie.