Respiration et effort : fréquence respiratoire et volumes

Respirer : prélever du dioxygène, rejeter du dioxyde de carbone

Respirer permet à l'organisme de prélever du dioxygène dans l'air et de rejeter du dioxyde de carbone. Les muscles utilisent le dioxygène pour libérer l'énergie dont ils ont besoin. Plus ils travaillent, plus leurs besoins augmentent.

Ventilation et échanges gazeux

• Ventilation : ensemble des mouvements qui font entrer l'air dans les poumons (inspiration) puis l'en font sortir (expiration). Elle est assurée par la cage thoracique et le diaphragme, un muscle situé sous les poumons.
• Échanges gazeux : dans les alvéoles pulmonaires, le dioxygène passe de l'air vers le sang et le dioxyde de carbone passe du sang vers l'air. Le sang, mis en mouvement par le cœur, transporte ensuite le dioxygène jusqu'aux muscles.

Trois grandeurs à savoir lire

• Fréquence respiratoire : nombre de mouvements respiratoires (une inspiration et une expiration) en une minute. Elle s'exprime en mouvements par minute.
• Volume courant : volume d'air inspiré à chaque mouvement respiratoire. Il s'exprime en litres (L) ou en millilitres (mL), avec 1 L = 1000 mL.
• Débit ventilatoire : volume d'air qui passe dans les poumons en une minute. On le calcule ainsi : débit = fréquence × volume courant, en L/min.

Exemple concret

Au repos, une personne respire 15 fois par minute avec un volume courant de 0,5 L. Son débit ventilatoire est 15 × 0,5 = 7,5 L/min. Pendant une course rapide, sa fréquence monte à 30 mouvements par minute et son volume courant à 1,5 L. Son débit atteint alors 30 × 1,5 = 45 L/min, soit six fois plus qu'au repos.

Ici, la fréquence a doublé alors que le débit a été multiplié par six : cela montre que l'augmentation du volume courant compte aussi. À l'effort, on respire donc plus vite et plus profondément.

Pourquoi respirer davantage à l'effort ?

Les muscles qui travaillent consomment plus de dioxygène et produisent plus de dioxyde de carbone. Pour répondre à ce besoin, la ventilation augmente et le cœur bat plus vite : le sang apporte alors plus de dioxygène et évacue plus de dioxyde de carbone. Après l'effort, la respiration revient progressivement à sa valeur de repos.

Un piège à éviter

L'air expiré n'est pas dépourvu de dioxygène. L'air inspiré en contient environ 21 %, l'air expiré encore environ 16 %. Les poumons ne prélèvent donc qu'une partie du dioxygène de l'air qu'ils reçoivent. Il ne faut pas non plus confondre l'air ventilé (en L/min) et le dioxygène réellement absorbé : un débit ventilatoire élevé permet d'en absorber davantage, mais ce n'est pas la même quantité.

Exercice 1 : calculer et comparer des débits ventilatoires

Données pédagogiques simplifiées : mesures réalisées sur un élève de 5e selon son activité.

1. Calcule le débit ventilatoire de l'élève dans chaque situation, en précisant l'unité.
2. Calcule combien de fois le débit à la course est plus grand qu'au repos.
3. Indique quelle grandeur a le plus augmenté entre le repos et la course : la fréquence ou le volume courant. Justifie avec un calcul.

Exercice 2 : analyser la récupération après un effort

Données pédagogiques simplifiées : après une course, un élève s'arrête et sa fréquence respiratoire est relevée régulièrement. Sa valeur de repos est de 15 mouvements par minute.

1. Décris l'évolution de la fréquence respiratoire après l'arrêt.
2. Calcule la diminution pendant la première minute, puis entre la 3e et la 5e minute. Que remarques-tu ?
3. Explique pourquoi la respiration reste rapide quelques minutes après l'arrêt.

Exercice 3 : comparer deux manières de respirer

Données pédagogiques simplifiées : deux élèves courent à la même allure. L'élève A respire lentement et profondément, l'élève B respire vite et superficiellement.

1. Convertis le volume courant de B en litres.
2. Calcule le débit ventilatoire de A et de B.
3. Un camarade affirme : « B respire plus souvent, donc il ventile davantage. » Cette affirmation est-elle exacte ? Explique.
4. Rédige une phrase qui résume ce que cet exemple montre sur la lecture des données respiratoires.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. On utilise : débit = fréquence × volume courant. Repos : 16 × 0,5 = 8 L/min. Marche : 20 × 0,8 = 16 L/min. Course : 36 × 1,5 = 54 L/min.
2. 54 ÷ 8 = 6,75. Le débit à la course est environ 6,8 fois plus grand qu'au repos.
3. Fréquence : 36 ÷ 16 = 2,25, elle est multipliée par 2,25. Volume courant : 1,5 ÷ 0,5 = 3, il est multiplié par 3. Le volume courant a donc le plus augmenté. On vérifie : 2,25 × 3 = 6,75, ce qui retrouve le rapport des débits.

Exercice 2 : correction

1. La fréquence respiratoire diminue de façon continue, de 40 à 16 mouvements par minute en 5 minutes, et se rapproche de la valeur de repos (15).
2. Première minute : 40 moins 30 = 10 mouvements par minute de moins. Entre la 3e et la 5e minute : 19 moins 16 = 3 mouvements par minute de moins en 2 minutes. La baisse est rapide au début, puis de plus en plus lente.
3. Juste après l'effort, les muscles ont encore besoin de dioxygène et le dioxyde de carbone produit doit être évacué. La ventilation (et le cœur) reviennent donc progressivement à leur niveau de repos, pas instantanément.

Exercice 3 : correction

1. 600 mL = 0,6 L, car 1 L = 1000 mL.
2. Élève A : 30 × 1,2 = 36 L/min. Élève B : 45 × 0,6 = 27 L/min.
3. L'affirmation est inexacte. B respire plus souvent (45 contre 30 mouvements par minute), mais chaque inspiration apporte deux fois moins d'air que celle de A. Son débit (27 L/min) est inférieur à celui de A (36 L/min).
4. La fréquence seule ne suffit pas pour juger la ventilation : il faut la combiner au volume courant pour calculer le débit. Une respiration plus profonde peut ventiler davantage qu'une respiration plus rapide mais superficielle.