Hartslag, herstelcurve en cardiovasculaire conditie

Niveauaanduiding: HAVO 3 of 4 — passend bij het hoofdstuk Bloedcirculatie (hart, slagvolume, hartslagfrequentie, inspanning en regulatie).

Inleiding

De hartslagfrequentie is een direct meetbare fysiologische parameter die informatie geeft over de cardiovasculaire conditie. Na inspanning herstelt de hartslag niet lineair maar exponentieel: het herstel verloopt snel direct na het stoppen en vertraagt daarna. Dit herstelpatroon is een maat voor de aerobe capaciteit van het cardiovasculaire systeem.

In dit practicum meet u de hartslag voor, tijdens het herstel na en — als uitbreiding — tijdens inspanning. U verwerkt de herstelcurve, toetst of die exponentieel verloopt en vergelijkt de hersteltijd tussen klasgenoten als maat voor de conditie.

Leerdoelen

Na afloop van dit practicum kunt u:

• de begrippen hartslagfrequentie, slagvolume en hartminuutvolume definiëren en met elkaar in verband brengen;
• een herstelcurve meten en beschrijven als een exponentieel dalend patroon;
• de hersteltijdconstante τ bepalen uit een ln(HF)-vs-tijd-grafiek;
• de fysiologische regulatie van de hartslag door het autonome zenuwstelsel beschrijven;
• de invloed van trainingsstatus op rusthartslag en hersteltijd kwalitatief beoordelen.

Achtergrondinformatie

Het hartminuutvolume (HMV) is het volume bloed dat het hart per minuut rondpompt:

HMV = HF × SV

waarbij HF de hartslagfrequentie (slagen/min) en SV het slagvolume (ml/slag) zijn. Bij inspanning neemt HMV toe doordat zowel HF als SV stijgen. Na het stoppen daalt HF bij benadering exponentieel:

HF(t) = HF_rust + (HF_max − HF_rust) · e^(−t/τ)

De tijdconstante τ is een maat voor de snelheid van herstel. Een kleine τ duidt op een sneller herstel en een betere cardiovasculaire conditie.

De hartslag wordt gereguleerd door het autonome zenuwstelsel. De sympathische tak verhoogt de hartslag tijdens inspanning via adrenaline en noradrenaline. De parasympathische tak (nervus vagus) verlaagt de hartslag in rust. Na inspanning neemt de parasympathische activiteit snel toe, wat de snelle initiële hartslagdaling verklaart.

Benodigde laboratoriumapparatuur

• smartphone met Phyphox-app (camera en flitser);
• stopwatch;
• optioneel: pulsoximeter voor verificatie;
• rustige ruimte voor de rustmeting.

Veiligheid

Leerlingen met bekende hartaandoeningen of astma voeren de inspanningstest alleen uit met toestemming van de docent en eventueel de ouders. De standaardinspanning (30 squats of 2 minuten snel traplopen) is voor gezonde leerlingen veilig. Stop onmiddellijk bij duizeligheid, pijn op de borst of benauwdheid en raadpleeg de docent.

Werkwijze

Meting 1 — Rusthartslag

1. Zit gedurende 5 minuten rustig. Open Phyphox → Camera of een gelijkwaardige hartslagmodule.
2. Leg uw wijsvinger zachtjes over de camera en flitser. Houd 60 seconden stil.
3. Noteer de gemiddelde HF in bpm. Herhaal twee keer.

Meting 2 — Herstelcurve

1. Voer 2 minuten lang squats uit of loop snel de trap op en neer.
2. Stop de inspanning. Meet de hartslag onmiddellijk (0 min) en daarna elke minuut gedurende 10 minuten.
3. Noteer alle waarden in een tabel: t (min) en HF (bpm).

Dataverwerking

1. Plot HF tegen t. Beschrijf de vorm van de curve.
2. Bereken HF − HF_rust voor elke meting. Plot ln(HF − HF_rust) tegen t.
3. Bepaal de richtingscoëfficiënt van de rechte lijn: dit is −1/τ. Bereken τ.

Verwerkingsvragen

1. Definieer hartminuutvolume en geef de formule. Bereken het HMV in rust bij HF = 70 bpm en SV = 70 ml.
2. Beschrijf hoe de herstelcurve eruitziet: is het een rechte lijn of een kromme? Welk wiskundig model past hier het best bij?
3. Bepaal τ uit uw grafiek. Wat betekent een kleinere τ fysiologisch?
4. Welke tak van het autonome zenuwstelsel is verantwoordelijk voor de snelle initiële hartslagdaling na inspanning? Leg het mechanisme uit.
5. Een getrainde sporter heeft een rusthartslag van 50 bpm en een slagvolume van 90 ml. Bereken het HMV en vergelijk met een ongetrainde persoon (HF = 70 bpm, SV = 70 ml).

Uitwerkingen

1. HMV:
   HMV = 70 × 70 = 4900 ml/min ≈ 4,9 l/min. Dit is de standaard rustwaarde voor een volwassene. Bij maximale inspanning kan HMV oplopen tot 20–25 l/min bij gezonde personen en tot 35–40 l/min bij topsporters.
2. Herstelcurve:
   De curve is exponentieel dalend: snel initieel herstel, gevolgd door een geleidelijke afvlakking naar de rustwaarde. Een lineaire beschrijving past slecht; het exponentieel model HF(t) = HF_rust + ΔHF·e^(−t/τ) past goed, herkenbaar als een rechte lijn in de ln(HF−HF_rust) vs t-grafiek.
3. Tijdconstante τ:
   τ = −1/r.c. van de ln-grafiek. Typische waarden: 2–4 minuten voor gemiddeld fitte leerlingen, 1–2 minuten voor getrainde sporters. Een kleinere τ betekent een snellere parasympathische heractivering en daarmee een betere cardiovasculaire conditie.
4. Autonome regulatie:
   Na het stoppen van de inspanning vermindert de sympathische activiteit snel en neemt de parasympathische activiteit (n. vagus) toe. Acetylcholine, de neurotransmitter van de parasympathicus, bindt aan receptoren in de sinusknoop (de pacemaker van het hart) en verlaagt de slagfrequentie. Dit mechanisme verklaart de snelle initiële daling.
5. Getrainde sporter vs ongetrainde:
   Sporter: HMV = 50 × 90 = 4500 ml/min. Ongetraind: 70 × 70 = 4900 ml/min. Beide zijn vergelijkbaar in rust, maar de sporter bereikt dit met een lagere HF dankzij een groter slagvolume. Bij maximale inspanning bereikt de sporter een veel hoger HMV doordat het slagvolume sterker toeneemt.

Achtergrond

De hartslagfrequentie als maat voor de conditie werd al in de vroege twintigste eeuw gebruikt in de vorm van de step-test (Harvard Step Test, 1942). Moderne sportfysiologie gebruikt verfijndere parameters zoals de hartslagvariabiliteit (HRV) en de VO₂max. Smartwatches meten tegenwoordig continu de hartslag via dezelfde PPG-methode als in dit practicum en geven realtime feedback over inspanningszones en herstel.

Benodigde laboratoriumapparatuur van Labvakhandel

Labvakhandel levert bloeddrukmeetapparaten, pulsoximeters en onderwijsmaterialen voor fysiologiepractica in het voortgezet onderwijs.

Bekijk het assortiment biologie artikelen of neem contact op voor advies.

Meer practicumopdrachten

Ontdek alle practica in de Labvakhandel kennisbank — voor biologie, scheikunde en natuurkunde.