Le but de la transpiration était un mystère en 1775, lorsque le médecin anglais Charles Brian Blagden et quelques amis curieux ont expérimenté sur eux-mêmes en passant du temps dans des pièces chauffées à plus de 230° Fahrenheit. Alors que les températures étaient suffisamment élevées pour cuire la viande crue placée dans ces pièces, Blagden a noté à quel point les corps humains résistaient à la chaleur. Leur température corporelle centrale est restée presque constante à mesure que la sueur s’écoulait et s’évaporait.
La science de la transpiration a parcouru un long chemin en 250 ans. Pourtant, une quantité surprenante reste inexplorée, selon Konrad Rykaczewski, professeur agrégé d’ingénierie à l’Arizona State University. Dans une nouvelle étude, Rykaczewski et ses collègues ont découvert un processus physique méconnu qui peut modifier considérablement l’efficacité avec laquelle la transpiration refroidit le corps par temps chaud, sec et sans vent.
Il s’avère que l’impact est énorme. Cela peut modifier la quantité de sueur qui s’évapore de votre peau de plus de 50 %. »
Konrad Rykaczewski, professeur agrégé d’ingénierie, Arizona State University
Comprendre les mécanismes de la transpiration est essentiel pour prédire avec précision la contrainte thermique et l’efficacité du refroidissement dans différentes situations. Les scientifiques utilisent ces connaissances pour orienter les recommandations destinées aux travailleurs soumis à un stress thermique et pour concevoir des vêtements rafraîchissants et des systèmes de gestion de la chaleur pour les premiers intervenants, les soldats et les athlètes.
Les chercheurs de l’ASU n’ont soumis personne à des conditions semblables à celles d’un four lors de leurs expériences. Au lieu de cela, ils ont utilisé ANDI, un mannequin personnalisé doté de capteurs sur tout le corps pour mesurer la perte et le gain de chaleur et recouvert de pores qui s’écoulent de la sueur simulée en réponse à l’augmentation de la chaleur.
L’évaporation de la sueur en vapeur d’eau est ce qui refroidit le corps. Le mouvement de l’air accélère l’évaporation et améliore le refroidissement. Les chercheurs de l’ASU se sont concentrés sur un aspect négligé du processus de refroidissement : comment la température et l’humidité modifient la flottabilité de l’air près de la peau.
Lorsque la température extérieure est plus chaude que la peau d’une personne, l’air très proche de la peau se refroidit, devient plus dense et dérive vers le bas. Mais lorsque le temps est chaud et sec, l’humidité provenant de l’évaporation de la sueur crée un flux ascendant opposé, car l’air humide est plus léger que l’air sec.
Des expériences ont montré qu’à des températures autour de 105° F, avec une faible humidité et sans vent, les courants opposés près de la peau peuvent s’annuler complètement, arrêtant le flux d’air qui pourrait aider la sueur à s’évaporer. En l’absence de vent, ce phénomène entraîne une augmentation du stockage de la chaleur corporelle et une augmentation significative de la température cutanée et centrale. Les modèles de bilan thermique humain couramment utilisés n’en tiennent pas compte et sous-estiment la température du corps dans des environnements chauds et arides avec peu de circulation d’air.
Les chercheurs ont mesuré l’impact à l’aide de modèles d’évaporation de la sueur combinés à des simulations du corps humain travaillant pour contrôler sa température. Négliger les effets de flottabilité dus à l’humidité a conduit à une sous-estimation de l’augmentation de la température corporelle centrale de près de 2° F pour une personne au repos dans l’air calme après deux heures d’exposition à la chaleur.
« C’est vraiment important pour les environnements intérieurs ou les endroits avec très peu de mouvement d’air », a déclaré Rykaczewski. « Pensez à une tente, à un chantier partiellement clôturé ou à un bâtiment inachevé. »
Rykaczewski a publié les résultats dans Avancées scientifiques le 19 août avec le premier auteur Shri Viswanathan et huit autres personnes à l’ASU.
L’effet concurrent de flottabilité est familier aux ingénieurs travaillant sur les problèmes d’échange thermique en électronique, « mais il a été négligé dans le cas du corps humain », a déclaré Rykaczewski. « Je pense que la raison en est que la plupart des personnes travaillant dans ce domaine ne sont pas issues d’une formation d’ingénieur. Cela montre vraiment l’avantage de faire travailler ensemble des ingénieurs et des physiologistes dans une recherche interdisciplinaire. »
Prouver comment cet effet s’applique à la transpiration du corps humain n’a pas été une tâche facile. Les chercheurs de l’ASU ont réalisé des dizaines d’expériences en utilisant le mannequin de transpiration ANDI. Ils ont développé un modèle informatique d’ANDI et effectué environ 100 simulations de transpiration représentant un large éventail de conditions.
« De multiples voies de transfert de chaleur sont impliquées, donc isoler chacune d’elles, s’assurer que nous pouvons la reproduire informatiquement, puis les combiner toutes en un seul modèle a demandé énormément d’efforts », a déclaré Rykaczewski.
L’année dernière, les chercheurs de l’ASU ont découvert des détails cachés sur la façon dont la sueur monte et se propage sur la peau. Ces expériences nécessitaient que des volontaires enfilent une combinaison doublée de tubes qui font circuler de l’eau chaude ou froide pour réchauffer ou refroidir le porteur. Les chercheurs ont observé comment la sueur saturait d’abord la couche la plus externe de la peau, puis s’accumulait dans des flaques peu profondes autour des pores et se propageait en un mince film connecté. Après une première évaporation de la sueur, elle a laissé un léger résidu de sel. Lorsque les volontaires ont été à nouveau chauffés, ces résidus ont aidé la nouvelle sueur à s’évacuer plus rapidement sur la surface, permettant ainsi à un film de se former sans l’étape de mise en commun précédente.
Un film mince peut exposer davantage de sueur à l’air, rendant potentiellement l’évaporation plus efficace. Les résultats suggèrent également que la transpiration peut se comporter différemment dans tout le corps, où la densité des cheveux, des glandes sudoripares et la structure de la peau varient.
De nombreuses questions sur la transpiration restent sans réponse. L’équipe de l’ASU explore comment la sueur peut s’accrocher au corps et s’évaporer ou s’écouler et s’égoutter avant de pouvoir s’évaporer et comment cela affecte le refroidissement du corps. Les chercheurs envisagent d’étudier les interactions entre la peau, la sueur et les textiles vestimentaires. Ils voient des opportunités d’améliorer la conception des vêtements afin qu’ils refroidissent plus efficacement les gens en améliorant l’évaporation de la sueur.
« La plus grande question est de savoir comment gérer cette transpiration et quels types de matériaux vous pouvez mettre à côté de la peau pour optimiser le refroidissement », a déclaré Rykaczewski.
Dans le cadre d’études sur le terrain menées à travers l’Arizona, les chercheurs mesurent la manière dont différentes populations subissent et réagissent à la chaleur extrême en utilisant des plates-formes avancées de détection environnementale combinées à leurs modèles améliorés d’évaporation de la sueur et de thermorégulation. Leurs idées soutiennent la conception de mesures d’adaptation à la chaleur et des bâtiments et des espaces extérieurs plus sûrs.
La science de la transpiration n’était pas une spécialité envisagée par Rykaczewski lorsqu’il a commencé sa carrière de chercheur.
« C’est drôle parce que c’est un sujet un peu dégoûtant, mais c’est aussi fascinant. Vous pouvez passer toute votre carrière à faire des recherches hautement spécialisées qui ne intéressent qu’une vingtaine d’experts. Mais ne transpirez pas parce que tout le monde transpire. »
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