Енергийни, сърдечносъдови и биомеханични реакции при промени в скоростта и наклона на бягаща пътека

Енергетика и кислороден разход при движение под наклон

Промяната на вертикалния наклон на бягащата пътека променя метаболитните изисквания при ходене и бягане чрез изменение на механичната работа, необходима за издигане или спускане на центъра на масата. Енергийният разход при бягане ($C_r$) показва положително линейно увеличение при положителен наклон на изкачване поради повишената необходимост от концентрична мускулна работа и положителна външна механична работа ($W_{ext+}$) [2]. Обратно, движението при спускане въвежда U-образна зависимост, при която енергийният разход достига най-ниските си стойности между -10% и -20% наклон, обусловено от механичната ефективност на отрицателната външна работа ($W_{ext-}$) и ексцентричните мускулни действия [2], [4].

Директната респирометрия показва, че бягането на равен терен при наклон 0% поддържа енергиен разход от приблизително 3.40 ± 0.24 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при стандартни скорости [4]. С увеличаването на наклона на бягащата пътека енергийният разход нараства бързо: бягането при наклон от +5% (0.05) повишава метаболитния енергиен разход и разхода на мощност с приблизително 30% спрямо бягането на равен терен [5], достигайки 18.93 ± 1.74 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при екстремен наклон от +45% (+0.45) [4]. При бягане надолу $C_r$ спада до минимум от 1.73 ± 0.36 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при -20% наклон, преди да се покачи отново до 3.92 ± 0.81 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при -45% с нарастването на спирачните сили [4]. Биомеханиката на ходене показва аналогичен профил: разходът при ходене на равен терен ($C_w$) е средно 1.64 ± 0.50 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при 1.0 m/s, спадайки до минимум от 0.81 ± 0.37 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при наклон от -10% и ескалирайки до 17.33 ± 1.11 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при +45% [4]. Над +15% и под -15% наклон видимата механична ефективност се доближава съответно до теоретичните граници на чисто концентричните и чисто ексцентричните мускулни съкращения [4].

При оценка на движението с ниска скорост, ходенето под наклон драстично увеличава метаболитния разход, без да изисква по-висока скорост. Ходенето под наклон от 5% повишава енергоразхода с 52%, докато наклон от 10% увеличава метаболитния разход със 113 ± 32% спрямо ходенето по равна повърхност при еквивалентна скорост [1], [3].

Сърдечносъдово и метаболитно пренастройване при наклон

Сърдечната честота и консумацията на кислород ($\text{V}\text{O}2$) нарастват пропорционално с наклона на бягащата пътека, за да поддържат енергийните нужди на работещите скелетни мускули. При тренирани бегачи, трениращи при 70% от скоростта при $\text{V}\text{O}{2\text{max}}$ ($v\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$), увеличаването на наклона от 0% до 7% води до увеличение на $\text{V}\text{O}_2$ с 6.8 ± 0.8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ и повишава сърдечната честота с 12 ± 2 удара в минута, докато малък наклон от 2% предизвиква минимална остра физиологична промяна при тази относителна интензивност [9]. В по-широк диапазон от скорости бягането под наклон между 2% и 7% повишава сърдечната честота с приблизително 10% в сравнение с движението по равна повърхност [8].

На системно ниво всяко увеличение на наклона с 1% повишава приема на кислород с приблизително 2.6 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ [13]. По отношение на еквивалентността на темпото това енергийно увеличение съответства на прогнозирано намаляване на скоростта с приблизително 0.65 km/h, което съвпада с емпиричните треньорски корекции за забавяне с 12–15 секунди на миля за всеки 1% наклон при атлети, бягащи с темпо 5:00–6:00 мин/миля [13].

Промените в наклона влияят и на профилите на окисление на субстратите и максималния аеробен капацитет. Субмаксимални протоколи, базирани на ходене при стръмен наклон, като протокола 12-3-30 (12% наклон при 3.0 mph / 1.34 m/s за 30 минути), показват по-нисък темп на енергоразход (kcal/min), по-дълго време за изпълнение на изоенергийно натоварване, по-висок дял на окисление на мазнини (%FAT) и по-ниско окисление на въглехидрати (%CHO) в сравнение с изоенергийно бягане на равен терен със свободно избрано темпо [1].

При условия на максимално натоварване посоката на наклона променя пиковия аеробен капацитет и локалната мускулна оксигенация. По време на серии с максимално бягане пиковият прием на кислород ($\text{V}\text{O}_{2\text{peak}}$), достигнат при стръмно спускане (-15%), е с 10% до 17% по-нисък от измерения при равен терен (0%), умерен наклон нагоре (+7.5%), стръмен наклон нагоре (+15%) или умерено спускане (-7.5%) [14]. Освен това отрицателната външна работа представлява едва 6% от общата механична работа при наклон от +15% нагоре, но нараства до 92% при спускане от -15%, по време на което оксигенацията на мускула vastus lateralis остава значително по-висока поради намаленото метаболитно търсене на кислород в ексцентрично натоварената тъкан [14].

Биомеханични детерминанти на енергийния разход при изкачване и спускане

Метаболитните промени, наблюдавани при корекции на скоростта и наклона, се управляват пряко от измененията в механиката на походката, мускулната активация и натоварването на ставите [P2]. Нивото на наклон, комбинирано с електромиографската мускулна активация на soleus и vastus lateralis, прогнозира общия енергоразход с 96% точност [3].

В сравнение с бягането по равен терен, движението нагоре изисква специфични пространствено-времеви адаптации [P2]:

• Честота и дължина на крачката: Бегачите намаляват фазата на летеж и дължината на крачката, като същевременно увеличават честотата на крачките, за да поддържат движението напред срещу гравитацията [2], [6].
• Продължителност на фазите: Бягането нагоре съкращава продължителността на фазите на летеж и размах, като същевременно увеличава коефициента на натоварване (duty factor) и относителното време на контакт за генериране на тяга [2], [6].
• Механична работа: Вътрешната и външната механична работа се увеличават значително за непрекъснатото издигане на центъра на масата на бегача [2], [6].

Обратно, движението надолу увеличава дължината на крачката и фазата на летеж, като същевременно намалява честотата на крачките [2]. Въпреки че наклоните надолу намаляват кардиопулмоналното натоварване, те значително увеличават ударния стрес върху мускулно-скелетната система: ходенето надолу генерира ударни сили, три пъти по-големи от тези при ходене по равен терен, и нарушава позиционния усет на колянната става след продължителни серии [7], [8]. За разлика от това ходенето нагоре при наклон от 5–10% намалява абдукционния стрес върху хрущяла на колянната става спрямо равни и низходящи наклони, предлагайки профил с по-ниско ставно натоварване наред с повишени метаболитни изисквания [8]. При продължителни тренировъчни цикли използването на биомеханичните изисквания на по-стръмни наклони (~7.6% наклон) води до подобрения в максималната скорост при спринт на 30 m, резултата в бягането на 800 m и мускулната силова издръжливост [6].

Математическо моделиране: ACSM, Pandolf и емпирични ограничения

Спортните физиолози използват прогнозни уравнения за оценка на метаболитната скорост и $\text{V}\text{O}_2$ при различни скорости и наклони, въпреки че тези модели имат документирани ограничения при хетерогенни популации.

Метаболитни уравнения на ACSM

Метаболитното уравнение на Американския колеж по спортна медицина (ACSM) за кислородната консумация при бягане моделира брутния прием по време на устойчиво натоварване над 5.0 mph (134 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$) [13], [16]:

$$\text{V}\text{O}_2\text{ (mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}\text{)} = (0.2 \cdot S) + (0.9 \cdot S \cdot G) + 3.5$$

където $S$ е скоростта в $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ (1 mph = 26.8224 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$), а $G$ е наклонът като дробно число (напр. 5% = 0.05) [13], [16]. За ходене ACSM моделира брутния $\text{V}\text{O}_2$ като [18]:

$$\text{V}\text{O}_2\text{ (mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}\text{)} = (0.1 \cdot S) + (1.8 \cdot S \cdot G) + 3.5$$

като се разпределят 0.1 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ за хоризонтално преместване на всеки $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ и 1.8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ за вертикално изкачване [18].

Проучванията за валидност показват систематични грешки в прогнозирането при формулите на ACSM. Установено е, че уравнението за бягане надценява измерения $\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$ с 14.6% при състезатели мъже по време на стрес тест с наклон на бягаща пътека [16]. Линейните регресионни модели, включващи възраст, ИТМ, наклон и продължителност на теста, осигуряват по-висока точност на прогнозиране при спортни кохорти без систематично надценяване [16]. По подобен начин уравнението на ACSM за ходене надценява енергоразхода при нарастваща интензивност на упражнението (от 0.44% при 2 mph до 20.3% при максимално усилие) [19]. При 1078 изпитвания на ходене стандартните прогнозни модели (включително ACSM и Pandolf) показват средноквадратична грешка в диапазона от 7.8% до 23.5% от измерения метаболитен темп [20]. Тези несъответствия произтичат отчасти от първоначалните валидационни кохорти на ACSM, които са разчитали на много малки извадки ($n = 2$ до $n = 3$) от млади, тренирани мъже [19].

Уравнения на Pandolf и моделиране на натоварване с допълнителна тежест

За ходене с допълнителен товар и различни повърхности формулата на Pandolf et al. моделира метаболитния разход ($M_W$, във ватове) [21]:

$$M_W = 1.5W + 2.0(W + L)\left(\frac{L}{W}\right)^2 + \eta(W + L)(1.5V^2 + 0.35VG)$$

където $W$ е телесната маса (kg), $L$ е външният товар (kg), $V$ е скоростта (m/s), $G$ е процентният наклон (%), а $\eta$ е факторът на терена ($\eta = 1.0$ за моторна бягаща пътека или асфалт) [21]. Тъй като оригиналният модел на Pandolf губи валидност при наклони надолу, Santee et al. формулират корекционен фактор за спускане ($CF$) [21]:

$$CF = \eta \left[ \frac{G(W + L)V}{3.5} - \frac{(W + L)(G + 6)^2}{W} + 25V^2 \right]$$

където общият метаболитен разход е равен на първоначалната оценка по Pandolf минус $CF$ [21].

Калибриране на наклона на бягащата пътека за еквивалентност с бягане на открито

Бягането върху равна моторна бягаща пътека при наклон 0% изисква по-малък енергиен разход от бягането на открито при идентична скорост [P1]. Бягането на открито изисква приблизително 5% по-голям енергоразход поради аеродинамичното съпротивление и механичната необходимост от активно придвижване напред върху статична настилка, за разлика от поддържането на позиция върху движеща се лента [11].

За да се компенсира липсата на насрещен въздушен поток на закрито, се прилагат специфични корекции на наклона въз основа на прагове на скоростта [13]:

• Темпо, по-бавно от 8:00 мин/миля (под ~12 km/h): Наклон от 0.5% осигурява адекватна енергийна компенсация [13].
• Темпо между 6:30 и 7:30 мин/миля (13–15 km/h): Препоръчва се наклон от 1.0%, за да се изравнят кислородната консумация и метаболитният разход с тези при бягане на открито [11], [13].
• Темпо, по-бързо от 6:00 мин/миля (над ~16–18 km/h): Необходим е наклон от 1.5% до 2.0%, за да се компенсира значителното въздушно съпротивление при по-високи скорости на открито [13].