Energetické, kardiovaskulární a biomechanické reakce na úpravy rychlosti a sklonu běžeckého pásu

Energetika a spotřeba kyslíku při pohybu v nakloněné rovině

Změna vertikálního sklonu na běžeckém pásu mění metabolické nároky chůze a běhu úpravou mechanické práce potřebné ke zvedání či spouštění těžiště těla. Energetický výdej při běhu ($C_r$) vykazuje pozitivní lineární nárůst s rostoucím sklonem do kopce v důsledku zvýšených nároků na koncentrickou svalovou práci a pozitivní vnější mechanickou práci ($W_{ext+}$) [2]. Naopak pohyb z kopce vykazuje vztah ve tvaru písmene U, kdy energetický výdej dosahuje nejnižších hodnot při sklonu mezi -10 % a -20 %, což je způsobeno mechanickou účinností negativní vnější práce ($W_{ext-}$) a excentrickou svalovou činností [2], [4].

Přímá respirometrie ukazuje, že běh po rovině při 0% sklonu udržuje energetický výdej přibližně 3,40 ± 0,24 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ napříč standardními rychlostmi [4]. Se zvyšujícím se sklonem pásu energetický výdej prudce roste: běh při +5% (0,05) sklonu zvyšuje metabolický energetický výdej a nároky na výkon zhruba o 30 % oproti běhu po rovině [5], přičemž dosahuje 18,93 ± 1,74 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ při extrémním sklonu +45 % (+0,45) [4]. Při běhu z kopce klesá $C_r$ na minimum 1,73 ± 0,36 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ při -20% sklonu, než opět vzroste na 3,92 ± 0,81 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ při -45 % kvůli narůstajícím brzdným silám [4]. Mechanika chůze vykazuje paralelní profil: výdej při chůzi po rovině ($C_w$) činí v průměru 1,64 ± 0,50 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ při 1,0 m/s, klesá na minimum 0,81 ± 0,37 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ při sklonu -10 % a stoupá na 17,33 ± 1,11 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ při +45 % [4]. Nad sklonem +15 % a pod -15 % konverguje zdánlivá mechanická účinnost k teoretickým limitům čistě koncentrických, respektive čistě excentrických svalových kontrakcí [4].

Při hodnocení pohybu nízkou rychlostí chůze do kopce dramaticky zvyšuje metabolický výdej, aniž by vyžadovala vyšší rychlost. Chůze do kopce při 5% sklonu zvyšuje energetický výdej o 52 %, zatímco 10% sklon zvyšuje metabolický výdej o 113 ± 32 % ve srovnání s chůzí po rovině při stejné rychlosti [1], [3].

Kardiovaskulární a metabolický posun při běhu do kopce

Tepová frekvence a spotřeba kyslíku ($\text{V}\text{O}2$) stoupají úměrně se sklonem běžeckého pásu, aby pokryly energetické nároky pracujícího kosterního svalstva. U trénovaných běžců cvičících při 70 % rychlosti na úrovni $\text{V}\text{O}{2\text{max}}$ ($v\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$) vede zvýšení sklonu z 0 % na 7 % k nárůstu $\text{V}\text{O}_2$ o 6,8 ± 0,8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ a zvýšení tepové frekvence o 12 ± 2 tepů za minutu, zatímco mírný 2% sklon vyvolává při této relativní intenzitě minimální akutní fyziologické změny [9]. V širším spektru běžeckých rychlostí zvyšuje běh se sklonem mezi 2 % a 7 % tepovou frekvenci přibližně o 10 % ve srovnání s pohybem po rovině [8].

Na systémové úrovni zvyšuje každé 1% navýšení sklonu běžeckého pásu spotřebu kyslíku přibližně o 2,6 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ [13]. Z hlediska tempa tento energetický nárůst odpovídá odhadovanému snížení rychlosti zhruba o 0,65 km/h, což odpovídá empirickým trenérským doporučením zpomalit o 12–15 sekund na míli na každé 1 % nárůstu sklonu pro sportovce běžící v tempu 5:00–6:00 min/míli [13].

Změny sklonu také posouvají charakteristiku oxidace substrátů a maximální aerobní kapacitu. Submaximální protokoly založené na chůzi do strmého kopce, jako je protokol 12-3-30 (sklon 12 % při rychlosti 3,0 mph / 1,34 m/s po dobu 30 minut), vykazují nižší rychlost energetického výdeje (kcal/min), delší čas potřebný k dokončení izoenergetické zátěže, vyšší poměrnou oxidaci tuků (%FAT) a nižší oxidaci sacharidů (%CHO) ve srovnání s izoenergetickým během po rovině vlastním tempem [1].

Při maximálním zatížení mění orientace sklonu vrcholovou aerobní kapacitu i lokální svalovou oxygenaci. Během maximálních běžeckých úseků je vrcholová spotřeba kyslíku ($\text{V}\text{O}_{2\text{peak}}$) dosažená při strmém běhu z kopce (-15 %) o 10 % až 17 % nižší než při běhu po rovině (0 %), mírném stoupání (+7,5 %), strmém stoupání (+15 %) nebo mírném klesání (-7,5 %) [14]. Negativní vnější práce navíc tvoří pouze 6 % celkové mechanické práce při stoupání +15 %, ale při klesání -15 % narůstá na 92 %, přičemž oxygenace svalu vastus lateralis zůstává výrazně vyšší kvůli snížené metabolické spotřebě kyslíku v excentricky zatěžované tkáni [14].

Biomechanické determinanty energetického výdeje při běhu do kopce a z kopce

Metabolické posuny pozorované při úpravách rychlosti a sklonu jsou přímo řízeny změnami v mechanice kroku, svalové aktivaci a kloubním zatížení [P2]. Úroveň sklonu v kombinaci s elektromyografickou aktivací svalů soleus a vastus lateralis předpovídá celkový energetický výdej s přesností 96 % [3].

Ve srovnání s během po rovině vyžaduje pohyb do kopce specifické časoprostorové adaptace [P2]:

• Frekvence a délka kroku: Běžci zkracují letovou fázi a délku kroku a zároveň zvyšují frekvenci kroků, aby udrželi dopředný pohyb proti gravitaci [2], [6].
• Trvání fází: Běh do kopce zkracuje trvání letové i švihové fáze a zároveň zvyšuje duty factor a relativní dobu kontaktu, aby zajistil propulzi během konstantní kontaktní fáze [2], [6].
• Mechanická práce: Vnitřní i vnější mechanická práce se výrazně zvyšuje, aby neustále zvedala těžiště běžce [2], [6].

Naopak pohyb z kopce prodlužuje délku kroku i letovou fázi a snižuje frekvenci kroků [2]. Ačkoli klesající sklon snižuje kardiopulmonální zátěž, výrazně zvyšuje nárazový stres na pohybový aparát: chůze z kopce generuje třikrát vyšší nárazové síly než chůze po rovině a po delších úsecích zhoršuje polohocit (propriocepci) kolenního kloubu [7], [8]. Naproti tomu chůze do kopce při sklonu 5–10 % snižuje abdukční stres na chrupavku kolenního kloubu ve srovnání s rovinou a klesáním, což přináší profil nižšího kloubního stresu při současně zvýšeném metabolickém výdeji [8]. V delších tréninkových blocích vede využití biomechanických nároků strmějších kopců (~7,6% sklon) ke zlepšení maximální sprinterské rychlosti na 30 m, výkonu v časovce na 800 m a silové vytrvalosti svalů [6].

Matematické modelování: ACSM, Pandolf a empirická omezení

Fyziologové využívají prediktivní rovnice k odhadu metabolického výdeje a $\text{V}\text{O}_2$ při různých rychlostech a sklonech, i když tyto modely mají zdokumentovaná omezení napříč heterogenními populacemi.

Metabolické rovnice ACSM

Metabolická rovnice American College of Sports Medicine (ACSM) pro spotřebu kyslíku při běhu modeluje celkový příjem během cvičení v ustáleném stavu při rychlostech nad 5,0 mph (134 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$) [13], [16]:

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

kde $S$ je rychlost v $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ (1 mph = 26,8224 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$) a $G$ je sklon vyjádřený desetinným číslem (např. 5 % = 0,05) [13], [16]. Pro chůzi ACSM modeluje celkovou $\text{V}\text{O}_2$ jako [18]:

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

přičemž přiřazuje 0,1 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ horizontálnímu posunu na $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ a 1,8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ vertikálnímu stoupání [18].

Validační studie poukazují na systematické chyby predikce u vzorců ACSM. Běžecká rovnice nadhodnocuje naměřenou hodnotu $\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$ o 14,6 % u výkonnostních sportovců (mužů) během stupňovaných testů na běžeckém pásu [16]. Lineární regresní modely zahrnující věk, BMI, sklon a dobu trvání testu poskytují u atletických kohort vyšší prediktivní přesnost bez systematického nadhodnocování [16]. Podobně rovnice ACSM pro chůzi nadhodnocuje energetický výdej napříč rostoucími intenzitami cvičení (od 0,44 % při 2 mph až po 20,3 % při maximálním úsilí) [19]. V 1 078 testech chůze vykazovaly standardní predikční modely (včetně ACSM a Pandolfa) střední kvadratickou chybu (RMSE) v rozmezí 7,8 % až 23,5 % naměřeného metabolického výdeje [20]. Tyto nesrovnalosti částečně pramení z původních validačních kohort ACSM, které stavěly na velmi malých vzorcích ($n = 2$ až $n = 3$) mladých, trénovaných mužů [19].

Pandolfovy rovnice a zatížení

Pro chůzi se zátěží a na různých površích modeluje vzorec podle Pandolfa et al. metabolický výdej ($M_W$, ve wattech) [21]:

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

kde $W$ je tělesná hmotnost (kg), $L$ je externí zátěž (kg), $V$ je rychlost (m/s), $G$ je sklon v procentech (%) a $\eta$ je faktor terénu ($\eta = 1,0$ pro motorizovaný běžecký pás nebo asfalt) [21]. Protože původní Pandolfův model ztrácí platnost při klesání, formulovali Santee et al. korekční faktor pro běh z kopce ($CF$) [21]:

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

kde celkový metabolický výdej odpovídá původnímu odhadu podle Pandolfa po odečtení $CF$ [21].

Kalibrace sklonu běžeckého pásu pro ekvivalenci s venkovním během

Běh na rovném motorizovaném běžeckém pásu při 0% sklonu vyžaduje nižší energetický výdej než běh venku při stejné rychlosti [P1]. Běh venku vyžaduje přibližně o 5 % vyšší energetický výdej kvůli aerodynamickému odporu a mechanickému požadavku na aktivní dopředný pohyb po statickém povrchu oproti udržování pozice na motorizovaném pásu [11].

Aby se kompenzovala absence relativního proudění vzduchu v interiéru, aplikují se specifické úpravy sklonu podle prahových rychlostí [13]:

• Tempa pomalejší než 8:00/míli (pod ~12 km/h): Sklon 0,5 % poskytuje adekvátní energetickou kompenzaci [13].
• Tempa mezi 6:30 a 7:30/míli (13–15 km/h): Doporučuje se sklon 1,0 % pro vyrovnání spotřeby kyslíku a metabolického výdeje s během venku [11], [13].
• Tempa rychlejší než 6:00/míli (nad ~16–18 km/h): Je vyžadován sklon 1,5 % až 2,0 %, aby se kompenzoval výrazný odpor vzduchu při vyšších rychlostech venku [13].