Jooksulindi kiiruse ja kalde kohandamise energeetilised, kardiovaskulaarsed ning biomehaanilised vastused

Kaldel liikumise energeetika ja hapnikukulu

Jooksulindi vertikaalse kalde muutmine muudab kõndimise ja jooksmise metaboolset nõudlust, muutes raskuskeskme tõstmiseks või langetamiseks vajalikku mehaanilist tööd. Jooksmise energiakulu ($C_r$) suureneb tõusva kalde korral lineaarselt, mis on tingitud suurenenud vajadusest kontsentrilise lihastöö ja positiivse välise mehaanilise töö ($W_{ext+}$) järele [2]. Seevastu allamäge liikumine tekitab U-kujulise seose, kus energiakulu saavutab madalaimad väärtused -10% ja -20% kalde vahel, mida juhib negatiivse välise töö ($W_{ext-}$) ja ekstsentrilise lihastegevuse mehaaniline efektiivsus [2], [4].

Otsene respiromeetria näitab, et 0% kaldega tasasel pinnal jooksmise energiakulu on standardsete kiiruste juures ligikaudu 3,40 ± 0,24 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ [4]. Jooksulindi kalde tõustes kasvab energiakulu kiiresti: +5% (0,05) kaldega jooksmine suurendab metaboolset energiakulu ja võimsusvajadust tasasel pinnal jooksmisega võrreldes umbes 30% [5], ulatudes äärmusliku +45% (+0,45) kalde juures väärtuseni 18,93 ± 1,74 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ [4]. Allamäge jooksmisel langeb $C_r$ miinimumini 1,73 ± 0,36 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ kalde -20% juures, enne kui tõuseb pidurdusjõudude suurenemisel -45% kalde juures tagasi väärtuseni 3,92 ± 0,81 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ [4]. Kõnnimehaanika näitab paralleelset profiili: tasasel pinnal kõndimise kulu ($C_w$) kiirusel 1,0 m/s on keskmiselt 1,64 ± 0,50 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$, langedes kalde -10% juures miinimumini 0,81 ± 0,37 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ ja tõustes +45% kalde juures väärtuseni 17,33 ± 1,11 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ [4]. Üle +15% ja alla -15% kallete puhul koonduvad näilised mehaanilised efektiivsused vastavalt puhta kontsentrilise ja puhta ekstsentrilise lihaskontraktsiooni teoreetiliste piiride poole [4].

Madalal kiirusel liikumise hindamisel võimendab kaldel kõndimine metaboolset kulu dramaatiliselt ilma kiiruse tõstmise vajaduseta. 5% kaldega kõndimine suurendab energiakulu 52%, samas kui 10% kalle suurendab metaboolset kulu sama kiirusega tasasel pinnal kõndimisega võrreldes 113 ± 32% [1], [3].

Kardiovaskulaarne ja metaboolne nihe kaldel liikumisel

Südame löögisagedus ja hapnikutarbimine ($\text{V}\text{O}2$) tõusevad võrdeliselt jooksulindi kaldega, et rahuldada töötavate skeletilihaste energiavajadust. Treenitud jooksjatel, kes harjutavad intensiivsusega 70% kiirusest $\text{V}\text{O}{2\text{max}}$ juures ($v\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$), toob kalde tõstmine 0%-lt 7%-le kaasa $\text{V}\text{O}_2$ suurenemise 6,8 ± 0,8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ võrra ja tõstab südame löögisagedust 12 ± 2 lööki minutis, samas kui väike 2% kalle põhjustab sellel suhtelisel intensiivsusel minimaalset ägedat füsioloogilist muutust [9]. Laiemas jooksukiiruste vahemikus tõstab 2% kuni 7% kaldega jooksmine südame löögisagedust tasasel pinnal liikumisega võrreldes ligikaudu 10% [8].

Süsteemsel tasandil suurendab iga 1% jooksulindi kalde tõusu hapnikutarbimist ligikaudu 2,6 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ võrra [13]. Tempo ekvivalendi mõttes vastab see energialisand hinnanguliselt ligikaudu 0,65 km/h kiiruse vähendamisele, mis sobitub treenerite empiirilise soovitusega aeglustada tempot 12–15 sekundit miili kohta iga 1% kalde suurenemise korral sportlastel, kes jooksevad tempos 5:00–6:00 min/miil [13].

Kalde muutused nihutavad ka substraatide oksüdatsiooni ja maksimaalse aeroobse võimekuse profiile. Submaksimaalsed protokollid, mis põhinevad järsul kaldel kõndimisel, näiteks 12-3-30 protokoll (12% kalle kiirusel 3,0 mph / 1,34 m/s 30 minutit), näitavad madalamat energiakulu määra (kcal/min), pikemat aega isoenergeetilise koormuse sooritamiseks, proportsionaalselt suuremat rasvade oksüdatsiooni (%FAT) ja väiksemat süsivesikute oksüdatsiooni (%CHO) võrreldes isoenergeetilise vabas tempos tasasel pinnal jooksmisega [1].

Maksimaalse koormuse tingimustes muudab kalde suund aeroobset tippvõimekust ja lokaalset lihaste hapnikuga varustatust. Maksimaalsete jooksulõikude ajal on järsul allamäge kaldel (-15%) saavutatud maksimaalne hapnikutarbimine ($\text{V}\text{O}_{2\text{peak}}$) 10% kuni 17% madalam kui tasasel (0%), mõõdukal tõusul (+7,5%), järsul tõusul (+15%) või mõõdukal laskumisel (-7,5%) mõõdetu [14]. Lisaks moodustab negatiivne väline töö +15% tõusul vaid 6% kogu mehaanilisest tööst, kuid kasvab -15% laskumisel 92%-ni, mille vältel reie külgmise lailihase (vastus lateralis) hapnikuga varustatus püsib oluliselt kõrgem ekstsentriliselt koormatud koe vähenenud metaboolse hapnikunõudluse tõttu [14].

Ülesmäge ja allamäge energiakulu biomehaanilised tegurid

Kiiruse ja kalde kohandamisega kaasnevaid metaboolseid nihkeid juhivad otseselt muutused sammumehaanikas, lihasaktivatsioonis ja liigeskoormuses [P2]. Kaldenurk kombineerituna lesta-sääreluulihase (soleus) ja reie külgmise lailihase (vastus lateralis) elektromüograafilise aktivatsiooniga ennustab kogu energiakulu 96% täpsusega [3].

Võrreldes tasasel pinnal jooksmisega nõuab ülesmäge liikumine spetsiifilisi ruumilis-ajalisi kohandusi [P2]:

• Sammusagedus ja -pikkus: Jooksjad vähendavad lennuaega ja sammu pikkust, suurendades samal ajal sammusagedust, et säilitada gravitatsiooni vastu edasiliikumist [2], [6].
• Faaside kestused: Ülesmäge jooksmine lühendab lennu- ja hoofaasi kestust, suurendades samal ajal toetusfaktorit ja suhtelist kontakteaega, et tagada edasitõuge püsiva kontaktifaasi vältel [2], [6].
• Mehaaniline töö: Sisemine ja väline mehaaniline töö suurenevad oluliselt, et jooksja raskuskeset pidevalt tõsta [2], [6].

Seevastu allamäge liikumine pikendab sammu pikkust ja lennuaega, vähendades sammusagedust [2]. Kuigi allamäge kalle vähendab kardiopulmonaalset koormust, võimendab see märgatavalt luu- ja lihaskonna löögikoormust: allamäge kõndimine tekitab kolm korda suuremaid löögijõude kui tasasel pinnal kõndimine ning halvendab pikemate soorituste järel põlveliigese asenditunnetust [7], [8]. Seevastu ülesmäge kõndimine 5–10% kaldel vähendab tasase ja allamäge kaldega võrreldes põlveliigese abduktsioonipinget põlvekõhredele, pakkudes väiksema liigeskoormuse profiili koos suurenenud metaboolse nõudlusega [8]. Pikemate treeninguperioodide jooksul annab järsemate tõusude (~7,6% kalle) biomehaaniliste nõudmiste rakendamine tulemuseks paranenud 30 m maksimaalse sprindikiiruse, 800 m temposõidu/jooksu soorituse ja lihasjõu vastupidavuse [6].

Matemaatiline modelleerimine: ACSM, Pandolf ja empiirilised piirangud

Koormusfüsioloogid kasutavad ennustusvalemeid ainevahetuse kiiruse ja $\text{V}\text{O}_2$ hindamiseks erinevatel kiirustel ja kalletel, kuigi neil mudelitel on heterogeensetes populatsioonides dokumenteeritud piirangud.

ACSM-i metaboolsed võrrandid

Ameerika Spordimeditsiini Kolleegiumi (ACSM) metaboolne võrrand jooksmise hapnikutarbimise kohta modelleerib kogutarbimist püsiseisundi koormusel kiirusel üle 5,0 mph (134 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$) [13], [16]:

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

kus $S$ on kiirus ühikutes $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ (1 mph = 26,8224 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$) ja $G$ on murdarvuline kalle (nt 5% = 0,05) [13], [16]. Kõndimise puhul modelleerib ACSM kogu-$\text{V}\text{O}_2$ järgmiselt [18]:

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

omistades 0,1 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ horisontaalsele nihkumisele $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ kohta ja 1,8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ vertikaalsele tõusule [18].

Valideerimisuuringud näitavad ACSM-i valemite puhul süstemaatilisi ennustusvigu. On näidatud, et jooksuvõrrand ülehindab võistlussportlastest meestel koormustestil jooksulindil mõõdetud $\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$-i 14,6% võrra [16]. Lineaarsed regressioonimudelid, mis hõlmavad vanust, KMI-d, kallet ja testi kestust, tagavad sportlaste kohortides suurema ennustustäpsuse ilma süstemaatilise ülehindamiseta [16]. Samamoodi ülehindab ACSM-i kõnnivõrrand energiakulu koormuse intensiivsuse kasvades (alates 0,44%-st kiirusel 2 mph kuni 20,3%-ni maksimaalse pingutuse juures) [19]. 1078 kõndimiskatse lõikes näitasid standardsed ennustusmudelid (sealhulgas ACSM ja Pandolf) ruutkeskmisi vigu vahemikus 7,8% kuni 23,5% mõõdetud ainevahetuse kiirusest [20]. Need lahknevused tulenevad osaliselt ACSM-i esialgsetest valideerimiskohortidest, mis tuginesid väga väikestele noorte treenitud meeste valimitele ($n = 2$ kuni $n = 3$) [19].

Pandolfi ja koormuse võrrandid

Lisakoormusega kõndimisel ja erinevatel pinnastel modelleerib Pandolfi jt valem metaboolset kulu ($M_W$, vattides) [21]:

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

kus $W$ on kehakaal (kg), $L$ on väline koormus (kg), $V$ on kiirus (m/s), $G$ on kalde protsent (%) ja $\eta$ on maastikutegur ($\eta = 1,0$ mootoriga jooksulindi või asfaldi puhul) [21]. Kuna esialgne Pandolfi mudel kaotab laskumistel kehtivuse, koostasid Santee jt allamäge korrektsiooniteguri ($CF$) [21]:

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

kus kogu metaboolne kulu võrdub esialgse Pandolfi hinnanguga, millest on lahutatud $CF$ [21].

Jooksulindi kalde kalibreerimine maapinnal jooksmisega samaväärsuse saavutamiseks

Tasasel mootoriga jooksulindil 0% kaldega jooksmine nõuab vähem energiat kui maapinnal samal kiirusel jooksmine [P1]. Välitingimustes jooksmine nõuab ligikaudu 5% suuremat energiakulu aerodünaamilise takistuse ning mehaanilise nõude tõttu aktiivselt staatilisel maapinnal edasi tõugata, võrreldes mootoriga lindi peal paigal püsimisega [11].

Siseruumides suhtelise õhuvoolu puudumise kompenseerimiseks rakendatakse kiiruslävedest lähtuvaid spetsiifilisi kalde kohandusi [13]:

• Tempod aeglasemad kui 8:00/miil (alla ~12 km/h): 0,5% kalle tagab piisava energeetilise kompensatsiooni [13].
• Tempod vahemikus 6:30 kuni 7:30/miil (13–15 km/h): Soovitatav on 1,0% kalle, et viia hapnikutarbimine ja metaboolne kulu vastavusse välitingimustes jooksmisega [11], [13].
• Tempod kiiremad kui 6:00/miil (üle ~16–18 km/h): Vaja on 1,5% kuni 2,0% kallet, et kompenseerida suurematel välikiirustel tekkivat märkimisväärset õhutakistust [13].