Energinis, kardiovaskulinis ir biomechaninis atsakas į bėgimo takelio greičio ir nuolydžio korekcijas

Energetika ir deguonies sąnaudos judant nuolydžiu

Vertikalaus nuolydžio keitimas ant bėgimo takelio keičia metabolinį ėjimo ir bėgimo poreikį, nes pakinta mechaninis darbas, reikalingas kūno masės centrui pakelti arba nuleisti. Bėgimo energijos sąnaudos ($C_r$) rodo teigiamą tiesinį augimą didėjant teigiamam įkalnės nuolydžiui dėl išaugusio koncentrinio raumenų darbo ir teigiamo išorinio mechaninio darbo ($W_{ext+}$) poreikio [2]. Priešingai, judėjimas nuokalne pasižymi U formos ryšiu, kur energijos sąnaudos pasiekia mažiausias vertes esant nuo -10 % iki -20 % nuolydžiui; tai lemia neigiamo išorinio darbo ($W_{ext-}$) mechaninis efektyvumas ir ekscentriniai raumenų veiksmai [2], [4].

Tiesioginė respirometrija rodo, kad bėgant lygia danga (0 % nuolydis) energijos sąnaudos išlieka maždaug 3,40 ± 0,24 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ visuose standartiniuose greičiuose [4]. Didėjant bėgimo takelio įkalnei, energijos sąnaudos sparčiai auga: bėgimas esant +5 % (0,05) nuolydžiui padidina metabolinės energijos sąnaudas ir galios poreikį maždaug 30 %, palyginti su bėgimu lygia danga [5], ir pasiekia 18,93 ± 1,74 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ esant ekstremaliam +45 % (+0,45) nuolydžiui [4]. Bėgant nuokalne, $C_r$ nukrenta iki minimalių 1,73 ± 0,36 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ esant -20 % nuolydžiui, o vėliau vėl pakyla iki 3,92 ± 0,81 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ esant -45 %, didėjant stabdymo jėgoms [4]. Ėjimo mechanika rodo panašų profilį: ėjimo lygia danga sąnaudos ($C_w$) vidutiniškai siekia 1,64 ± 0,50 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ esant 1,0 m/s greičiui, sumažėja iki minimalių 0,81 ± 0,37 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ esant -10 % nuolydžiui ir išauga iki 17,33 ± 1,11 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ esant +45 % [4]. Viršijus +15 % ir nukritus žemiau -15 % nuolydžio, matomas mechaninis efektyvumas artėja atitinkamai prie grynųjų koncentrinių ir grynųjų ekscentrinių raumenų susitraukimų teorinių ribų [4].

Vertinant mažo greičio judėjimą, ėjimas įkalne dramatiškai padidina metabolines sąnaudas nereikalaudamas didesnio greičio. Ėjimas 5 % įkalne padidina energijos sąnaudas 52 %, o 10 % nuolydis padidina metabolines sąnaudas 113 ± 32 %, palyginti su ėjimu lygia danga tokiu pačiu greičiu [1], [3].

Kardiovaskulinis ir metabolinis poslinkis esant nuolydžiui

Širdies susitraukimų dažnis ir deguonies suvartojimas ($\text{V}\text{O}2$) kyla proporcingai bėgimo takelio nuolydžiui, kad patenkintų dirbančių skeleto raumenų energetinius poreikius. Treniruotiems bėgikams, sportuojantiems 70 % greičio esant $\text{V}\text{O}{2\text{max}}$ ($v\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$), padidinus nuolydį nuo 0 % iki 7 %, $\text{V}\text{O}_2$ padidėja 6,8 ± 0,8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$, o širdies susitraukimų dažnis padidėja 12 ± 2 kirt./min, tuo tarpu nedidelis 2 % nuolydis sukelia minimalius ūmius fiziologinius pokyčius esant šiam santykiniam intensyvumui [9]. Esant įvairesniems bėgimo greičiams, bėgimas 2–7 % įkalne padidina širdies susitraukimų dažnį maždaug 10 %, palyginti su judėjimu lygiu paviršiumi [8].

Sisteminiu lygiu kiekvienas bėgimo takelio nuolydžio padidėjimas 1 % padidina deguonies suvartojimą maždaug 2,6 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ [13]. Vertinant tempo ekvivalentu, šis energetinis prieaugis atitinka apskaičiuotą maždaug 0,65 km/h greičio sumažėjimą, o tai atitinka empirines trenerių korekcijas – sulėtėjimą 12–15 sekundžių myliai kiekvienam 1 % nuolydžio padidėjimui atletams, bėgantiems 5:00–6:00 min/myliai tempu [13].

Nuolydžio pokyčiai taip pat keičia substratų oksidacijos ir maksimalaus aerobinio pajėgumo profilius. Submaksimalūs protokolai, paremti ėjimu stačia įkalne, tokie kaip „12-3-30“ protokolas (12 % nuolydis esant 3,0 mph / 1,34 m/s greičiui 30 minučių), pasižymi mažesniu energijos sąnaudų greičiu (kcal/min), ilgesne izoenerginio krūvio atlikimo trukme, didesne santykine riebalų oksidacija (%FAT) ir mažesne angliavandenių oksidacija (%CHO), palyginti su izoenerginiu laisvai pasirinkto tempo bėgimu lygia danga [1].

Maksimalaus fizinio krūvio sąlygomis nuolydžio kryptis keičia pikinį aerobinį pajėgumą ir lokalų raumenų aprūpinimą deguonimi. Maksimalaus bėgimo metu pikinis deguonies suvartojimas ($\text{V}\text{O}_{2\text{peak}}$), pasiektas bėgant stačia nuokalne (-15 %), yra 10–17 % mažesnis nei išmatuotas bėgant lyguma (0 %), vidutinio statumo įkalne (+7,5 %), stačia įkalne (+15 %) arba vidutinio statumo nuokalne (-7,5 %) [14]. Be to, neigiamas išorinis darbas sudaro tik 6 % viso mechaninio darbo esant +15 % įkalnei, tačiau išauga iki 92 % esant -15 % nuokalnei; pastaruoju atveju šoninio plataus raumens (vastus lateralis) oksigenacija išlieka žymiai didesnė dėl sumažėjusio metabolinio deguonies poreikio ekscentriškai apkrautame audinyje [14].

Energijos sąnaudų įkalnėje ir nuokalnėje biomechaniniai veiksniai

Metabolinius poslinkius, stebimus koreguojant greitį ir nuolydį, tiesiogiai lemia bėgimo žingsnio mechanikos, raumenų aktyvacijos ir sąnarių apkrovos pokyčiai [P2]. Nuolydžio lygis kartu su plekšninio raumens (soleus) ir šoninio plataus raumens (vastus lateralis) elektromiografine raumenų aktyvacija leidžia prognozuoti bendras energijos sąnaudas 96 % tikslumu [3].

Palyginti su bėgimu lygia danga, judėjimas įkalne reikalauja specifinių erdvinių-laikinių adaptacijų [P2]:

• Žingsnio dažnis ir ilgis: bėgikai trumpina skrydžio fazę ir žingsnio ilgį bei didina žingsnio dažnį, kad išlaikytų judėjimą į priekį nugalėdami gravitaciją [2], [6].
• Fazių trukmė: bėgimas įkalne sutrumpina skrydžio ir mosto fazių trukmę, kartu padidindamas atramos koeficientą („duty factor“) ir santykinį kontakto laiką, kad užtikrintų varomąją jėgą per pastovią kontakto fazę [2], [6].
• Mechaninis darbas: vidinis ir išorinis mechaninis darbas žymiai padidėja, kad nuolat keltų bėgiko kūno masės centrą [2], [6].

Priešingai, judėjimas nuokalne pailgina žingsnio ilgį ir skrydžio laiką bei sumažina žingsnio dažnį [2]. Nors nuokalnės nuolydis sumažina kardiopulmoninį krūvį, jis žymiai padidina kaulų ir raumenų sistemos smūginį stresą: ėjimas nuokalne sukelia tris kartus didesnes smūgio jėgas nei ėjimas lyguma ir po ilgesnių krūvių blogina kelio sąnario padėties jutimą [7], [8]. Priešingai, ėjimas įkalne su 5–10 % nuolydžiu sumažina kelio sąnario abdukcinį stresą kelio kremzlei, palyginti su lygia danga ir nuokalne, pasižymėdamas mažesnio sąnarių streso profiliu kartu su padidėjusiu metaboliniu poreikiu [8]. Ilgesniuose treniruočių cikluose statesnių kalvų (~7,6 % nuolydis) biomechaninių reikalavimų išnaudojimas lemia 30 m maksimalaus sprinto greičio, 800 m laiko testo rezultatų ir raumenų jėgos ištvermės pagerėjimą [6].

Matematinis modeliavimas: ACSM, Pandolf ir empiriniai apribojimai

Fizinio krūvio fiziologai naudoja prognozavimo lygtis metaboliniam greičiui ir $\text{V}\text{O}_2$ įvertinti esant įvairiems greičiams ir nuolydžiams, nors šie modeliai turi dokumentuotų apribojimų heterogeninėse populiacijose.

ACSM Metabolic Equations

Amerikos sporto medicinos koledžo (ACSM) metabolinė lygtis bėgimo deguonies suvartojimui modeliuoja bendrąjį suvartojimą nusistovėjusios būsenos krūvio metu viršijant 5,0 mph (134 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$) [13], [16]:

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

kur $S$ yra greitis $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ (1 mph = 26,8224 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$), o $G$ yra trupmeninis nuolydis (pvz., 5 % = 0,05) [13], [16]. Ėjimui ACSM modeliuoja bendrąjį $\text{V}\text{O}_2$ taip [18]:

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

priskiriant 0,1 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ horizontaliam poslinkiui vienam $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ ir 1,8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ vertikaliam kilimui [18].

Validavimo tyrimai rodo sistemines prognozavimo paklaidas taikant ACSM formules. Nustatyta, kad bėgimo lygtis konkurencingiems sportininkams vyrams per bėgimo takelio testus su nuolydžiu pervertina išmatuotą $\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$ 14,6 % [16]. Tiesinės regresijos modeliai, apimantys amžių, KMI, nuolydį ir testo trukmę, užtikrina didesnį prognozavimo tikslumą sportininkų kohortose be sisteminio pervertinimo [16]. Panašiai ir ACSM ėjimo lygtis pervertina energijos sąnaudas didėjant fizinio krūvio intensyvumui (nuo 0,44 % esant 2 mph iki 20,3 % esant maksimalioms pastangoms) [19]. 1 078 ėjimo bandymuose standartiniai prognozavimo modeliai (įskaitant ACSM ir Pandolf) parodė vidutines kvadratines paklaidas, svyruojančias nuo 7,8 % iki 23,5 % išmatuoto metabolinio greičio [20]. Šie neatitikimai iš dalies kyla iš pirminių ACSM validavimo kohortų, kurios rėmėsi labai mažomis jaunų, treniruotų vyrų imtimis ($n = 2$ iki $n = 3$) [19].

Pandolf and Load Equations

Ėjimui su apkrova ir įvairiems paviršiams Pandolf et al. formulė modeliuoja metabolines sąnaudas ($M_W$, vatais) [21]:

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

kur $W$ yra kūno masė (kg), $L$ yra išorinė apkrova (kg), $V$ yra greitis (m/s), $G$ yra procentinis nuolydis (%), o $\eta$ yra reljefo koeficientas ($\eta = 1.0$ motorizuotam bėgimo takeliui arba asfaltui) [21]. Kadangi pradinis Pandolf modelis praranda validumą nuokalnėse, Santee et al. suformulavo nuokalnės pataisos koeficientą ($CF$) [21]:

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

kur bendros metabolinės sąnaudos yra lygios pradiniam Pandolf įverčiui atėmus $CF$ [21].

Bėgimo takelio nuolydžio kalibravimas bėgimo lauke atitikimui

Bėgimas lygiu motorizuotu bėgimo takeliu esant 0 % nuolydžiui reikalauja mažesnių energijos sąnaudų nei bėgimas lauke tokiu pačiu greičiu [P1]. Bėgimas lauke reikalauja maždaug 5 % didesnių energijos sąnaudų dėl aerodinaminio pasipriešinimo ir mechaninio reikalavimo aktyviai stumtis į priekį nuo statinės dangos, palyginti su pozicijos išlaikymu ant judančio diržo [11].

Norint kompensuoti santykinio oro srauto trūkumą patalpoje, taikomos specifinės nuolydžio korekcijos, atsižvelgiant į greičio slenksčius [13]:

• Tempas lėtesnis nei 8:00/myliai (mažiau nei ~12 km/h): 0,5 % nuolydis suteikia pakankamą energetinę kompensaciją [13].
• Tempas tarp 6:30 ir 7:30/myliai (13–15 km/h): rekomenduojamas 1,0 % nuolydis, kad deguonies suvartojimas ir metabolinės sąnaudos atitiktų bėgimą lauke [11], [13].
• Tempas greitesnis nei 6:00/myliai (viršijantis ~16–18 km/h): reikalingas 1,5–2,0 % nuolydis, kad kompensuotų didelį oro pasipriešinimą, patiriamą esant didesniam greičiui lauke [13].