Enerģētiskās, kardiovaskulārās un biomehāniskās reakcijas uz skrejceliņa ātruma un slīpuma izmaiņām

Slīpas pārvietošanās enerģētika un skābekļa patēriņš

Vertikālā slīpuma maiņa uz skrejceliņa maina iešanas un skriešanas metabolisko pieprasījumu, mainot mehānisko darbu, kas nepieciešams smaguma centra pacelšanai vai nolaišanai. Skriešanas enerģētiskās izmaksas ($C_r$) uzrāda pozitīvu lineāru pieaugumu pie pozitīva slīpuma augšup, ko nosaka palielināta nepieciešamība pēc koncentriska muskuļu darba un pozitīva ārējā mehāniskā darba ($W_{ext+}$) [2]. Turpretī pārvietošanās lejup rada U veida sakarību, kur enerģijas patēriņš sasniedz zemākās vērtības starp -10% un -20% slīpumu, ko virza negatīvā ārējā darba ($W_{ext-}$) mehāniskā efektivitāte un ekscentriskās muskuļu darbības [2], [4].

Tiešā respirometrija parāda, ka, skrienot pa horizontālu virsmu ar 0% slīpumu standarta ātrumos, enerģijas patēriņš saglabājas aptuveni 3,40 ± 0,24 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ līmenī [4]. Skrejceliņa slīpumam kļūstot stāvākam, enerģijas patēriņš strauji pieaug: skriešana ar +5% (0,05) slīpumu palielina metabolisko enerģijas patēriņu un jaudas pieprasījumu par aptuveni 30%, salīdzinot ar skriešanu pa horizontālu virsmu [5], sasniedzot 18,93 ± 1,74 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pie ekstrēma +45% (+0,45) slīpuma [4]. Skrienot lejup, $C_r$ samazinās līdz minimumam 1,73 ± 0,36 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pie -20% slīpuma, bet pēc tam atkal pieaug līdz 3,92 ± 0,81 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pie -45%, palielinoties bremzēšanas spēkiem [4]. Soļošanas mehānikai ir analoģisks profils: soļošanas enerģijas patēriņš pa horizontālu virsmu ($C_w$) pie 1,0 m/s ir vidēji 1,64 ± 0,50 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$, samazinās līdz minimumam 0,81 ± 0,37 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pie -10% slīpuma un pieaug līdz 17,33 ± 1,11 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pie +45% [4]. Virs +15% un zem -15% slīpuma šķietamā mehāniskā efektivitāte konverģē attiecīgi pret tīru koncentrisku un tīru ekscentrisku muskuļu kontrakciju teorētiskajām robežām [4].

Novērtējot zema ātruma lokomociju, iešana slīpumā dramatiski palielina metabolisko patēriņu bez nepieciešamības palielināt ātrumu. Soļošana 5% slīpumā palielina enerģijas patēriņu par 52%, savukārt 10% slīpums palielina metabolisko patēriņu par 113 ± 32%, salīdzinot ar soļošanu pa horizontālu virsmu līdzvērtīgā ātrumā [1], [3].

Kardiovaskulārās un metaboliskās izmaiņas slīpumā

Sirdsdarbības ātrums un skābekļa patēriņš ($\text{V}\text{O}2$) pieaug proporcionāli skrejceliņa slīpumam, lai nodrošinātu strādājošo skeleta muskuļu enerģētiskās vajadzības. Trenētiem skrējējiem, veicot slodzi ar 70% no ātruma pie $\text{V}\text{O}{2\text{max}}$ ($v\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$), palielinot slīpumu no 0% līdz 7%, $\text{V}\text{O}_2$ palielinās par 6,8 ± 0,8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ un sirdsdarbības ātrums pieaug par 12 ± 2 sitieniem minūtē, turpretī neliels 2% slīpums šādā relatīvā intensitātē rada minimālas akūtas fizioloģiskas izmaiņas [9]. Plašākā skriešanas ātrumu diapazonā skriešana slīpumā no 2% līdz 7% paaugstina sirdsdarbības ātrumu par aptuveni 10%, salīdzinot ar pārvietošanos pa horizontālu virsmu [8].

Sistēmiskā līmenī katrs skrejceliņa slīpuma pieaugums par 1% palielina skābekļa patēriņu par aptuveni 2,6 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ [13]. Runājot par tempa ekvivalenci, šis enerģētiskais pieaugums atbilst aprēķinātajam ātruma samazinājumam par aptuveni 0,65 km/h, kas saskan ar empīriskajām treneru korekcijām — tempa palēnināšanos par 12–15 sekundēm uz jūdzi uz katru 1% slīpuma pieaugumu sportistiem, kuri skrien tempā 5:00–6:00 min/jūdzē [13].

Slīpuma izmaiņas maina arī substrātu oksidācijas un maksimālās aerobās kapacitātes profilus. Submaksimālie protokoli, kuros izmanto soļošanu stāvā slīpumā, piemēram, 12-3-30 protokols (12% slīpums ar ātrumu 3,0 jūdzes/h jeb 1,34 m/s 30 minūtes), uzrāda zemāku enerģijas patēriņa ātrumu (kcal/min), ilgāku laiku izoenerģētiska darba apjoma veikšanai, proporcionāli augstāku tauku oksidāciju (%FAT) un zemāku ogļhidrātu oksidāciju (%CHO), salīdzinot ar izoenerģētisku brīvi izvēlēta tempa skriešanu pa horizontālu virsmu [1].

Maksimālas slodzes apstākļos slīpuma virziens maina maksimālo aerobo kapacitāti un lokālo muskuļu oksigenāciju. Maksimālas skriešanas piegājienos maksimālais skābekļa patēriņš ($\text{V}\text{O}_{2\text{peak}}$), kas sasniegts stāvā lejupceļā (-15%), ir par 10% līdz 17% zemāks nekā tas, kas mērīts horizontālā (0%), mērenā augšupceļa (+7,5%), stāvā augšupceļa (+15%) vai mērenā lejupceļa (-7,5%) slīpumā [14]. Turklāt negatīvais ārējais darbs veido tikai 6% no kopējā mehāniskā darba pie +15% augšupvērsta slīpuma, bet pieaug līdz 92% pie -15% lejupvērsta slīpuma, kura laikā vastus lateralis muskuļa oksigenācija saglabājas ievērojami augstāka samazināta metaboliskā skābekļa pieprasījuma dēļ ekscentriski noslogotajos audos [14].

Enerģijas patēriņa biomehāniskie faktori skrējienā augšup un lejup

Metaboliskās izmaiņas, kas novērojamas, mainoties ātrumam un slīpumam, tieši nosaka gaitas mehānikas, muskuļu aktivācijas un locītavu slodzes pārmaiņas [P2]. Slīpuma pakāpe kombinācijā ar elektromiogrāfisko muskuļu aktivāciju soleus un vastus lateralis muskuļos prognozē kopējo enerģijas patēriņu ar 96% precizitāti [3].

Salīdzinot ar skriešanu pa horizontālu virsmu, pārvietošanās augšup prasa atšķirīgas telpiski laicīgās adaptācijas [P2]:

• Soļa frekvence un garums: skrējēji samazina lidojuma fāzes laiku un soļa garumu, vienlaikus palielinot soļu frekvenci, lai uzturētu virzību uz priekšu pret gravitāciju [2], [6].
• Fāžu ilgums: skriešana augšup saīsina lidojuma un vēziena fāzes ilgumu, vienlaikus palielinot atbalsta koeficientu (duty factor) un relatīvo kontakta laiku, lai nodrošinātu atgrūdienu nemainīgā kontakta fāzē [2], [6].
• Mehāniskais darbs: iekšējais un ārējais mehāniskais darbs ievērojami palielinās, lai nepārtraukti celtu skrējēja smaguma centru [2], [6].

Turpretī pārvietošanās lejup pagarina soļa garumu un lidojuma laiku, vienlaikus samazinot soļu frekvenci [2]. Lai gan lejupvērsti slīpumi samazina kardiopulmonālo slodzi, tie ievērojami pastiprina balsta un kustību aparāta triecienslodzi: soļošana lejup rada trīs reizes lielākus trieciena spēkus nekā soļošana pa horizontālu virsmu un pēc ilgstošiem piegājieniem pasliktina ceļa locītavas pozīcijas izjūtu [7], [8]. Turpretī soļošana augšup 5–10% slīpumā samazina ceļa locītavas abdukcijas spriedzi uz ceļa skrimsli, salīdzinot ar horizontālu un lejupvērstu slīpumu, nodrošinot zemāku locītavu stresa profilu līdzās paaugstinātam metaboliskajam pieprasījumam [8]. Ilgākos treniņu ciklos stāvāku kāpumu (~7,6% slīpums) biomehānisko prasību izmantošana nodrošina uzlabojumus 30 m maksimālajā sprinta ātrumā, 800 m laika kontroles skrējiena rezultātos un muskuļu spēka izturībā [6].

Matemātiskā modelēšana: ACSM, Pandolf un empīriskie ierobežojumi

Slodzes fiziologi izmanto prognozēšanas vienādojumus, lai novērtētu metabolisko ātrumu un $\text{V}\text{O}_2$ dažādos ātrumos un slīpumos, lai gan šiem modeļiem ir dokumentēti ierobežojumi heterogēnās populācijās.

ACSM metaboliskie vienādojumi

Amerikas Sporta medicīnas koledžas (ACSM) metaboliskais vienādojums skriešanas skābekļa patēriņam modelē bruto patēriņu līdzsvara stāvokļa slodzes laikā virs 5,0 jūdzēm/h (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 $S$ ir ātrums $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ (1 jūdze/h = 26,8224 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$) un $G$ ir frakcionālais slīpums (piemēram, 5% = 0,05) [13], [16]. Soļošanai ACSM modelē bruto $\text{V}\text{O}_2$ šādi [18]:

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

paredzot 0,1 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ horizontālajai pārvietošanās komponentei uz $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ un 1,8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ vertikālajam kāpumam [18].

Validācijas pētījumi norāda uz sistemātiskām prognozēšanas kļūdām ACSM formulās. Ir pierādīts, ka skriešanas vienādojums pārvērtē izmērīto $\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$ par 14,6% konkurējošiem vīriešu dzimuma sportistiem pakāpeniskas slodzes testos uz skrejceliņa [16]. Lineārās regresijas modeļi, kas ietver vecumu, ĶMI, slīpumu un testa ilgumu, nodrošina augstāku prognozēšanas precizitāti sportistu grupās bez sistemātiskas pārvērtēšanas [16]. Līdzīgi ACSM soļošanas vienādojums pārvērtē enerģijas patēriņu, pieaugot slodzes intensitātei (no 0,44% pie 2 jūdzēm/h līdz 20,3% pie maksimālas piepūles) [19]. 1078 soļošanas testu analīzē standarta prognozēšanas modeļi (tostarp ACSM un Pandolf) uzrādīja vidējās kvadrātiskās kļūdas robežās no 7,8% līdz 23,5% no izmērītā metaboliskā ātruma [20]. Šīs neatbilstības daļēji izriet no sākotnējām ACSM validācijas kohortām, kuru pamatā bija ļoti mazs jaunu, trenētu vīriešu izlases lielums ($n = 2$ līdz $n = 3$) [19].

Pandolf un slodzes vienādojumi

Soļošanai ar papildu svaru un pa dažādiem segumiem Pandolf et al. formula modelē metabolisko patēriņu ($M_W$, vatos) [21]:

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

kur $W$ ir ķermeņa masa (kg), $L$ ir ārējā slodze (kg), $V$ ir ātrums (m/s), $G$ ir slīpums procentos (%) un $\eta$ ir reljefa koeficients ($\eta = 1,0$ motorizētam skrejceliņam vai asfaltam) [21]. Tā kā sākotnējais Pandolf modelis zaudē precizitāti lejupvērstos slīpumos, Santee et al. izstrādāja korekcijas koeficientu lejupceļam ($CF$) [21]:

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

kur kopējais metaboliskais patēriņš ir vienāds ar sākotnējo Pandolf aprēķinu mīnus $CF$ [21].

Skrejceliņa slīpuma kalibrēšana ekvivalencei ar skriešanu brīvā dabā

Skriešana pa horizontālu motorizētu skrejceliņu ar 0% slīpumu rada mazāku enerģētisko pieprasījumu nekā skriešana brīvā dabā identiskā ātrumā [P1]. Skriešana ārā prasa par aptuveni 5% lielāku enerģijas patēriņu aerodinamiskās pretestības dēļ un mehāniskās nepieciešamības dēļ veikt aktīvu virzību uz priekšu pa statisku virsmu, salīdzinot ar pozīcijas saglabāšanu uz motorizētas lentes [11].

Lai kompensētu relatīvās gaisa plūsmas trūkumu iekštelpās, tiek piemēroti specifiski slīpuma pielāgojumi, pamatojoties uz ātruma sliekšņiem [13]:

• Tempā, kas lēnāks par 8:00/jūdzē (zem ~12 km/h): 0,5% slīpums nodrošina adekvātu enerģētisko kompensāciju [13].
• Tempā no 6:30 līdz 7:30/jūdzē (13–15 km/h): ieteicams 1,0% slīpums, lai izlīdzinātu skābekļa patēriņu un metabolisko patēriņu ar skriešanu ārā [11], [13].
• Tempā, kas ātrāks par 6:00/jūdzē (pārsniedz ~16–18 km/h): nepieciešams 1,5% līdz 2,0% slīpums, lai kompensētu ievērojamo gaisa pretestību, kas rodas pie lielāka ātruma brīvā dabā [13].