Енергетски, кардиоваскуларни и биомеханички одговори на прилагодувањата на брзината и наклонот на лента за трчање

Енергетика и потрошувачка на кислород при движење под наклон

Модифицирањето на вертикалниот наклон на лентата за трчање ја менува метаболичката побарувачка при одење и трчање преку промена на механичката работа потребна за подигнување или спуштање на центарот на масата. Енергетската цена на трчањето ($C_r$) покажува позитивен линеарен пораст со позитивните нагорни наклони поради зголемената потреба за концентрична мускулна работа и позитивна надворешна механичка работа ($W_{ext+}$) [2]. Спротивно на тоа, движењето по надолнина воведува врска во форма на буквата U каде што енергетската цена ги достигнува своите најниски вредности помеѓу наклон од -10% и -20%, водена од механичката ефикасност на негативната надворешна работа ($W_{ext-}$) и ексцентричните мускулни дејства [2], [4].

Директната респирометрија покажува дека рамното трчање при наклон од 0% одржува енергетска цена од приближно 3,40 ± 0,24 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ низндардните брзини [4]. Како што наклонот на лентата за трчање станува пострамен, потрошувачката на енергија рапидно се зголемува: трчањето на наклон од +5% (0,05) ја зголемува метаболичката енергетска цена и побарувачката за моќност за приближно 30% во споредба со рамното трчање [5], достигнувајќи 18,93 ± 1,74 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при екстремен наклон од +45% (+0,45) [4]. При трчање по надолнина, $C_r$ паѓа на минимум од 1,73 ± 0,36 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при наклон од -20% пред повторно да се искачи на 3,92 ± 0,81 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при -45% како што силите на сопирање се зголемуваат [4]. Механиката на одење покажува паралелен профил: цената на рамното одење ($C_w$) во просек изнесува 1,64 ± 0,50 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при 1,0 m/s, паѓајќи на минимум од 0,81 ± 0,37 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при наклон од -10% и ескалирајќи до 17,33 ± 1,11 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при +45% [4]. Над наклони од +15% и под -15%, привидните механички ефикасности конвергираат кон теоретските граници на чисти концентрични и чисти ексцентрични мускулни контракции, соодветно [4].

При проценка на движење со мала брзина, одењето под наклон драматично ја зголемува метаболичката потрошувачка без да бара зголемена брзина. Одењето на наклон од 5% ја зголемува потрошувачката на енергија за 52%, додека наклон од 10% ја зголемува метаболичката цена за 113 ± 32% во однос на рамното одење при еквивалентна брзина [1], [3].

Кардиоваскуларни и метаболички промени под наклон

Срцевиот пулс и потрошувачката на кислород ($\text{V}\text{O}2$) растат пропорционално со наклонот на лентата за трчање за да се одржат енергетските потреби на активните скелетни мускули. Кај тренирани тркачи кои вежбаат со 70% од брзината при $\text{V}\text{O}{2\text{max}}$ ($v\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$), зголемувањето на наклонот од 0% на 7% доведува до зголемување на $\text{V}\text{O}_2$ за 6,8 ± 0,8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ и го зголемува срцевиот пулс за 12 ± 2 отчукувања во минута, додека мал наклон од 2% предизвикува минимална акутна физиолошка варијација при тој релативен интензитет [9]. Низ поширок опсег на брзини на трчање, трчањето на наклон помеѓу 2% и 7% го зголемува срцевиот пулс за приближно 10% во споредба со движењето по рамна површина [8].

На системско ниво, секое зголемување од 1% на наклонот на лентата за трчање ја зголемува потрошувачката на кислород за приближно 2,6 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ [13]. Во однос на еквивалентноста на темпото, ова енергетско зголемување одговара на проценето намалување на брзината од околу 0,65 km/h, што се совпаѓа со емпириските тренерски прилагодувања за забавување од 12–15 секунди по милја за секое зголемување од 1% на наклонот кај спортисти кои трчаат со темпо од 5:00–6:00 min/mile [13].

Промените на наклонот исто така ги менуваат профилите на оксидација на супстратите и максималниот аеробен капацитет. Субмаксималните протоколи кои се потпираат на одење под стрмен наклон, како што е протоколот 12-3-30 (наклон од 12% при 3,0 mph / 1,34 m/s во времетраење од 30 минути), покажуваат помала стапка на потрошувачка на енергија (kcal/min), подолго време за завршување на изоенергетско оптоварување, повисок процент на оксидација на масти (%FAT) и пониска оксидација на јаглехидрати (%CHO) во споредба со изоенергетско рамно трчање со самостојно одредено темпо [1].

При услови на максимално вежбање, ориентацијата на наклонот го менува врвниот аеробен капацитет и локализираната мускулна оксигенација. За време на максимални интервали на трчање, врвната потрошувачка на кислород ($\text{V}\text{O}_{2\text{peak}}$) постигната на стрмна надолнина (-15%) е за 10% до 17% пониска од онаа измерена на рамно (0%), умерен нагорнина (+7,5%), стрмна нагорнина (+15%) или умерена надолнина (-7,5%) [14]. Понатаму, негативната надворешна работа сочинува само 6% од вкупната механичка работа при нагорен наклон од +15%, но се зголемува на 92% при надолнина од -15%, за време на која оксигенацијата на мускулот vastus lateralis останува значително повисока поради намалената метаболичка побарувачка за кислород во ексцентрично оптовареното ткиво [14].

Биомеханички одредници на енергетската цена при нагорнина и надолнина

Метаболичките промени забележани при прилагодувањата на брзината и наклонот се директно регулирани од промените во механиката на чекорот, мускулната активација и оптоварувањето на зглобовите [P2]. Нивото на наклон во комбинација со електромиографската мускулна активација во soleus и vastus lateralis ја предвидува вкупната потрошувачка на енергија со точност од 96% [3].

Во споредба со трчањето по рамна површина, движењето по нагорнина бара специфични просторно-временски адаптации [P2]:

• Фреквенција и должина на чекор: Тркачите го намалуваат времето поминато во воздух и должината на чекорот, додека ја зголемуваат фреквенцијата на чекорење за да одржат движење напред наспроти гравитацијата [2], [6].
• Времетраење на фазите: Трчањето по нагорнина го скратува времетраењето на фазата на летање и замав, додека го зголемува факторот на оптоварување (duty factor) и релативното време на контакт за да обезбеди пропулзија преку константна фаза на контакт [2], [6].
• Механичка работа: Внатрешната и надворешната механичка работа значително се зголемуваат за постојано подигнување на центарот на масата на тркачот [2], [6].

Спротивно на тоа, движењето по надолнина ја зголемува должината на чекорот и времето во воздух, додека ја намалува фреквенцијата на чекори [2]. Иако надолните наклони го намалуваат кардиопулмоналниот стрес, тие значително го зголемуваат мускулно-скелетниот ударен стрес: одењето по надолнина генерира ударни сили трипати поголеми од рамното одење и го нарушува чувството за позиција на коленото по продолжени серии [7], [8]. За разлика од ова, одењето по нагорнина со наклон од 5–10% го намалува абдукцискиот стрес врз 'рскавицата на коленото во однос на рамните и надолните наклони, претставувајќи профил со помал зглобен стрес заедно со зголемена метаболичка побарувачка [8]. Во текот на подолги тренинг блокови, искористувањето на биомеханичките барања на пострамни ридови (~7,6% наклон) носи подобрувања во максималната брзина на спринт на 30 m, перформансите на хронометар на 800 m и мускулната сила и издржливост [6].

Математичко моделирање: ACSM, Pandolf и емпириски ограничувања

Физиолозите за вежбање користат равенки за предвидување за да ја проценат метаболичката стапка и $\text{V}\text{O}_2$ при различни брзини и наклони, иако овие модели имаат документирани ограничувања кај хетерогени популации.

Метаболички равенки на ACSM

Метаболичката равенка на Американскиот колеџ за спортска медицина (ACSM) за потрошувачка на кислород при трчање ја моделира бруто потрошувачката за време на вежбање во рамнотежна состојба (steady-state) над 5,0 mph (134 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$) [13], [16]:

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

каде што $S$ е брзината во $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ (1 mph = 26,8224 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$) и $G$ е фракциониот наклон (на пр., 5% = 0,05) [13], [16]. За одење, ACSM ја моделира бруто вредноста на $\text{V}\text{O}_2$ како [18]:

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

доделувајќи 0,1 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ за хоризонтално поместување по $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ и 1,8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ за вертикално искачување [18].

Валидациските студии укажуваат на систематски грешки во предвидувањето со формулите на ACSM. Се покажа дека равенката за трчање ја преценува измерената вредност на $\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$ за 14,6% кај натпреварувачки машки спортисти за време на тестирање на лента со наклон [16]. Линеарните регресиони модели кои вклучуваат возраст, BMI, наклон и времетраење на тестот обезбедуваат повисока предиктивна точност кај групи спортисти без систематско преценување [16]. Слично на тоа, равенката за одење на ACSM ја преценува потрошувачката на енергија со зголемување на интензитетот на вежбањето (од 0,44% при 2 mph до 20,3% при максимален напор) [19]. Низ 1.078 испитувања на одење, стандардните модели за предвидување (вклучувајќи ги ACSM и Pandolf) покажаа средна квадратна грешка во опсег од 7,8% до 23,5% од измерената метаболичка стапка [20]. Овие несовпаѓања делумно произлегуваат од оригиналните валидациски кохорти на ACSM, кои се потпираа на многу мали примероци ($n = 2$ до $n = 3$) од млади, тренирани мажи [19].

Равенки на Pandolf и равенки за оптоварување

За одење со оптоварување и на различни површини, формулата на Pandolf et al. ја моделира метаболичката цена ($M_W$, во вати) [21]:

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

каде што $W$ е телесната маса (kg), $L$ е надворешното оптоварување (kg), $V$ е брзината (m/s), $G$ е процентот на наклон (%), а $\eta$ е факторот на терен ($\eta = 1,0$ за моторизирана лента за трчање или асфалт) [21]. Бидејќи оригиналниот модел на Pandolf ја губи валидноста на надолнини, Santee et al. формулираа корекциски фактор за надолнина ($CF$) [21]:

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

каде што вкупната метаболичка цена е еднаква на првичната проценка на Pandolf минус $CF$ [21].

Калибрација на наклонот на лента за трчање за еквивалентност со трчање на отворено

Трчањето на рамна моторизирана лента за трчање при наклон од 0% бара помала енергетска побарувачка отколку трчањето на отворено при идентична брзина [P1]. Трчањето на отворено бара приближно 5% поголема потрошувачка на енергија поради аеродинамичкиот отпор и механичката потреба за активна пропулзија нанапред врз статична подлога наместо одржување на позицијата на моторизирана лента [11].

За да се компензира недостатокот на релативен проток на воздух во затворен простор, се применуваат специфични прилагодувања на наклонот врз основа на праговите на брзина [13]:

• Темпо побавно од 8:00/mile (под ~12 km/h): Наклон од 0,5% обезбедува соодветна енергетска компензација [13].
• Темпо помеѓу 6:30 и 7:30/mile (13–15 km/h): Се препорачува наклон од 1,0% за изедначување на потрошувачката на кислород и метаболичката цена со трчањето на отворено [11], [13].
• Темпо побрзо од 6:00/mile (над ~16–18 km/h): Потребен е наклон од 1,5% до 2,0% за да се компензира значителниот отпор на воздухот при поголеми брзини на отворено [13].