Энергетические, сердечно-сосудистые и биомеханические реакции на изменение скорости и наклона беговой дорожки

Энергетика и кислородная стоимость локомоции под уклоном

Изменение вертикального уклона на беговой дорожке меняет метаболические потребности при ходьбе и беге за счет изменения механической работы, необходимой для подъема или опускания центра массы. Энергетическая стоимость бега ($C_r$) демонстрирует положительный линейный рост при увеличении положительного уклона из-за повышенной потребности в концентрической мышечной работе и положительной внешней механической работе ($W_{ext+}$) [2]. Напротив, локомоция под гору характеризуется U-образной зависимостью, при которой энергозатраты достигают минимальных значений в диапазоне уклона от -10% до -20%, что обусловлено механической эффективностью отрицательной внешней работы ($W_{ext-}$) и эксцентрическими мышечными действиями [2], [4].

Прямая респирометрия показывает, что бег по горизонтали с уклоном 0% сохраняет энергетическую стоимость около 3.40 ± 0.24 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ на стандартных скоростях [4]. По мере увеличения наклона беговой дорожки расход энергии быстро возрастает: бег с уклоном +5% (0.05) увеличивает метаболическую стоимость и потребность в мощности примерно на 30% по сравнению с бегом по горизонтали [5], достигая 18.93 ± 1.74 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при экстремальном уклоне +45% (+0.45) [4]. При беге под гору $C_r$ снижается до минимума 1.73 ± 0.36 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при уклоне -20%, после чего снова возрастает до 3.92 ± 0.81 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при -45% по мере нарастания тормозных сил [4]. Механика ходьбы демонстрирует схожий профиль: стоимость ходьбы по горизонтали ($C_w$) составляет в среднем 1.64 ± 0.50 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при скорости 1.0 м/с, снижаясь до минимума 0.81 ± 0.37 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при уклоне -10% и возрастая до 17.33 ± 1.11 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ при +45% [4]. При уклонах выше +15% и ниже -15% кажущаяся механическая эффективность приближается к теоретическим пределам чисто концентрических и чисто эксцентрических мышечных сокращений соответственно [4].

При оценке низкоскоростной локомоции ходьба под уклон резко увеличивает метаболические траты без необходимости повышения скорости. Ходьба с уклоном 5% повышает расход энергии на 52%, а с уклоном 10% — увеличивает метаболическую стоимость на 113 ± 32% относительно ходьбы по горизонтали с эквивалентной скоростью [1], [3].

Сердечно-сосудистые и метаболические сдвиги при изменении наклона

Частота сердечных сокращений и потребление кислорода ($\text{V}\text{O}2$) возрастают пропорционально уклону беговой дорожки для обеспечения энергетических потребностей работающих скелетных мышц. У тренированных бегунов, выполняющих нагрузку на уровне 70% скорости при $\text{V}\text{O}{2\text{max}}$ ($v\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$), увеличение уклона с 0% до 7% приводит к приросту $\text{V}\text{O}_2$ на 6.8 ± 0.8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ и повышает ЧСС на 12 ± 2 ударов в минуту, тогда как незначительный уклон 2% вызывает минимальные острые физиологические изменения при этой относительной интенсивности [9]. В более широком диапазоне скоростей бег с наклоном от 2% до 7% повышает ЧСС примерно на 10% по сравнению с передвижением по горизонтальной поверхности [8].

На системном уровне каждый 1% увеличения наклона дорожки повышает потребление кислорода примерно на 2.6 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ [13]. С точки зрения эквивалентности темпа этот энергетический прирост соответствует расчетному снижению скорости примерно на 0.65 км/ч, что согласуется с эмпирическими тренерскими рекомендациями замедлять темп на 12–15 секунд на милю на каждый 1% уклона для атлетов, бегущих в темпе 5:00–6:00 мин/миля [13].

Изменения уклона также сдвигают профили окисления субстратов и максимальной аэробной производительности. Субмаксимальные протоколы, основанные на ходьбе с крутым уклоном, такие как протокол 12-3-30 (уклон 12% при скорости 3.0 мили/ч / 1.34 м/с в течение 30 минут), демонстрируют более низкую скорость расхода энергии (ккал/мин), более длительное время для выполнения изоэнергетической работы, более высокую долю окисления жиров (%FAT) и более низкое окисление углеводов (%CHO) по сравнению с изоэнергетическим бегом по горизонтали в произвольном темпе [1].

В условиях максимальной нагрузки ориентация градиента изменяет пиковую аэробную производительность и локальную оксигенацию мышц. Во время максимальных беговых тестов пиковое потребление кислорода ($\text{V}\text{O}_{2\text{peak}}$), достигаемое на крутом спуске (-15%), оказывается на 10–17% ниже, чем измеренное на горизонтали (0%), умеренном подъеме (+7.5%), крутом подъеме (+15%) или умеренном спуске (-7.5%) [14]. Кроме того, отрицательная внешняя работа составляет всего 6% от общей механической работы при подъеме +15%, но возрастает до 92% при спуске -15%, во время которого оксигенация латеральной широкой мышцы бедра (vastus lateralis) остается значительно выше из-за сниженной метаболической потребности в кислороде в тканях, испытывающих эксцентрическую нагрузку [14].

Биомеханические детерминанты энергостоимости бега в гору и под гору

Метаболические сдвиги, наблюдаемые при изменении скорости и уклона, напрямую определяются изменениями биомеханики шага, мышечной активации и нагрузки на суставы [P2]. Угол наклона в сочетании с электромиографической активацией камбаловидной и латеральной широкой мышц бедра позволяет прогнозировать общий расход энергии с точностью 96% [3].

По сравнению с бегом по горизонтальной поверхности, локомоция в гору требует отчетливых пространственно-временных адаптаций [P2]:

• Частота и длина шага: бегуны уменьшают время безопорной фазы и длину шага, увеличивая частоту шагов для поддержания продвижения вперед против силы тяжести [2], [6].
• Длительность фаз: бег в гору сокращает длительность безопорной фазы и фазы переноса, увеличивая коэффициент нагрузки (duty factor) и относительное время контакта для создания пропульсии на протяжении стабильной фазы опоры [2], [6].
• Механическая работа: внутренняя и внешняя механическая работа существенно возрастают для постоянного подъема центра массы бегуна [2], [6].

Напротив, локомоция под гору увеличивает длину шага и время безопорной фазы при снижении частоты шагов [2]. Хотя отрицательные уклоны снижают кардиореспираторную нагрузку, они заметно увеличивают ударную нагрузку на опорно-двигательный аппарат: ходьба под гору создает ударные нагрузки в три раза выше, чем ходьба по горизонтали, и ухудшает проприоцепцию коленного сустава после продолжительных нагрузок [7], [8]. Напротив, ходьба в гору с уклоном 5–10% снижает абдукционный стресс на суставной хрящ колена по сравнению с горизонтальным и наклонным вниз передвижением, обеспечивая меньшую нагрузку на суставы при повышенных метаболических тратах [8]. На протяжении длительных тренировочных блоков использование биомеханических требований бега по более крутым холмам (~7.6% уклона) приводит к улучшению максимальной спринтерской скорости на 30 м, результатов в беге на 800 м и силовой выносливости мышц [6].

Математическое моделирование: ACSM, Пандольф и эмпирические ограничения

Специалисты по физиологии физических упражнений используют прогностические уравнения для оценки скорости метаболизма и $\text{V}\text{O}_2$ при различных скоростях и уклонах, хотя эти модели имеют документированные ограничения для гетерогенных популяций.

Метаболические уравнения ACSM

Метаболическое уравнение Американского колледжа спортивной медицины (ACSM) для потребления кислорода при беге моделирует валовое потребление во время устойчивого состояния при скорости выше 5.0 миль/ч (134 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$) [13], [16]:

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

где $S$ — скорость в $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ (1 миля/ч = 26.8224 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$), а $G$ — дробный наклон (например, 5% = 0.05) [13], [16]. Для ходьбы ACSM моделирует валовое $\text{V}\text{O}_2$ следующим образом [18]:

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

выделяя 0.1 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ на горизонтальное перемещение на каждый $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ и 1.8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ на вертикальный подъем [18].

Валидационные исследования указывают на систематические ошибки прогнозирования по формулам ACSM. Было показано, что уравнение для бега завышает измеренное значение $\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$ на 14.6% у соревнующихся спортсменов-мужчин во время ступенчатого тредмил-теста [16]. Модели линейной регрессии, включающие возраст, ИМТ, уклон и продолжительность теста, обеспечивают более высокую прогностическую точность в когортах спортсменов без систематического завышения [16]. Аналогично, уравнение ACSM для ходьбы завышает расход энергии по мере роста интенсивности упражнения (от 0.44% при 2 милях/ч до 20.3% при максимальном усилии) [19]. В ходе 1078 тестов ходьбы стандартные модели прогнозирования (включая ACSM и Пандольфа) продемонстрировали среднеквадратическую ошибку в диапазоне от 7.8% до 23.5% от измеренного уровня метаболизма [20]. Эти расхождения частично обусловлены тем, что первоначальные когорты валидации ACSM опирались на очень малые выборки ($n = 2$ – $n = 3$) молодых тренированных мужчин [19].

Формула Пандольфа и расчет нагрузки

Для ходьбы с отягощением и по различным поверхностям формула Pandolf et al. моделирует метаболическую стоимость ($M_W$, в ваттах) [21]:

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

где $W$ — масса тела (кг), $L$ — внешняя нагрузка (кг), $V$ — скорость (м/с), $G$ — процент уклона (%), а $\eta$ — коэффициент покрытия ($\eta = 1.0$ для моторизованной беговой дорожки или асфальта) [21]. Поскольку оригинальная модель Пандольфа теряет валидность на спусках, Santee et al. сформулировали поправочный коэффициент для спуска ($CF$) [21]:

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

где общая метаболическая стоимость равна первоначальной оценке по Пандольфу минус $CF$ [21].

Калибровка наклона дорожки для эквивалентности бегу на улице

Бег на плоской моторизованной беговой дорожке с уклоном 0% требует меньших энергозатрат, чем бег по грунту или асфальту на улице с идентичной скоростью [P1]. Бег на открытом воздухе требует примерно на 5% большего расхода энергии из-за аэродинамического сопротивления и механической потребности в активном продвижении вперед по неподвижной поверхности по сравнению с удержанием положения на движущемся полотне [11].

Чтобы компенсировать отсутствие встречного воздушного потока в помещении, применяются определенные корректировки наклона в зависимости от пороговых значений скорости [13]:

• Темп медленнее 8:00/миля (менее ~12 км/ч): уклон 0.5% обеспечивает адекватную энергетическую компенсацию [13].
• Темп от 6:30 до 7:30/миля (13–15 км/ч): рекомендуется уклон 1.0% для выравнивания потребления кислорода и метаболической стоимости с бегом на открытом воздухе [11], [13].
• Темп быстрее 6:00/миля (выше ~16–18 км/ч): требуется уклон от 1.5% до 2.0%, чтобы компенсировать значительное сопротивление воздуха, возникающее на более высоких скоростях на улице [13].