Energetické, kardiovaskulárne a biomechanické reakcie na úpravu rýchlosti a sklonu bežeckého pásu

Energetika a kyslíková náročnosť pohybu v sklone

Úprava vertikálneho sklonu na bežeckom páse mení metabolické nároky chôdze a behu zmenou mechanickej práce potrebnej na zdvihnutie alebo zníženie ťažiska. Energetický výdaj pri behu ($C_r$) vykazuje pozitívny lineárny nárast s kladným stúpaním v dôsledku zvýšených požiadaviek na koncentrickú svalovú prácu a pozitívnu externú mechanickú prácu ($W_{ext+}$) [2]. Naopak, pohyb z kopca vykazuje vzťah v tvare písmena U, kde energetické náklady dosahujú najnižšie hodnoty pri sklone medzi -10 % a -20 %, čo je spôsobené mechanickou účinnosťou negatívnej externej práce ($W_{ext-}$) a excentrických svalových kontrakcií [2], [4].

Priama respirometria dokazuje, že beh po rovine pri sklone 0 % si udržiava energetické náklady približne 3,40 ± 0,24 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pri štandardných rýchlostiach [4]. Ako sa sklon bežeckého pásu zvyšuje, energetický výdaj rapídne stúpa: beh pri sklone +5 % (0,05) zvyšuje metabolické energetické náklady a požiadavky na výkon približne o 30 % v porovnaní s behom po rovine [5] a dosahuje 18,93 ± 1,74 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pri extrémnom sklone +45 % (+0,45) [4]. Pri behu z kopca klesá $C_r$ na minimum 1,73 ± 0,36 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pri sklone -20 % a následne so stúpajúcimi brzdnými silami opäť rastie na 3,92 ± 0,81 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pri -45 % [4]. Mechanika chôdze vykazuje paralelný profil: náklady na chôdzu po rovine ($C_w$) dosahujú v priemere 1,64 ± 0,50 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pri 1,0 m/s, klesajú na minimum 0,81 ± 0,37 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pri sklone -10 % a stúpajú na 17,33 ± 1,11 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pri +45 % [4]. Pri sklone nad +15 % a pod -15 % konverguje zdanlivá mechanická účinnosť k teoretickým limitom čisto koncentrických, resp. čisto excentrických svalových kontrakcií [4].

Pri hodnotení pohybu pri nízkych rýchlostiach chôdza do kopca dramaticky zvyšuje metabolický výdaj bez nutnosti zvyšovať rýchlosť. Chôdza do kopca pri sklone 5 % zvyšuje energetický výdaj o 52 %, zatiaľ čo sklon 10 % zvyšuje metabolické náklady o 113 ± 32 % v porovnaní s chôdzou po rovine pri rovnakej rýchlosti [1], [3].

Kardiovaskulárny a metabolický posun pri sklone

Srdcová frekvencia a spotreba kyslíka ($\text{V}\text{O}2$) stúpajú úmerne so sklonom bežeckého pásu, aby pokryli energetické potreby pracujúceho kostrového svalstva. U trénovaných bežcov pri záťaži na úrovni 70 % rýchlosti pri $\text{V}\text{O}{2\text{max}}$ ($v\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$) vedie zvýšenie sklonu z 0 % na 7 % k nárastu $\text{V}\text{O}_2$ o 6,8 ± 0,8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ a zvýšeniu srdcovej frekvencie o 12 ± 2 úderov za minútu, zatiaľ čo mierny 2 % sklon vyvoláva pri tejto relatívnej intenzite len minimálne akútne fyziologické zmeny [9]. V širšom rozsahu bežeckých rýchlostí beh do kopca so sklonom medzi 2 % a 7 % zvyšuje srdcovú frekvenciu približne o 10 % v porovnaní s pohybom po rovine [8].

Na systémovej úrovni každé 1 % zvýšenia sklonu bežeckého pásu zvyšuje príjem kyslíka približne o 2,6 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ [13]. Z hľadiska ekvivalencie tempa tento energetický prírastok zodpovedá odhadovanému zníženiu rýchlosti približne o 0,65 km/h, čo korešponduje s empirickými trénerskými úpravami predstavujúcimi spomalenie o 12 – 15 sekúnd na míľu na každé 1 % nárastu sklonu pre športovcov bežiacich tempom 5:00 – 6:00 min/míľu [13].

Zmeny sklonu tiež posúvajú profil oxidácie substrátov a maximálnej aeróbnej kapacity. Submaximálne protokoly založené na chôdzi do strmého kopca, ako napríklad protokol 12-3-30 (sklon 12 % pri 3,0 mph / 1,34 m/s počas 30 minút), vykazujú nižšiu mieru energetického výdaja (kcal/min), dlhší čas potrebný na vykonanie izoenergetickej práce, vyššiu pomernú oxidáciu tukov (%FAT) a nižšiu oxidáciu sacharidov (%CHO) v porovnaní s izoenergetickým behom po rovine s vlastným tempom [1].

V podmienkach maximálneho zaťaženia orientácia sklonu mení vrcholovú aeróbnu kapacitu a lokálnu oxygenáciu svalov. Počas maximálnych bežeckých záťaží je vrcholový príjem kyslíka ($\text{V}\text{O}_{2\text{peak}}$) dosiahnutý pri strmom klesaní (-15 %) o 10 % až 17 % nižší v porovnaní s hodnotami nameranými na rovine (0 %), pri miernom stúpaní (+7,5 %), strmom stúpaní (+15 %) alebo miernom klesaní (-7,5 %) [14]. Okrem toho negatívna externá práca tvorí iba 6 % celkovej mechanickej práce pri stúpaní +15 %, no pri klesaní -15 % stúpa až na 92 %, pričom oxygenácia svalu vastus lateralis zostáva výrazne vyššia v dôsledku znížených metabolických nárokov na kyslík v excentricky zaťažovanom tkanive [14].

Biomechanické determinanty energetických nákladov pri behu do kopca a z kopca

Metabolické posuny pozorované pri úprave rýchlosti a sklonu sú priamo riadené zmenami v mechanike chôdze a behu, svalovej aktivácii a zaťažení kĺbov [P2]. Úroveň sklonu v kombinácii s elektromyografickou aktiváciou svalov soleus a vastus lateralis predpovedá celkový energetický výdaj s presnosťou 96 % [3].

V porovnaní s behom po rovine si pohyb do kopca vyžaduje špecifické časopriestorové adaptácie [P2]:

• Frekvencia a dĺžka kroku: Bežci skracujú letovú fázu a dĺžku kroku, zatiaľ čo zvyšujú frekvenciu krokov, aby udržali pohyb vpred proti gravitácii [2], [6].
• Trvanie jednotlivých fáz: Beh do kopca skracuje trvanie letovej fázy a fázy švihu, pričom zvyšuje koeficient zaťaženia (duty factor) a relatívny čas kontaktu, aby zabezpečil pohon počas konštantnej kontaktnej fázy [2], [6].
• Mechanická práca: Vnútorná a vonkajšia mechanická práca sa výrazne zvyšujú, aby neustále zdvíhali ťažisko bežca [2], [6].

Naopak, pohyb z kopca predlžuje dĺžku kroku a letovú fázu, zatiaľ čo znižuje frekvenciu krokov [2]. Hoci klesanie znižuje kardiopulmonálnu záťaž, výrazne zvyšuje nárazový stres na pohybový aparát: chôdza z kopca generuje nárazové sily trikrát vyššie než chôdza po rovine a po dlhšom trvaní zhoršuje vnímanie polohy kolenného kĺbu [7], [8]. Na rozdiel od toho chôdza do kopca so sklonom 5 – 10 % znižuje abdukčný stres kolenného kĺbu na kĺbovú chrupavku v porovnaní s rovinou a klesaním, čo predstavuje profil s nižším zaťažením kĺbov pri súčasne zvýšených metabolických nárokoch [8]. Počas dlhších tréningových blokov vedie využitie biomechanických nárokov strmších kopcov (sklon ~7,6 %) k zlepšeniu maximálnej šprintérskej rýchlosti na 30 m, výkonu v časovke na 800 m a silovej vytrvalosti svalov [6].

Matematické modelovanie: ACSM, Pandolf a empirické obmedzenia

Fyziológovia zaťaženia využívajú prediktívne rovnice na odhad metabolickej rýchlosti a $\text{V}\text{O}_2$ pri rôznych rýchlostiach a sklonoch, hoci tieto modely vykazujú zdokumentované obmedzenia pri heterogénnych populáciách.

Metabolické rovnice ACSM

Metabolická rovnica American College of Sports Medicine (ACSM) pre spotrebu kyslíka pri behu modeluje celkový príjem počas cvičenia v ustálenom stave pri rýchlostiach nad 5,0 mph (134 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$) [13], [16]:

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

kde $S$ je rýchlosť v $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ (1 mph = 26,8224 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$) a $G$ je sklon vyjadrený ako desatinné číslo (napr. 5 % = 0,05) [13], [16]. Pre chôdzu modeluje ACSM celkové $\text{V}\text{O}_2$ nasledovne [18]:

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

pričom priraďuje 0,1 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ horizontálnemu posunu na $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ a 1,8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ vertikálnemu stúpaniu [18].

Validačné štúdie poukazujú na systematické chyby predikcie pri vzorcoch ACSM. Ukázalo sa, že rovnica pre beh nadhodnocuje namerané $\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$ u výkonnostných športovcov mužského pohlavia o 14,6 % počas stupňovaného testovania na bežeckom páse [16]. Modely lineárnej regresie zahŕňajúce vek, BMI, sklon a trvanie testu poskytujú u športových kohort vyššiu prediktívnu presnosť bez systematického nadhodnocovania [16]. Podobne rovnica ACSM pre chôdzu nadhodnocuje energetický výdaj pri narastajúcej intenzite cvičenia (od 0,44 % pri 2 mph až po 20,3 % pri maximálnom úsilí) [19]. V rámci 1 078 testov chôdze štandardné prediktívne modely (vrátane ACSM a Pandolfa) vykazovali strednú kvadratickú chybu v rozmedzí od 7,8 % do 23,5 % nameranej metabolickej rýchlosti [20]. Tieto nezrovnalosti čiastočne vyplývajú z pôvodných validačných súborov ACSM, ktoré vychádzali z veľmi malých vzoriek ($n = 2$ až $n = 3$) mladých, trénovaných mužov [19].

Pandolfove rovnice a výpočty so zaťažením

Pre chôdzu so záťažou a na rôznych povrchoch modeluje vzorec Pandolfa a kol. metabolické náklady ($M_W$, vo wattoch) [21]:

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

kde $W$ je telesná hmotnosť (kg), $L$ je externá záťaž (kg), $V$ je rýchlosť (m/s), $G$ je sklon v percentách (%) a $\eta$ je terénny faktor ($\eta = 1,0$ pre motorový bežecký pás alebo asfalt) [21]. Pretože pôvodný Pandolfov model stráca platnosť pri klesaní, Santee a kol. formulovali korekčný faktor pre klesanie ($CF$) [21]:

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

kde celkové metabolické náklady sa rovnajú pôvodnému odhadu podľa Pandolfa mínus $CF$ [21].

Kalibrácia sklonu bežeckého pásu pre ekvivalenciu s behom vonku

Beh na rovnom motorovom bežeckom páse pri sklone 0 % si vyžaduje nižší energetický výdaj než beh vonku na pevnom povrchu pri rovnakej rýchlosti [P1]. Beh vonku si vyžaduje približne o 5 % vyšší energetický výdaj v dôsledku aerodynamického odporu vzduchu a mechanickej požiadavky na aktívny pohon vpred po statickom povrchu v porovnaní s udržiavaním pozície na motorizovanom bežeckom páse [11].

Na kompenzáciu chýbajúceho prúdenia vzduchu v interiéri sa uplatňujú špecifické úpravy sklonu na základe rýchlostných prahov [13]:

• Tempo pomalšie ako 8:00/míľu (pod ~12 km/h): Sklon 0,5 % poskytuje primeranú energetickú kompenzáciu [13].
• Tempo medzi 6:30 a 7:30/míľu (13 – 15 km/h): Odporúča sa sklon 1,0 % na vyrovnanie spotreby kyslíka a metabolických nákladov s behom vonku [11], [13].
• Tempo rýchlejšie ako 6:00/míľu (nad ~16 – 18 km/h): Na kompenzáciu výrazného odporu vzduchu, ktorý vzniká pri vyšších rýchlostiach vonku, je potrebný sklon 1,5 % až 2,0 % [13].