Energijski, kardiovaskularni in biomehanski odzivi na prilagoditve hitrosti ter naklona tekaške steze

Energetika in poraba kisika pri gibanju v klanec in navzdol

Spreminjanje navpičnega naklona na tekaški stezi spreminja presnovno zahtevnost hoje in teka, saj se spremeni mehansko delo, potrebno za dvigovanje ali spuščanje težišča telesa. Energijski strošek teka ($C_r$) kaže pozitiven linearen porast pri pozitivnih naklonih navkreber zaradi povečane zahteve po koncentričnem mišičnem delu in pozitivnem zunanjem mehanskem delu ($W_{ext+}$) [2]. Nasprotno pa gibanje navzdol vzpostavi razmerje v obliki črke U, kjer energijski strošek doseže najnižje vrednosti med -10-% in -20-% naklonom, kar je posledica mehanskega izkoristka negativnega zunanjega dela ($W_{ext-}$) in ekscentričnih mišičnih akcij [2], [4].

Neposredna respirometrija kaže, da tek po ravnem pri 0-% naklonu ohranja energijski strošek približno 3,40 ± 0,24 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pri standardnih hitrostih [4]. Ko se naklon tekaške steze povečuje, energijska poraba hitro narašča: tek pri naklonu +5 % (0,05) poveča presnovni energijski strošek in zahtevano moč za približno 30 % v primerjavi s tekom po ravnem [5] ter doseže 18,93 ± 1,74 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pri ekstremnem naklonu +45 % (+0,45) [4]. Pri teku navzdol $C_r$ pade na minimum 1,73 ± 0,36 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pri -20-% naklonu, nato pa se ponovno povzpne na 3,92 ± 0,81 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pri -45 %, ko se zavorne sile povečajo [4]. Mehanika hoje kaže vzporeden profil: strošek hoje po ravnem ($C_w$) v povprečju znaša 1,64 ± 0,50 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pri 1,0 m/s, pade na minimum 0,81 ± 0,37 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pri -10-% naklonu in se povzpne na 17,33 ± 1,11 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ pri +45 % [4]. Nad +15-% in pod -15-% nakloni se navidezni mehanski izkoristki približajo teoretičnim mejam čistih koncentričnih oziroma čistih ekscentričnih mišičnih kontrakcij [4].

Pri ocenjevanju gibanja pri nizkih hitrostih hoja v klanec močno poveča presnovno porabo, ne da bi bilo treba povečati hitrost. Hoja v klanec pri 5-% naklonu poveča porabo energije za 52 %, medtem ko 10-% naklon poveča presnovni strošek za 113 ± 32 % v primerjavi s hojo po ravnem pri enaki hitrosti [1], [3].

Kardiovaskularni in presnovni premik pri naklonu

Srčni utrip in poraba kisika ($\text{V}\text{O}2$) naraščata sorazmerno z naklonom tekaške steze, da zadostita energijskim potrebam delujočih skeletnih mišic. Pri treniranih tekačih, ki vadijo pri 70 % hitrosti pri $\text{V}\text{O}{2\text{max}}$ ($v\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$), dvig naklona z 0 % na 7 % povzroči povečanje $\text{V}\text{O}_2$ za 6,8 ± 0,8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ in dvigne srčni utrip za 12 ± 2 utripov na minuto, medtem ko majhen 2-% naklon pri tej relativni intenzivnosti povzroči minimalne akutne fiziološke spremembe [9]. V širšem razponu tekaških hitrosti tek pri naklonu med 2 % in 7 % poviša srčni utrip za približno 10 % v primerjavi z gibanjem po ravni površini [8].

Na sistemski ravni vsak 1-% porast naklona tekaške steze poveča porabo kisika za približno 2,6 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ [13]. Kar zadeva ekvivalent tempa, ta energijski prirastek ustreza ocenjenemu zmanjšanju hitrosti za približno 0,65 km/h, kar se ujema z empiričnimi trenerskimi prilagoditvami upočasnitve za 12–15 sekund na miljo za vsak 1-% porast naklona pri športnikih, ki tečejo s tempi 5:00–6:00 min/miljo [13].

Spremembe naklona vplivajo tudi na oksidacijo substratov in profile maksimalne aerobne kapacitete. Submaksimalni protokoli, ki temeljijo na hoji v strm klanec, kot je protokol 12-3-30 (12-% naklon pri 3,0 mph / 1,34 m/s za 30 minut), kažejo nižjo stopnjo porabe energije (kcal/min), daljši čas za dokončanje izoenergijskega dela, višji delež oksidacije maščob (%FAT) in nižjo oksidacijo ogljikovih hidratov (%CHO) v primerjavi z izoenergijskim tekom po ravnem z lastno izbranim tempom [1].

Pri maksimalnih vadbenih pogojih usmerjenost naklona spreminja maksimalno aerobno kapaciteto in lokalno oksigenacijo mišic. Med maksimalnimi tekaškimi nizi je maksimalni sprejem kisika ($\text{V}\text{O}_{2\text{peak}}$), dosežen na strmem naklonu navzdol (-15 %), za 10 % do 17 % nižji od tistega, izmerjenega na ravnem (0 %), zmernem klančku navzgor (+7,5 %), strmem klančku navzgor (+15 %) ali zmernem klančku navzdol (-7,5 %) [14]. Poleg tega negativno zunanje delo predstavlja le 6 % celotnega mehanskega dela pri naklonu +15 % navkreber, vendar naraste na 92 % pri naklonu -15 % navzdol, med katerim ostaja oksigenacija mišice vastus lateralis bistveno višja zaradi zmanjšane presnovne potrebe po kisiku v ekscentrično obremenjenem tkivu [14].

Biomehanski dejavniki energijskega stroška pri teku navkreber in navzdol

Presnovne premike, opazovane pri prilagoditvah hitrosti in naklona, neposredno narekujejo spremembe v mehaniki teka, mišični aktivaciji ter obremenitvi sklepov [P2]. Stopnja naklona v kombinaciji z elektromiografsko mišično aktivacijo v mišicah soleus in vastus lateralis napoveduje celotno energijsko porabo s 96-% natančnostjo [3].

V primerjavi s tekom po ravni podlagi zahteva gibanje navkreber izrazite prostorsko-časovne prilagoditve [P2]:

• Frekvenca in dolžina koraka: Tekači skrajšajo čas letenja in dolžino koraka ter hkrati povečajo frekvenco korakov, da ohranijo gibanje naprej proti gravitaciji [2], [6].
• Trajanje faz: Tek navkreber skrajša trajanje faze leta in nihanja ter hkrati poveča obremenilni faktor (duty factor) in relativni čas stika za zagotavljanje pogona skozi stalno fazo stika [2], [6].
• Mehansko delo: Notranje in zunanje mehansko delo se znatno povečata za neprekinjeno dvigovanje tekačevega težišča [2], [6].

Nasprotno pa gibanje navzdol podaljša dolžino koraka in čas letenja ter zmanjša frekvenco korakov [2]. Čeprav nakloni navzdol zmanjšujejo kardiopulmonalno obremenitev, izrazito povečajo udarni stres na mišično-skeletni sistem: hoja navzdol ustvarja trikrat večje udarne sile kot hoja po ravnem in po daljših nalogah poslabša občutek za položaj kolenskega sklepa [7], [8]. V nasprotju s tem hoja navkreber pri 5–10-% naklonu zmanjša abdukcijski stres kolenskega sklepa na kolenski hrustanec v primerjavi z ravnimi nakloni in nakloni navzdol, kar ponuja profil z manjšo obremenitvijo sklepov ob sočasno povečani presnovni zahtevnosti [8]. V daljših vadbenih obdobjih izkoriščanje biomehanskih zahtev strmejših klancev (~7,6-% naklon) prinaša izboljšave maksimalne hitrosti sprinta na 30 m, časa teka na 800 m in mišične vzdržljivosti v moči [6].

Matematično modeliranje: ACSM, Pandolf in empirične omejitve

Fiziologi vadbe uporabljajo prediktivne enačbe za oceno presnovne stopnje in $\text{V}\text{O}_2$ pri različnih hitrostih ter naklonih, čeprav imajo ti modeli dokumentirane omejitve pri heterogenih populacijah.

Presnovne enačbe ACSM

Presnovna enačba Ameriškega kolidža za športno medicino (ACSM) za porabo kisika pri teku modelira bruto porabo med enakomerno vadbo nad 5,0 mph (134 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$) [13], [16]:

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

kjer je $S$ hitrost v $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ (1 mph = 26,8224 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$), $G$ pa ulomljeni naklon (npr. 5 % = 0,05) [13], [16]. Za hojo ACSM modelira bruto $\text{V}\text{O}_2$ kot [18]:

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

pri čemer dodeli 0,1 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ vodoravnemu pomiku na $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ in 1,8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ navpičnemu vzponu [18].

Validacijske študije kažejo sistematične napake pri napovedovanju s formulami ACSM. Enačba za tek je pri tekmovalnih moških športnikih med stopnjevanim testiranjem na tekaški stezi precenila izmerjeni $\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$ za 14,6 % [16]. Modeli linearne regresije, ki vključujejo starost, ITM, naklon in trajanje testa, zagotavljajo večjo napovedno natančnost pri športnih kohortah brez sistematičnega precenjevanja [16]. Podobno enačba ACSM za hojo precenjuje energijsko porabo pri naraščajočih intenzivnostih vadbe (od 0,44 % pri 2 mph do 20,3 % pri maksimalnem naporu) [19]. V 1.078 preizkusih hoje so standardni napovedni modeli (vključno z ACSM in Pandolfom) pokazali koren povprečne kvadratne napake v razponu od 7,8 % do 23,5 % izmerjene presnovne stopnje [20]. Ta odstopanja deloma izvirajo iz prvotnih validacijskih kohort ACSM, ki so temeljile na zelo majhnih vzorcih ($n = 2$ do $n = 3$) mladih, treniranih moških [19].

Pandolfova enačba in enačbe z obremenitvijo

Za hojo z dodatno obremenitvijo in različne podlage formula avtorjev Pandolf et al. modelira presnovni strošek ($M_W$, v vatih) [21]:

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

kjer je $W$ telesna masa (kg), $L$ zunanja obremenitev (kg), $V$ hitrost (m/s), $G$ odstotni naklon (%) in $\eta$ faktor terena ($\eta = 1,0$ za motorizirano tekaško stezo ali asfalt) [21]. Ker prvotni Pandolfov model izgubi veljavnost na naklonih navzdol, so Santee et al. oblikovali korekcijski faktor za spust ($CF$) [21]:

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

kjer je celotni presnovni strošek enak začetni Pandolfovi oceni minus $CF$ [21].

Kalibracija naklona tekaške steze za primerljivost s tekom na prostem

Tek na ravni motorizirani tekaški stezi pri 0-% naklonu zahteva manjšo energijsko porabo kot tek na prostem pri enaki hitrosti [P1]. Tek na prostem zahteva približno 5 % večjo energijsko porabo zaradi aerodinamičnega upora in mehanske zahteve po aktivnem odrivanju naprej po statični podlagi v primerjavi z ohranjanjem položaja na motoriziranem traku [11].

Za kompenzacijo pomanjkanja zračnega toka v zaprtih prostorih se uporabljajo specifične prilagoditve naklona glede na pragove hitrosti [13]:

• Tempi, počasnejši od 8:00/miljo (pod ~12 km/h): 0,5-% naklon zagotavlja ustrezno energijsko kompenzacijo [13].
• Tempi med 6:30 in 7:30/miljo (13–15 km/h): Priporoča se 1,0-% naklon za izenačitev porabe kisika in presnovnih stroškov s tekom na prostem [11], [13].
• Tempi, hitrejši od 6:00/miljo (več kot ~16–18 km/h): Za izravnavo znatnega zračnega upora, ki se pojavi pri višjih hitrostih na prostem, je potreben naklon od 1,5 % do 2,0 % [13].