การตอบสนองทางพลังงาน ระบบหัวใจและหลอดเลือด และชีวกลศาสตร์ต่อการปรับความเร็วและความชันของลู่วิ่ง

พลังงานศาสตร์และต้นทุนออกซิเจนของการเคลื่อนที่ตามความชัน

การปรับเปลี่ยนความลาดชันในแนวตั้งบนลู่วิ่งไฟฟ้าจะเปลี่ยนความต้องการทางเมแทบอลิซึมของการเดินและการวิ่ง โดยการเปลี่ยนงานเชิงกลที่จำเป็นในการยกหรือลดระดับจุดศูนย์ถ่วงของร่างกาย ต้นทุนทางพลังงานของการวิ่ง ($C_r$) มีการเพิ่มขึ้นเชิงเส้นในทิศทางบวกตามความชันขาขึ้นที่เป็นบวก เนื่องมาจากความต้องการที่สูงขึ้นของงานกล้ามเนื้อแบบหดตัวสั้นลง (concentric) และงานเชิงกลภายนอกที่เป็นบวก ($W_{ext+}$) [2] ในทางตรงกันข้าม การเคลื่อนที่ลงทางลาดจะแสดงความสัมพันธ์เป็นรูปตัวยู (U-shaped) ซึ่งต้นทุนพลังงานจะลดลงสู่ระดับต่ำสุดระหว่างความชัน -10% ถึง -20% โดยได้รับแรงขับเคลื่อนจากประสิทธิภาพเชิงกลของงานภายนอกที่เป็นลบ ($W_{ext-}$) และการทำงานของกล้ามเนื้อแบบยืดยาวออกขณะเกร็ง (eccentric) [2], [4]

การตรวจวัดการหายใจโดยตรงแสดงให้เห็นว่าการวิ่งบนทางราบที่ความชัน 0% จะรักษาต้นทุนทางพลังงานไว้ที่ประมาณ 3.40 ± 0.24 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ ในทุกระดับความเร็วมาตรฐาน [4] เมื่อความชันของลู่วิ่งเพิ่มขึ้น การใช้พลังงานจะไต่ระดับขึ้นอย่างรวดเร็ว: การวิ่งที่ความชัน +5% (0.05) จะเพิ่มต้นทุนพลังงานเมแทบอลิซึมและความต้องการกำลังขึ้นประมาณ 30% เมื่อเทียบกับการวิ่งบนทางราบ [5] และพุ่งขึ้นไปถึง 18.93 ± 1.74 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ ที่ความชันระดับสุดขั้ว +45% (+0.45) [4] ในการวิ่งลงทางลาด ค่า $C_r$ จะลดลงสู่ระดับต่ำสุดที่ 1.73 ± 0.36 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ ที่ความลาดชัน -20% ก่อนจะไต่กลับขึ้นมาเป็น 3.92 ± 0.81 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ ที่ -45% เนื่องจากแรงเบรกที่สะสมเพิ่มขึ้น [4] กลศาสตร์ของการเดินก็แสดงรูปแบบที่สอดคล้องกัน: ต้นทุนการเดินบนทางราบ ($C_w$) มีค่าเฉลี่ยอยู่ที่ 1.64 ± 0.50 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ ที่ความเร็ว 1.0 m/s และลดลงสู่ระดับต่ำสุดที่ 0.81 ± 0.37 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ ที่ความชัน -10% ก่อนจะพุ่งขึ้นไปถึง 17.33 ± 1.11 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ ที่ +45% [4] เมื่อความชันสูงกว่า +15% และต่ำกว่า -15% ประสิทธิภาพเชิงกลปรากฏจะลู่เข้าสู่ขีดจำกัดทางทฤษฎีของการหดตัวของกล้ามเนื้อแบบ concentric แท้ และ eccentric แท้ ตามลำดับ [4]

เมื่อประเมินการเคลื่อนที่ที่ความเร็วต่ำ การเดินบนทางชันจะเพิ่มการใช้พลังงานเมแทบอลิซึมอย่างมหาศาลโดยไม่จำเป็นต้องเพิ่มความเร็ว การเดินชันที่ความชัน 5% จะเพิ่มการใช้พลังงานขึ้น 52% ขณะที่ความชัน 10% จะเพิ่มต้นทุนทางเมแทบอลิซึมขึ้น 113 ± 32% เมื่อเทียบกับการเดินบนพื้นราบที่ความเร็วเท่ากัน [1], [3]

การเปลี่ยนแปลงของระบบหัวใจและหลอดเลือดและระบบเมแทบอลิซึมภายใต้ความชัน

อัตราการเต้นของหัวใจและการใช้ออกซิเจน ($\text{V}\text{O}2$) เพิ่มขึ้นเป็นสัดส่วนตามความชันของลู่วิ่งเพื่อรองรับความต้องการทางพลังงานของกล้ามเนื้อลายที่ทำงาน ในกลุ่มนักวิ่งที่ผ่านการฝึกฝนซึ่งออกกำลังกายที่ 70% ของความเร็ว ณ จุด $\text{V}\text{O}{2\text{max}}$ ($v\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$) การเพิ่มความชันจาก 0% เป็น 7% ส่งผลให้ $\text{V}\text{O}_2$ เพิ่มขึ้น 6.8 ± 0.8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ และเพิ่มอัตราการเต้นของหัวใจขึ้น 12 ± 2 ครั้งต่อนาที ในขณะที่ความชันเพียงเล็กน้อยที่ 2% ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยาเฉียบพลันเพียงเล็กน้อยที่ความหนักสัมพัทธ์ระดับดังกล่าว [9] ในช่วงความเร็วการวิ่งที่หลากหลายขึ้น การวิ่งบนความชันระหว่าง 2% ถึง 7% จะเพิ่มอัตราการเต้นของหัวใจขึ้นประมาณ 10% เมื่อเทียบกับการเคลื่อนที่บนพื้นราบ [8]

ในระดับระบบของร่างกาย ทุกๆ 1% ของความชันลู่วิ่งที่เพิ่มขึ้น จะเพิ่มการใช้ออกซิเจนขึ้นประมาณ 2.6 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ [13] ในแง่ของความเร็วที่เทียบเท่ากัน การเพิ่มขึ้นของพลังงานนี้สอดคล้องกับการลดความเร็วลงประมาณ 0.65 กม./ชม. ซึ่งตรงกับการปรับตามหลักการฝึกสอนเชิงประจักษ์ที่ให้นักวิ่งชะลอความเร็วลง 12–15 วินาทีต่อไมล์ต่อความชันที่เพิ่มขึ้น 1% สำหรับนักกีฬาที่วิ่งด้วยเพซ 5:00–6:00 นาที/ไมล์ [13]

การเปลี่ยนแปลงความชันยังส่งผลต่อรูปแบบการออกซิเดชันของสารอาหารและความจุแอโรบิกสูงสุด โปรโตคอลระดับต่ำกว่าขีดสุดที่อาศัยการเดินบนความชันสูง เช่น โปรโตคอล 12-3-30 (ความชัน 12% ที่ความเร็ว 3.0 ไมล์/ชม. หรือ 1.34 ม./วินาที เป็นเวลา 30 นาที) แสดงอัตราการใช้พลังงาน (กิโลแคลอรี/นาที) ที่ต่ำกว่า ใช้เวลานานกว่าในการทำงานที่ได้ปริมาณพลังงานเท่ากัน มีสัดส่วนการออกซิเดชันของไขมันสูงกว่า (%FAT) และการออกซิเดชันของคาร์โบไฮเดรตต่ำกว่า (%CHO) เมื่อเปรียบเทียบกับการวิ่งบนทางราบที่กำหนดเพซเองโดยใช้พลังงานเท่ากัน [1]

ภายใต้สภาวะการออกกำลังกายระดับสูงสุด ทิศทางของความชันจะเปลี่ยนความจุแอโรบิกสูงสุดและระดับออกซิเจนในกล้ามเนื้อเฉพาะที่ ในระหว่างการวิ่งอย่างเต็มที่ การใช้ออกซิเจนสูงสุด ($\text{V}\text{O}_{2\text{peak}}$) ที่ทำได้บนทางลาดลงที่ชัน (-15%) จะต่ำกว่าที่วัดได้บนทางราบ (0%), ทางชันขึ้นปานกลาง (+7.5%), ทางชันขึ้นมาก (+15%), หรือทางลาดลงปานกลาง (-7.5%) อยู่ 10% ถึง 17% [14] นอกจากนี้ งานเชิงกลภายนอกที่เป็นลบคิดเป็นเพียง 6% ของงานเชิงกลทั้งหมดที่ความชันขาขึ้น +15% แต่จะขยายเป็น 92% เมื่อวิ่งลงทางลาด -15% ซึ่งในระหว่างนั้น ระดับออกซิเจนในกล้ามเนื้อ vastus lateralis จะยังคงสูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากความต้องการออกซิเจนทางเมแทบอลิซึมลดลงในเนื้อเยื่อที่รับภาระแบบ eccentric [14]

ปัจจัยกำหนดทางชีวกลศาสตร์ของต้นทุนพลังงานในการวิ่งขึ้นและลงทางลาด

การเปลี่ยนแปลงทางเมแทบอลิซึมที่สังเกตได้จากการปรับความเร็วและความชันถูกควบคุมโดยตรงจากการเปลี่ยนแปลงของกลศาสตร์การก้าว การกระตุ้นการทำงานของกล้ามเนื้อ และภาระที่กระทำต่อข้อต่อ [P2] ระดับความชันเมื่อรวมกับการกระตุ้นการทำงานของกล้ามเนื้อ soleus และ vastus lateralis จากการตรวจคลื่นไฟฟ้ากล้ามเนื้อ สามารถทำนายการใช้พลังงานทั้งหมดได้อย่างแม่นยำถึง 96% [3]

เมื่อเทียบกับการวิ่งบนพื้นราบ การเคลื่อนที่ขึ้นทางชันต้องการการปรับตัวเชิงระยะและเวลาที่แตกต่างออกไป [P2]:

• ความถี่และความยาวก้าว: นักวิ่งจะลดเวลาลอยตัวในอากาศและความยาวก้าวลง พร้อมกับเพิ่มความถี่ก้าวเพื่อรักษาการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าต้านแรงโน้มถ่วง [2], [6]
• ระยะเวลาของแต่ละช่วงการก้าว: การวิ่งขึ้นเนินจะทำให้ระยะเวลาช่วงลอยตัวและช่วงแกว่งขาสั้นลง ในขณะที่เพิ่ม duty factor และเวลาสัมผัสพื้นสัมพัทธ์เพื่อส่งแรงขับเคลื่อนตลอดช่วงสัมผัสพื้นที่คงที่ [2], [6]
• งานเชิงกล: งานเชิงกลภายในและภายนอกเพิ่มขึ้นอย่างมากเพื่อยกจุดศูนย์ถ่วงของนักวิ่งขึ้นอย่างต่อเนื่อง [2], [6]

ในทางกลับกัน การเคลื่อนที่ลงทางลาดจะเพิ่มความยาวก้าวและเวลาลอยตัวในอากาศ ในขณะที่ลดความถี่ก้าวลง [2] แม้ว่าความลาดชันลงจะช่วยลดความเค้นของระบบหัวใจและปอด แต่จะขยายความเค้นจากแรงกระแทกต่อระบบกระดูกและกล้ามเนื้ออย่างเห็นได้ชัด: การเดินลงทางลาดจะสร้างแรงกระแทกมากกว่าการเดินบนทางราบถึงสามเท่า และส่งผลเสียต่อการรับรู้ตำแหน่งของข้อเข่าหลังจากการเดินต่อเนื่อง [7], [8] ในทางตรงกันข้าม การเดินขึ้นเนินที่ความชัน 5–10% จะช่วยลดความเค้นจากการกางของข้อเข่าที่กระทำต่อกระดูกอ่อนข้อเข่าเมื่อเทียบกับทางราบและทางลาดลง ซึ่งแสดงให้เห็นถึงรูปแบบความเค้นต่อข้อต่อที่ต่ำกว่าควบคู่ไปกับความต้องการทางเมแทบอลิซึมที่สูงขึ้น [8] เมื่อฝึกซ้อมต่อเนื่องเป็นบล็อกระยะยาว การใช้ประโยชน์จากความต้องการทางชีวกลศาสตร์ของเนินที่ชันขึ้น (ความชันประมาณ 7.6%) จะช่วยพัฒนาความเร็วสูงสุดในการสปรินต์ 30 เมตร สมรรถนะการทดสอบเวลา 800 เมตร และความทนทานของความแข็งแรงของกล้ามเนื้อ [6]

แบบจำลองทางคณิตศาสตร์: ACSM, Pandolf และข้อจำกัดเชิงประจักษ์

นักสรีรวิทยาการออกกำลังกายใช้สมการทำนายเพื่อประมาณอัตราเมแทบอลิซึมและ $\text{V}\text{O}_2$ ในความเร็วและความชันที่หลากหลาย แม้ว่าแบบจำลองเหล่านี้จะมีข้อจำกัดที่ได้รับการบันทึกไว้ในกลุ่มประชากรที่แตกต่างกันก็ตาม

สมการเมแทบอลิซึมของ ACSM

สมการเมแทบอลิซึมของ American College of Sports Medicine (ACSM) สำหรับการใช้ออกซิเจนในการวิ่ง จำลองการใช้ออกซิเจนรวม (gross uptake) ระหว่างการออกกำลังกายในสภาวะคงที่ที่ความเร็วมากกว่า 5.0 ไมล์/ชม. (134 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$) [13], [16]:

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

โดยที่ $S$ คือความเร็วในหน่วย $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ (1 ไมล์/ชม. = 26.8224 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$) และ $G$ คือความชันในรูปเศษส่วน (เช่น 5% = 0.05) [13], [16] สำหรับการเดิน ACSM จำลอง gross $\text{V}\text{O}_2$ ไว้ดังนี้ [18]:

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

โดยจัดสรร 0.1 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ ให้กับการเคลื่อนที่ในแนวนอนต่อ $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ และ 1.8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ ให้กับการไต่ขึ้นในแนวตั้ง [18]

การศึกษาความเที่ยงตรงชี้ให้เห็นข้อผิดพลาดในการทำนายอย่างเป็นระบบของสูตร ACSM โดยพบว่าสมการการวิ่งประเมินค่า $\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$ ที่วัดได้สูงเกินไป 14.6% ในนักกีฬาชายระดับแข่งขันระหว่างการทดสอบบนลู่วิ่งแบบปรับความชัน [16] แบบจำลองการถดถอยเชิงเส้นที่รวมอายุ ดัชนีมวลกาย ความชัน และระยะเวลาการทดสอบจะให้ความแม่นยำในการทำนายที่สูงกว่าในกลุ่มนักกีฬาโดยไม่ประเมินค่าสูงเกินไปอย่างเป็นระบบ [16] ในทำนองเดียวกัน สมการการเดินของ ACSM จะประเมินการใช้พลังงานสูงเกินไปตามความหนักของการออกกำลังกายที่เพิ่มขึ้น (ตั้งแต่ 0.44% ที่ 2 ไมล์/ชม. จนถึง 20.3% ที่ระดับความพยายามสูงสุด) [19] จากการทดสอบการเดิน 1,078 ครั้ง แบบจำลองการทำนายมาตรฐาน (รวมถึง ACSM และ Pandolf) แสดงค่ารากของค่าคลาดเคลื่อนกำลังสองเฉลี่ย (RMSE) อยู่ระหว่าง 7.8% ถึง 23.5% ของอัตราเมแทบอลิซึมที่วัดได้ [20] ความคลาดเคลื่อนเหล่านี้ส่วนหนึ่งมาจากการที่กลุ่มตัวอย่างในการตรวจสอบความเที่ยงตรงดั้งเดิมของ ACSM ใช้กลุ่มตัวอย่างขนาดเล็กมาก ($n = 2$ ถึง $n = 3$) ซึ่งเป็นเพศชายอายุน้อยและผ่านการฝึกฝนมาแล้ว [19]

สมการของ Pandolf และการรับน้ำหนักบรรทุก

สำหรับการเดินที่แบกน้ำหนักและบนพื้นผิวที่หลากหลาย สูตรของ Pandolf et al. จะจำลองต้นทุนทางเมแทบอลิซึม ($M_W$ ในหน่วยวัตต์) [21]:

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

โดยที่ $W$ คือมวลกาย (กก.), $L$ คือน้ำหนักบรรทุกภายนอก (กก.), $V$ คือความเร็ว (ม./วินาที), $G$ คือเปอร์เซ็นต์ความชัน (%), และ $\eta$ คือปัจจัยสภาพพื้นผิว (terrain factor) ($\eta = 1.0$ สำหรับลู่วิ่งไฟฟ้าหรือถนนลาดยาง) [21] เนื่องจากแบบจำลองดั้งเดิมของ Pandolf สูญเสียความเที่ยงตรงบนทางลาดลง Santee et al. จึงได้สร้างตัวคูณปรับแก้สำหรับทางลาดลง ($CF$) ขึ้น [21]:

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

โดยที่ต้นทุนทางเมแทบอลิซึมทั้งหมดจะเท่ากับค่าประมาณเริ่มต้นของ Pandolf ลบด้วย $CF$ [21]

การปรับเทียบความชันของลู่วิ่งเพื่อให้เทียบเท่าการวิ่งบนพื้นดินจริง

การวิ่งบนลู่วิ่งไฟฟ้าทางราบที่ความชัน 0% จะก่อให้เกิดความต้องการทางพลังงานที่ต่ำกว่าการวิ่งบนพื้นดินจริงที่ความเร็วเดียวกัน [P1] การวิ่งกลางแจ้งต้องการการใช้พลังงานมากกว่าประมาณ 5% เนื่องจากแรงต้านของอากาศและความต้องการเชิงกลในการออกแรงผลักตัวเองไปข้างหน้าบนพื้นดินที่อยู่นิ่ง เทียบกับการรักษารักษาระดับตำแหน่งบนสายพานที่หมุนด้วยมอเตอร์ [11]

เพื่อชดเชยการขาดการไหลเวียนของอากาศสัมพัทธ์ในร่ม จึงมีการใช้การปรับความชันที่เฉพาะเจาะจงตามเกณฑ์ความเร็ว [13]:

• เพซที่ช้ากว่า 8:00/ไมล์ (ต่ำกว่า ~12 กม./ชม.): ความชัน 0.5% จะช่วยชดเชยทางพลังงานได้อย่างเพียงพอ [13]
• เพซระหว่าง 6:30 ถึง 7:30/ไมล์ (13–15 กม./ชม.): แนะนำให้ใช้ความชัน 1.0% เพื่อให้การใช้ออกซิเจนและต้นทุนทางเมแทบอลิซึมเทียบเท่ากับการวิ่งกลางแจ้ง [11], [13]
• เพซที่เร็วกว่า 6:00/ไมล์ (เกินกว่า ~16–18 กม./ชม.): จำเป็นต้องมีความชัน 1.5% ถึง 2.0% เพื่อชดเชยแรงต้านของอากาศอย่างมีนัยสำคัญที่เกิดขึ้นที่ความเร็วสูงขึ้นกลางแจ้ง [13]