Điều chỉnh độ dốc máy chạy bộ và tiêu hao năng lượng khi chạy ngoài trời

Nguồn gốc của quy tắc độ dốc 1%

Trong nhiều thập kỷ, việc cài đặt máy chạy bộ cơ giới ở độ dốc 1% đã trở thành phương pháp tiêu chuẩn của các vận động viên chạy bền nhằm tái tạo mức tiêu hao năng lượng của việc chạy ngoài trời [1], [3]. Hướng dẫn này chủ yếu bắt nguồn từ một nghiên cứu năm 1996 của A. M. Jones và các đồng nghiệp, đánh giá 9 nam vận động viên chạy cự ly đã qua đào tạo hoàn thành các hiệp chạy 6 phút ở 6 mức vận tốc khác nhau dao động từ 2,92 m/s (khoảng 9:11 phút/dặm) đến 5,00 m/s (khoảng 5:22 phút/dặm) trên các độ dốc máy chạy bộ khác nhau (0%, 1%, 2% và 3%) song song với việc chạy trên đường bằng ngoài trời [1], [3]. Trước nghiên cứu này, các độ dốc tùy ý như 1,0% và 2,0% đôi khi được sử dụng trong các quy trình phòng thí nghiệm mà không có sự xác thực nghiêm ngặt về mặt năng lượng [3].

Jones và Doust đã chứng minh rằng chạy trên máy chạy bộ cơ giới phẳng (độ dốc 0%) dẫn đến lượng hấp thụ oxy dưới mức tối đa ($\dot{V}\text{O}_2$) thấp hơn so với chạy trên đường ngoài trời ở cùng vận tốc [1], [3]. Sự thâm hụt chuyển hóa khi chạy trên máy chạy bộ 0% tỷ lệ thuận với tốc độ, thấp hơn $\dot{V}\text{O}_2$ khoảng 1,5 mL·kg⁻¹·min⁻¹ ở 2,92 m/s và nới rộng lên khoảng 3,0 mL·kg⁻¹·min⁻¹ ở 5,00 m/s [3]. Những mức thâm hụt năng lượng này tương ứng với việc giảm nhịp tim từ 3 đến 8 nhịp mỗi phút khi chạy trong nhà [3].

Trên toàn bộ dải vận tốc được thử nghiệm, độ dốc máy chạy bộ 1% thể hiện tương quan thống kê tổng thể cao nhất và sự tương đương về mặt năng lượng với việc chạy trên đường bằng phẳng ($r > 0,99$) [1]. Tuy nhiên, dữ liệu cho thấy sự phụ thuộc rõ rệt vào tốc độ [1]:

• Ở vận tốc chậm hơn (2,92 m/s và 3,33 m/s), $\dot{V}\text{O}_2$ ngoài trời không khác biệt đáng kể so với độ dốc máy chạy bộ 0% hoặc 1% [1].
• Ở tốc độ trung bình (3,75 m/s), chỉ có độ dốc 1% là khớp thành công với chi phí chuyển hóa ngoài trời [1].
• Ở vận tốc nhanh hơn (4,17 m/s đến 4,58 m/s), $\dot{V}\text{O}_2$ ngoài trời tương đương với cả độ dốc máy chạy bộ 1% và 2% [1].

Các đánh giá lại hiện đại và sự khác biệt về chuyển hóa

Mặc dù quy tắc 1% vẫn được áp dụng rộng rãi, các đánh giá sinh lý tiếp theo cho thấy chạy trên máy chạy bộ không phải lúc nào cũng ước tính thấp hơn chi phí chuyển hóa của việc chạy ngoài trời [3], [4]. Trong một nghiên cứu năm 2024 do Nolè và các đồng nghiệp tại ETH Zurich thực hiện, 14 nam vận động viên chạy bộ được đào tạo bài bản (độ tuổi trung bình 28 ± 5 tuổi, $\dot{V}\text{O}_2$ đỉnh đạt 64 ± 4 mL·kg⁻¹·min⁻¹) đã thực hiện các lượt chạy 5 phút ở tốc độ 14 km/h (3,89 m/s hoặc 4:17 phút/km) trên cả đường chạy ngoài trời và máy chạy bộ cơ giới ở độ dốc 1% trong khi được theo dõi bằng thiết bị đo chuyển hóa cầm tay [4].

Trái ngược với giả định rằng độ dốc 1% sẽ chuẩn hóa nhu cầu chuyển hóa, các vận động viên trên máy chạy bộ 1% cho thấy các chỉ số tim mạch hô hấp tăng cao đáng kể so với đường chạy ngoài trời [4]:

• $\dot{V}\text{O}_2$ trong nhà cao hơn 12,6 ± 5,5% ($p < 0,001$, $D_z = 2,6$) [4].
• Nhịp tim trong nhà cao hơn 5,5 ± 3,7% ($p < 0,001$, $D_z = 1,5$) [4].
• Thông khí phút trong nhà cao hơn 15,0 ± 0,1% ($p < 0,001$, $D_z = 2,6$) [4].

Trong một phân tích phân nhóm riêng biệt, việc thêm độ dốc 1% vào băng chạy phẳng đã làm tăng $\dot{V}\text{O}_2$ thêm 4,4 ± 2,4% ($p = 0,026$) [4]. Ở nhóm đối tượng này, việc chạy trên băng tải cơ giới phẳng (0%) vốn đã tương đương hoặc đòi hỏi nhiều năng lượng chuyển hóa hơn so với chạy trên đường chạy ngoài trời bằng phẳng, có nghĩa là việc tăng thêm 1% độ dốc đã làm trầm trọng thêm chứ không phải điều chỉnh sự chênh lệch năng lượng [3], [4].

Động lực năng lượng tương tự cũng được quan sát thấy khi đi bộ; các đánh giá hệ thống xác nhận rằng đi bộ trên máy chạy bộ cơ giới ở tốc độ tương đương tạo ra $\dot{V}\text{O}_2$ tương đối cao hơn đáng kể (chênh lệch trung bình chuẩn hóa [SMD] = 0,38) và guồng chân cao hơn (SMD = 0,22) so với đi bộ trên mặt đất [10]. Các phản ứng về mặt cảm nhận và tim mạch cũng phân hóa theo vận tốc, với nhịp tim và mức độ gắng sức cảm nhận (RPE) trên máy chạy bộ cao hơn ở tốc độ nhanh hơn [10].

Thích ứng cơ sinh học trên băng chạy cơ giới

Để hiểu tại sao chi phí chuyển hóa không hoàn toàn tương đồng chỉ dựa trên lực cản khí động học, các nhà nghiên cứu đã phân tích cơ học chi dưới trên các bề mặt khác nhau. Các tổng quan hệ thống toàn diện và phân tích gộp từ các nghiên cứu chéo so sánh việc chạy trên máy chạy bộ cơ giới không dốc với chạy trên mặt đất cho thấy những thay đổi nhất quán về động học và động lực học [7], [10]:

1. Động học tiếp đất và khớp cổ chân: Chạy trên máy chạy bộ cơ giới tạo ra góc chân - mặt đất trong mặt phẳng đứng dọc tại thời điểm tiếp xúc ban đầu nhỏ hơn đáng kể (chênh lệch trung bình [MD] = −9,8° [KTC 95%: −13,1 đến −6,6]), cho thấy vị trí đặt chân phẳng hơn một cách có hệ thống khi tiếp đất [7], [15]. Mô-men nội tại của khớp cổ chân trong mặt phẳng đứng dọc cao hơn đáng kể khi chạy trên máy chạy bộ (MD = −0,4 Nm/kg) [7].
2. Động lực học khớp gối: Biên độ gập gối trong pha chống đỡ từ lúc tiếp đất đến lúc chịu tải tối đa lớn hơn trên máy chạy bộ (MD = 6,3° [KTC 95%: 4,5 đến 8,2]), đi kèm với độ gập gối cao hơn ở thời điểm tiếp xúc ban đầu (MD = −2,3°) [7].
3. Trọng tâm cơ thể (COM) và lực phản lực mặt đất: Chạy trên máy chạy bộ cơ giới dẫn đến độ dịch chuyển thẳng đứng của trọng tâm cơ thể và xương chậu giảm (MD = −1,5 cm) và lực đẩy tối đa thấp hơn (MD = −0,04 trọng lượng cơ thể) [7].
4. Các thông số thời gian: Thời gian tiếp xúc dài hơn một chút trên các nhóm người trưởng thành gộp lại khi chạy trên máy chạy bộ cơ giới (MD = 5,0 ms) [7]. Tuy nhiên, ở các nhóm vận động viên được đào tạo bài bản như vận động viên chạy việt dã NCAA Division I, chạy trên máy chạy bộ ở độ dốc 0% và 1% tạo ra thời gian chống đỡ ngắn hơn (ngắn hơn 14–16 ms), thời gian đu ngắn hơn (ngắn hơn 11–12 ms) và guồng chân cao hơn (nhanh hơn ~3,2–3,5 bước/phút) so với chạy trên đường chạy trong nhà, mà không có sự khác biệt đáng kể về không gian - thời gian giữa điều kiện máy chạy bộ 0% và 1% [8].

Ảnh hưởng năng lượng của việc chạy dốc

Khi độ dốc được chủ động điều chỉnh vượt ra ngoài các mức điều chỉnh nhỏ 1%, tải trọng cơ học và nhu cầu năng lượng sẽ thay đổi đáng kể [12], [13], [14]. Khi chạy lên dốc trên máy chạy bộ có gắn thiết bị đo ở độ dốc 7% (4,17 m/s), guồng chân tăng 4,5%, chiều dài bước chạy giảm 4,3% và thời gian trên không giảm 13,7% so với chạy trên máy chạy bộ phẳng [12]. Ở độ dốc lên dốc cao hơn (+9°), lực đẩy đỉnh song song tăng khoảng 75% trong khi lực tác động va chạm trực diện giảm [14]. Ngược lại, chạy xuống dốc ở mức −9° làm tăng lực va chạm trực diện lên 54% và lực hãm song song lên 73% [14].

So sánh trực tiếp giữa độ dốc trên mặt đất và trên máy chạy bộ (độ dốc +8° ở 8, 10 và 13 km/h) cho thấy chạy lên dốc trên mặt đất tạo ra tốc độ chịu tải pháp tuyến trung bình cao hơn (khoảng 14,4 ± 7,1 BW/s), xung lực pháp tuyến lớn hơn (khoảng 0,04 ± 0,02 BW·s) và độ lệch trọng tâm thẳng đứng lớn hơn (khoảng 0,092 ± 0,031 m) so với máy chạy bộ có thiết bị đo [13]. Bất chấp những khác biệt nhỏ về động lực học, máy chạy bộ cơ giới vẫn là một công cụ thay thế cơ học hợp lý cho việc tập luyện độ dốc ngoài trời, miễn là người tập tính đến sự thay đổi của các véc-tơ lực [13].

Máy chạy bộ cong không dùng động cơ mang lại một đặc tính năng lượng hoàn toàn khác biệt; chạy trên thảm chạy cong thủ công đòi hỏi năng lượng chuyển hóa lớn hơn từ 10% đến 30% so với máy chạy bộ cơ giới ở cùng tốc độ, làm tăng $\dot{V}\text{O}_2$ thêm 12% và nhịp tim thêm ~10% [19]. Sự gia tăng này xuất phát từ yêu cầu thể chất phải chủ động tạo ra lực đẩy về phía sau để dịch chuyển băng chạy, làm tăng hoạt hóa điện cơ (EMG) của nhóm cơ gân kheo từ 18% đến 22% [19].

Hướng dẫn áp dụng cho vận động viên và huấn luyện viên

Tổng hợp các tài liệu sinh lý học và cơ sinh học mang lại những giới hạn rõ ràng cho việc sử dụng điều chỉnh độ dốc máy chạy bộ:

• Dưới 13 km/h (< 3,6 m/s, hoặc > 4:30 phút/km): Mức hao hụt chuyển hóa do thiếu lực cản không khí là không đáng kể (< 1,5 mL·kg⁻¹·min⁻¹) [1], [3]. Cài đặt máy chạy bộ ở độ dốc 0% tái tạo gần như chính xác chi phí năng lượng ngoài trời. Việc thêm độ dốc 1% ở những tốc độ này sẽ làm tăng nhu cầu năng lượng cao hơn mức cơ bản ngoài trời [1], [4].
• Từ 13 đến 18 km/h (3,6 đến 5,0 m/s): Lực cản không khí trở thành một thành phần ngày càng có ý nghĩa đối với tính kinh tế khi chạy ngoài trời [1], [3]. Tuy nhiên, do bề mặt chạy trong nhà, điều kiện nhiệt độ và giới hạn không gian vốn có thể làm tăng áp lực tim mạch hô hấp (lên tới ~12% ở các vận động viên được đào tạo) [4], việc áp dụng độ dốc 1% đại trà là không bắt buộc và có thể ước tính quá mức nhu cầu năng lượng ngoài trời [3], [4].
• Các hiệp biến tốc cường độ cao (> 18 km/h hoặc > 5,0 m/s): Khi cố gắng khớp chi phí năng lượng của việc chạy trên đường ngoài trời ở tốc độ tập luyện nhanh mà không có luồng không khí tốc độ cao, các điều chỉnh độ dốc từ 1% đến 2% sẽ bù đắp cho lực cản khí động học bị thiếu [1].
• Tính đặc hiệu cơ sinh học: Thay đổi độ dốc làm biến đổi động học chi dưới, mô-men khớp và guồng chân [7], [8], [12]. Các vận động viên sử dụng máy chạy bộ để chuẩn bị thần kinh cơ theo tốc độ chuyên biệt cần lưu ý rằng chạy trên máy chạy bộ phẳng (0%) bảo tồn các mô hình động học đầu gối và mắt cá chân khớp chặt chẽ với chạy trên đường chạy, trong khi việc tăng độ dốc không cần thiết sẽ làm thay đổi các thông số sải chân mà không đảm bảo sự tương đương về năng lượng [4], [7], [8].