Зачем нужна экономичность в беге?
При одинаковой скорости бегуны с хорошей экономичностью бега (ЭБ) используют меньше энергии и кислорода, чем бегуны с плохой экономичностью бега. Многие исследования доказывают, что ЭБ является лучшим прогнозирующим параметром производительности у элитных бегунов по сравнению с максимальным потреблением кислорода (VO2max).
Евгений Суборов рассказывает о том, что такое экономичность бега, как её измерить и развить.
Вместо введения
Наилучшая производительность бега достигается при выработке энергии в аэробных (то есть с участием кислорода) условиях. Тогда как успешность выступления атлетов соревновательного уровня чаще всего связывают с показателем максимального потребления кислорода (VO2max), производительность на соревнованиях напрямую связана с изменениями в доступности кислорода (грубо говоря, «хватает» бегуну кислорода или нет), углеводов, жиров, а также количества митохондрий в мышцах. На сам показатель VO2max влияет большое количество факторов, включая плотность капилляров в мышцах, уровень гемоглобина, ударный объём сердца (количество крови, выбрасываемой сердцем за одно сокращение), активность аэробных ферментов, а также состав волокон мышечной ткани.
Хотя для бега на длинные дистанции необходимы высокие цифры VO2max, возможность успешного участия в соревнованиях на выносливость определяется гораздо большим количеством физиологических факторов.
Эти факторы зависят от длины дистанции и включают в себя максимальный процент от VO2max, который бегун может поддерживать без сопутствующего накопления лактата, способность утилизировать жиры в качестве топлива при работе на высоких скоростях, «сохраняя» углеводы, и бег с соревновательной скоростью при сравнительно малом расходе энергии (то есть хорошей эффективностью бега). Индикаторами производительности в беге на длинные дистанции можно считать скорость, развиваемую на VO2max (vVO2max), и скорость, при которой в крови начинает накапливаться лактат.
Эффективная утилизация доступных источников энергии облегчает поддержание оптимальной производительности на любых беговых соревнованиях на выносливость. Эффективность определяется отношением проделанной работы к потраченной энергии. Экономичность бега характеризуется количеством потраченной энергии и равна субмаксимальному VO2 при определенной скорости бега. Энергетическая цена бега отражает сумму (или вовлечённость) аэробного и анаэробного метаболизма, аэробная потребность (измеряемая с помощью VO2 в л/мин) при определённой скорости необязательно вносит свой вклад в общую энергетическую цену бега, измеряемую в джоулях/килоджоулях выполненной работы.
При одинаковой скорости бегуны с лучшей экономичностью бега тратят меньше кислорода, чем бегуны с худшей экономичностью. Экономичность бега может варьировать у бегунов с одинаковым VO2max примерно на 30%!
У элитных или около-элитных бегунов с одинаковыми значениями VO2max экономичность бега является лучшим прогностическим показателем производительности, чем максимальное потребление кислорода. Из этого следует, что улучшение экономичности бега должно повлечь за собой улучшение производительности и результативности у бегунов на длинные дистанции.
Измерение экономичности бега
Беговая дорожка и бег на улице
Измерение ЭБ обычно проводятся в лаборатории, с использованием беговой дорожки. Этот метод облегчает получение целого ряда данных, которые трудно измерить в «полевых» условиях, то есть во время тренировки на улице или на соревнованиях. Например, сопротивление воздуха эффективно устраняется при беге в лаборатории. Однако необходимо с осторожностью интерпретировать результаты, полученные на дорожке, при тренировках на улице.
Так, L. G. Pugh и соавторы выяснили, что примерно 8% от общей цены бега на средних дистанциях (5000 метров) расходуется на преодоление сопротивления воздуха. В другом исследовании авторы обнаружили, что при беге на средние дистанции на преодоление сопротивления воздуха затрачивается 4% от общей цены бега и 2% при беге на марафонской дистанции. При скорости попутного ветра, равной скорости бега, значение VO2 на улице было равно этому значению, полученному на беговой дорожке.
Различия между беговой дорожкой и улицей становятся ещё более выраженными при увеличении скорости, а фактор сопротивления воздуха становится более выражен. В исследовании F. Hagerman авторы выявили более низкие значения VO2 на высоте (там, где воздух менее плотный) по сравнению с показателями на уровне моря. Используя встречный ветер со скоростью 14,5 км/ч для симуляции условий вне помещения, D. L. Costill и E. L. Fox продемонстрировали 15% разницу значений VO2 между контрольными условиями (нет ветра) и условиями с ветром. Очевидно, что работа на беговой дорожке отличается от бега вне помещения, когда мышцы задней поверхности бедра активно используются для создания пропульсивного (проталкивающего) усилия.
Коррекция эффективности бега в зависимости от веса тела
Экономичность бега может быть выражена в виде отношения VO2 бегуна, делённого на массу тела в килограммах. Однако стоит отметить, что субмаксимальные значения VO2 во время бега не увеличиваются пропорционально массе тела. На эффективность бега влияет не только масса тела, но также распределение веса. Расположение массы дальше от условного «центра тела» повышает аэробную цену бега в большей степени по сравнению с расположением массы ближе к центру.
Аэробная потребность возрастает примерно на 1% на каждый избыточный килограмм массы тела, расположенной на туловище. Однако, когда основное расположение «лишнего» веса приходится, например, на беговую обувь (тяжелые кроссовки) аэробная потребность повышается на 10% на каждый лишний килограмм.
B. H. Jones в своём исследовании обнаружил, что при скорости бега примерно 12 км/ч (около 5 мин/км) на каждый лишний килограмм, расположенный на ногах (точнее, на ступнях), потребление кислорода в среднем увеличивается на 4,5%. Иными словами, бег в тяжёлых тренировочных кроссовках дастся вам тяжелее, а затраты энергии будут больше по сравнению с бегом в лёгких «марафонках» на той же скорости.
В другом исследовании изучались эффекты наличия дополнительного веса на ступнях или бёдрах. Авторы продемонстрировали, что VO2 повышается на 7% на каждый килограмм избыточного веса в области бедра и на 14% на каждый килограмм избыточного веса в области стоп. Отсюда можно сделать вывод, что бегуны с более стройными ногами и хорошей эффективностью бега могут быть быстрее своих более массивных соперников.
Амортизация беговой обуви также влияет на экономичность бега, примерно 2,8% энергии сберегается при беге на дорожке в хорошо амортизирующей обуви (вес плохо и хорошо амортизирующих кроссовок был одинаков). Авторы выдвигают версию, что подобный эффект может наблюдаться из-за развивающегося избыточного мышечного усилия, которое направлено на формирование амортизации в тех случаях, когда обувь не может её обеспечить.
Экономичность бега и производительность
Зависимость производительности от экономичности бега хорошо известна. При сравнении элитных американских бегунов (VO2max 79 мл/кг/мин) и хорошо подготовленных бегунов-любителей (VO2max 69,2 мл/кг/мин) было установлено, что элитные бегуны демонстрировали лучшую эффективность бега, то есть работали на более низком проценте от VO2max.
Было установлено, что повышение экономичности на 5% способствует улучшению производительности бега примерно на 3,8%. Кроме того, было доказано, что ЭБ является хорошим фактором, предсказывающим производительность у бегунов с одинаковыми возможностями.
Также были получены тесные взаимосвязи между субмаксимальным значением VO2max и производительностью при разных скоростях бега (14, 16, 18 км/ч). В некоторых случаях производительность бега варьировалась на 65%, что может быть результатом разной ЭБ, когда более экономичные бегуны имели наилучшую производительность.
Более экономичные бегуны могли бежать с фиксированной скоростью на меньшем значении VO2max, а также имели более низкий уровень лактата. Последний фактор (лактат) напрямую связан с тем, какой темп бегун способен поддерживать на дистанции более 15 минут. Эти данные также показывают, что ЭБ на низких скоростях полезна в предсказании производительности для более быстрых стартов.
Очевидно, что на ЭБ влияет большое количество факторов, а любое вмешательство (тренировка, нахождение на высоте, жаркая погода), которое позволяет уменьшить кислородную цену на разных скоростях бега, непременно приведёт к улучшению производительности в беге на длинные дистанции, что было показано в целом ряде работ.
Физиологические факторы, влияющие на экономичность бега
На изменения экономичности бега во время соревнований могут влиять колебания физиологических факторов: температуры тела, частоты сердечных сокращений, вентиляции (дыхание) и уровня лактата. В ряде работ было показано, что с увеличением интенсивности вентиляции (более активное дыхание спортсмена) увеличивается и кислородная цена (тратится большее количество кислорода во время бега), а более высокая температура повышает максимальное потребление кислорода при стабильной скорости бега.
Повышение метаболической цены в результате напряжения сердечно-сосудистой системы, усиления вентиляции лёгких и интенсивного потоотделения — основные факторы, повышающие субмаксимальное VO2 и снижающие эффективность бега. Состав мышечных волокон также оказывает своё влияние на ЭБ.
Предполагается, что больший процент медленно-сокращающихся (slow-twitch) мышечных волокон связан с лучшей экономичностью бега.
Существует дефицит данных относительно связи тренированности и эффективности бега. Исходный уровень подготовленности является самым важным фактором, определяющим рост ЭБ в процессе тренировок. Многочисленные исследования доказали, что тренированные люди демонстрируют большую экономичность, чем нетренированные или плохо тренированные люди. Кроме этого, было доказано, что бегуны на длинные дистанции показывают большую экономичность, чем бегуны на средние дистанции.
Лучшая экономичность у бегунов на длинные дистанции в основном связана с меньшими вертикальными колебаниями центра масс атлета при беге, что, возможно, связано с нейромышечной адаптацией, развивающейся под влиянием длинных медленных пробежек. Тренировки на выносливость приводят к улучшению морфологии и функциональности митохондрий в скелетной мускулатуре. Повышение кислородной ёмкости скелетной мускулатуры позволяет тренированным бегунам использовать меньшее количество кислорода для поддержания субмаксимальной скорости бега. Эти изменения приводят к улучшению экономичности бега, менее выраженным нарушениям гомеостаза и более медленной утилизации гликогена мышцами при их работе.
Daniels обнаружил, что бегуны на 800/1500 метров были экономичнее марафонцев на скорости больше 19 км/ч (чуть быстрее 3 мин/км), хотя их экономичность была ниже марафонцев, бегущих с более медленной скоростью.
При равной скорости и интенсивности мужчины более экономичны в беге, чем женщины, однако на соревновательных скоростях никаких различий в экономичности бега между мужчинами и женщинами отмечено не было.
J. Franch и соавторы исследовали влияние трёх типов интенсивного бегового тренинга на ЭБ у 36 бегунов-любителей (VO2 = 55 мл/кг/мин). Атлеты были поделены на три группы: тренировки с длительным непрерывным бегом, тренировки с длинными повторениями (4-6 повторений по 4 минуты бега с 3 минутами отдыха между повторами) и тренировки с короткими повторениями (30-40 повторений по 15 секунд бега с 15 секундами отдыха). Занятия проходили 3 раза в неделю на протяжении 6 недель. Бегуны из группы длительного непрерывного бега и длинных повторений повысили свою ЭБ примерно на 3%, тогда как тренировки с короткими повторениями мало повлияли на эффективность бега (улучшение примерно 0,9%).
Эти данные означают, что длинные пробежки являются одним из лучших способов улучшить экономичность бега.
Ряд авторов предполагает, что в тренировках, направленных на улучшение ЭБ, необходимо концентрироваться на улучшении таких физиологических переменных, как ЧСС, вентиляция лёгких, уровень лактата, температура для уменьшения потребности в энергии, связанной с данными параметрами. Интервальные пробежки могут улучшать ЭБ путем снижения ЧСС, интенсивности вентиляции и уровня лактата на высоких скоростях.
Биомеханические факторы, влияющие на экономичность бега
Бег предполагает изменения мышечных усилий, реализуемых через сложные комбинации движений, затрагивающих все крупные суставы организма. Высокопроизводительный бег основан на опыте и точной согласованной работе всех компонентов, участвующих в движении. Очевидно, что улучшение или изменение беговой механики, позволяющее атлету тратить меньше энергии во время бега, приводит к улучшению производительности.
Пружинно-массовая модель наилучшим образом объясняет ЭБ, когда «прыжок» (или подскок) тела нейтрализуется опорной ногой, ведущей себя подобно пружине. Во время эксцентрической фазы (когда происходит растягивание мышц) происходит накопление механической энергии в мышцах, сухожилиях и связках, окружающих суставы. Восстановление во время концентрической фазы запасённой упругой энергии снижает расход энергии.
Несколько исследований, изучавших взаимосвязь между механикой и эффективностью бега после выполнения упражнений «до усталости» обнаружили очень незначительное изменение механики бега, которое не могло объяснить уменьшение эффективности бега. В противоположность этому, C. Hausswirth показал, что эффективность бега была нарушена в последние 45 минут марафонского забега, что отчасти объяснялось нарушением биомеханики, в частности, большим наклоном вперёд и снижением длины шага.
В схожем исследовании, изучавшем влияние преодоления марафонской дистанции на эффективность бега, как субмаксимальное потребление кислорода, так и респираторный коэффициент (отношение выделенного CO2 к поглощенному O2) были повышены в ходе марафона, а также в течение 2 часов после его окончания. Ухудшение ЭБ в данном случае не может быть объяснено лишь одной биомеханикой, скорее, чрезмерным физиологическим стрессом (накопление тепла и усиление метаболизма жиров), связанным с преодолением марафона.
Обобщая доступные в литературе данные, можно сказать, что ухудшение эффективности бега, связанное с усталостью, происходит в основном из-за физиологических, а не биомеханических факторов.
Антропометрия
Антропометрические характеристики (рост, длина конечностей, процент жира, масса тела) являются важными факторами, влияющими на эффективность бега.
В то время как длина нижних конечностей вносит определённый вклад в скорость и метаболическую цену перемещения самих ног во время бега, не существует единого мнения о том, является ли длина ног важным фактором, определяющим ЭБ. В ряде исследований не было показано взаимосвязи между длиной ног, скоростью и эффективностью бега.
В других исследованиях было показано, что более тяжёлые бегуны используют меньшее количество кислорода на килограмм массы, кроме того, бегуны с меньшей массой (в том числе и массой конечностей) производят меньшую работу по перемещению тела, то есть движутся быстрее с меньшими энергозатратами.
Кинематика и кинетика
Исследования показали, что выбранная бегунами длина шага способствует большей экономичности бега, чем строго определённый каденс. Кроме того, недавние работы доказали, что аэробная потребность бега при определённой скорости минимальна при выбранной бегуном длине шага.
Было доказано, что нет необходимости навязывать строго определенный каденс хорошо тренированным бегунам, поскольку они сами подбирают оптимальную длину и частоту шагов.
За это могут быть ответственны два феномена. Во-первых, с течением времени бегуны сам вырабатывают оптимальную длину и частоту шагов, основываясь на усилии, развиваемом во время бега. Во-вторых, бегуны физиологически адаптируются в ходе повторяющихся тренировок, «подбирая» определённую длину/частоту шагов для конкретных скоростей.
Первые исследования, сравнивавшие биомеханические характеристики элитных бегунов и хороших бегунов-любителей, показали, что у элитных бегунов меньше вертикальные колебания, они более «симметричны», совершают меньший объём движений руками и имеют лучшую ЭБ.
Недавнее исследование показало, что биомеханические параметры (расстояние между лодыжками, движение в коленном и тазобедренном суставах и т.д.) не оказывали влияние на эффективность бега. Тем не менее, авторы продемонстрировали, что совместная работа мышц, окружающих коленный и голеностопный суставы, повышает жёсткость суставов и может оказывать влияние на эффективность бега.
Гибкость
Ряд исследований показал, что гибкость влияет на экономичность бега. Например, J. J. Godges показал, что подготовленные бегуны-любители повышают экономичность бега при улучшении гибкости нижних конечностей.
Считается, что улучшение гибкости нижних конечностей, миофасциального баланса приводит к улучшению нейромышечного баланса и сократительной способности мышц, что снижает VO2 при субмаксимальных нагрузках. Эти данные совпадают с мнением большинства бегунов и тренеров о том, что для улучшения экономичности бега необходимо повысить гибкость.
С другой стороны, ряд работ продемонстрировал, что плотные мышцы и сухожилия могут привести к увеличению запасов и возврата эластической энергии при движении, что несколько снизит потребность в кислороде во время бега. Эти данные были подтверждены ещё рядом исследований.
Суммируя данные исследований по влиянию гибкости на экономичность бега, можно сказать, что для повышения экономичности необходима гибкость, однако чрезмерное её развитие необязательно — в мышцах и связках должна остаться некоторая «жёсткость» для максимального сохранения и высвобождения энергии во время бега.
Бегунам не следует пренебрегать растяжкой, поскольку гибкость необходима для выработки оптимального каденса на высоких скоростях.
Улучшение экономичности бега
Улучшение экономичности бега возможно с помощью трёх компонентов:
— силовой тренинг,
— высотный тренинг,
— тренировки в тёплых/жарких условиях окружающей среды.
Стоит отметить, что у хорошо тренированных атлетов, имеющих высокую экономичность бега, приобретённую за годы тренировок, дальнейшее её улучшение достигается с большим трудом.
Силовые тренировки
Атлеты, участвующие в соревнованиях на выносливость, должны уметь поддерживать высокую среднюю скорость бега в течение длительного времени. Это придаёт особое значение нервно-мышечным характеристикам, силе и эластичности мышц, механике бега, а также анаэробной ёмкости, имеющейся у атлета.
Силовой тренинг является одним из способов улучшения экономичности бега, позволяя улучшать анаэробные параметры (например, способность продуцировать высокий уровень лактата), а также способствуя укорачиванию времени контакта с поверхностью и повышению скоростной силы.
Тренировки с отягощением улучшают выносливость, а также экономичность бега без выраженного влияния на VO2max. Ряд работ показал, что комбинация тяжелых силовых тренировок и тренировок на выносливость улучшает производительность и экономичность бега.
Специфический вид тренировок, называющийся плиометрический тренинг (при данном типе тренировок используется взрывная сила), вызывает определённые адаптационные изменения, такие как повышение активности моторных единиц нервов без выраженной гипертрофии мышц, характерной для тяжёлых силовых тренировок. С помощью упражнений, включающих в себя прыжки, запрыгивания на предметы, плиометрический тренинг улучшает способность мышц генерировать силу. Кроме того, плиометрические тренировки способствуют повышению жёсткости мышечно-связочного аппарата, что позволяет телу более эффективно накапливать и утилизировать эластическую энергию.
Результатом плиометрических тренировок становится увеличение силы, генерируемой мышцей без пропорционального увеличения потребности в метаболической энергии, что способствует улучшению экономичности бега. Исследования подтвердили улучшение производительности и экономичности без значимого изменения VO2max у умеренно тренированных атлетов после шести недель плиометрических тренировок.
Высотный (высокогорный) тренинг
Влияние высокогорья на выносливость и производительность атлетов была изучена достаточно хорошо. Существует распространённое мнение, что тренировки в условиях высокогорья способствуют улучшению показателей при беге на уровне моря. Механизмы, стоящие за этими улучшениями, неизвестны, но они могут включать в себя гематологические изменения (например, повышение массы красных кровяных телец — эритроцитов), а также местную мышечную адаптацию (например, улучшение буферной ёмкости мышц).
Традиционный подход к высокогорному тренингу состоит в том, что атлетам рекомендуют жить и тренироваться на высоте 1500–3000 метров над уровнем моря. Новейший подход — так называемый live-high train-low (LHTL) — предполагает проживание атлетов на определённой высоте, а тренировки на уровне моря.
Поскольку географическое расположение некоторых стран не позволяет осуществлять тренировки с использованием LHTL-метода, новейшие подходы позволяют симулировать нахождение атлетов в высокогорье в нормобарических условиях (то есть в условиях нормального атмосферного давления), а тренировки проводить на уровне моря.
В настоящее время существует ряд методик, позволяющих моделировать LHTL-условия: например, с использованием дополнительного кислорода (симуляция нормального и сниженного содержания кислорода при выполнении упражнений/сне в условиях высокогорья) или специальных устройств для симуляции гипоксических условий (то есть со сниженным содержанием кислорода в окружающем воздухе) во время сна.
Ещё одной методикой, используемой атлетами, являются перемежающиеся эпизоды гипоксии (низкого содержания кислорода в окружающем воздухе), создаваемые с помощью специальной камеры или вдыхания газа со сниженным содержанием кислорода. Цель такого метода — стимуляция выработки эритропоэтина (один из гормонов почек, стимулирующий созревание эритроцитов).
Высотная акклиматизация приводит как к центральной, так и к периферической адаптации, которые позволяют улучшать доставку и утилизацию кислорода. Этот механизм потенциально способен повлиять на эффективность бега.
Механизмы, ответственные за улучшение экономичности после тренировок на высокогорье, включают в себя:
— уменьшение «цены» дыхания (грубо говоря, на доставку того же дыхательного объёма тратиться меньше энергии);
— увеличение мощности окислительного фосфорилирования (как способ получения АТФ — главного источника энергии) и использования углеводов;
— улучшение возбуждения и сокращения мышц, что приводит к выполнению работы при меньших затратах энергии (это результат метаболической адаптации).
Тренировка в тёплых или жарких условиях
Умеренно повышенная температура, возникающая в результате тренировки в условиях тёплой или жаркой погоды, может способствовать улучшению экономичности путём повышения эффективности работающих мышц. Тепловая акклиматизация, сопровождающая тренировки, может привести к увеличению объёма плазмы на 12%. Повышение объёма плазмы позволяет поддерживать ударный объём (объем крови, выбрасываемой сердцем за одно сокращение), что, в свою очередь, минимизирует работу, совершаемую сердечной мышцей.
Кроме того, в результате тренировок в жаркую погоду (и увеличения объёма плазмы) происходит снижение вязкости крови, что также положительно сказывается на производительности. Адаптация после тренировок в условиях жаркой погоды может позволить спортсмену в дальнейшем бежать с более низким пульсом, что будет способствовать улучшению экономичности бега.
Эти данные говорят о том, что тренировки в умеренно жарких климатических условиях способствуют улучшению экономичности бега и производительности в последующем, хотя необходимы дальнейшие исследования для формирования окончательных выводов.
Фото: Sue Kellerman, Michiel Jelijs, Gregg Richards, John Hoey, U.S. Army, Steven Pisano, Marjan Lazarevski
Еще по поводу связи беговой дорожки и стадиона - согласно последним исследованиям, при определении потребления кислорода на одной скорости на тредмиле и стадионе результаты расходятся на 11%. НО потребление кислорода на тредмиле больше на эти 11%. Современное оборудование позволяет осуществлять замеры уже и во время на стадионе (Cortex MetaMax3B).
И не все можно объяснить экономичностью (опять таки по исследованиям), имея сверхнизкое потребление кислорода и очень высокий VO2 max отдельные спортсмены должны были бы бежать марафон в темпе по 2.40... но по какой-то причине этого не происходит. Т.е. экономичность на ряду с ПАНО и VO2max очень важный показатель, но по прежнему не объясняющий всё.
За статью спасибо!
Войдите, чтобы добавить комментарий