Экономичность бега и как её улучшить. Результаты исследований и рекомендации по тренировкам.

ЧАСТЬ I. ИЗМЕРЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ И ЕЕ СВЯЗЬ С ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ БЕГА

Экономичность бега (ЭБ) обычно определяется потребностью в энергии для поддержания субмаксимальной скорости бега и рассчитывается путем измерения потребления кислорода в стабильном (равновесном) состоянии и дыхательного коэффициента (отношение выделенного углекислого газа к поглощенному кислороду). При одинаковой скорости и массе тела, бегуны с хорошей экономичностью бега используют меньше энергии и кислорода, чем бегуны с плохой экономичностью. Есть тесная связь между ЭБ и производительностью на длинных дистанциях, а у бегунов с одинаковыми значениями VO2max, показатель ЭБ является лучшим параметром, позволяющим предсказывать производительность.

Способность метаболизировать энергию аэробно (то есть в присутствии кислорода) позволяет достичь наилучшей эффективности бега. У атлетов соревновательного уровня успешность их выступления чаще всего связывают с показателем максимального потребления кислорода. Производительность на соревнованиях напрямую связана с изменениями в доступности кислорода (грубо говоря, «хватает» бегуну кислорода или нет), углеводов, жиров и плотности митохондрий в мышцах. На показатель VO2max влияет большое количество факторов, включая плотность капилляров в мышцах, уровень гемоглобина, ударный объем сердца (количество крови, выбрасываемой сердцем за одно сокращение), активность аэробных ферментов, а также состав волокон мышечной ткани. Хотя для бега на длинные дистанции и необходимы высокие цифры VO2max, возможность успешного участия в соревнованиях на выносливость определяется рядом других физиологических факторов и показателей производительности. 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 бежать с соревновательной скоростью при сравнительно малом расходе энергии (то есть хорошей эффективностью бега). Скорость, связанная с достижением VO2max и началом накопления лактата – хорошие индикаторы производительности в беге на длинные дистанции.

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 вовлеченность) аэробного и анаэробного метаболизма, а при одинаковой скорости бегуны с лучшей ЭБ тратят меньше кислорода, чем бегуны с более плохой экономичностью. Экономичность бега может варьировать у бегунов с одинаковым VO2max примерно на 30%. У элитных или хорошо подготовленных бегунов-любителей с одинаковыми значениями VO2max экономичность бега является наилучшим прогностическим показателем производительности. Из этого следует, что улучшение экономичности бега должно повлечь за собой улучшение производительности и результативности у бегунов на длинные дистанции, а взаимосвязь между ЭБ и производительностью хорошо известна, множество исследований подтверждает тесную взаимосвязь между этими показателями.

ИЗМЕРЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ БЕГА

Беговая дорожка и бег вне помещения

Измерения 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. Такие факторы как сопротивление воздуха эффективно устраняются при беге в лаборатории, однако необходимо с осторожностью интерпретировать результаты, полученные на дорожке, при тренировках на улице. Так, 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, а при марафонском беге этот показатель равен 2%. Различия между беговой дорожкой и улицей становятся еще более выраженными при увеличении скорости и росте сопротивления воздуха. В исследовании 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, Costill и 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

Безусловно, на эффективность бега влияет масса тела, а 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 лишний килограмм массы, расположенный на туловище, а основное расположение веса, например, в беговой обуви (тяжелые тренировочные кроссовки) повышает аэробную потребность на 10% на каждый лишний килограмм. Jones в своем исследовании обнаружил, что при скорости бега примерно 12 км/ч (примерно 5 мин/км) на каждый лишний килограмм, расположенный на ногах (точнее, на ступнях), потребление кислорода в среднем увеличивается на 4,5%. В другом исследовании изучались эффекты наличия дополнительного веса на ступнях или бедрах. Авторы продемонстрировали, что VO2 повышается на 7% на каждый килограмм лишнего веса в области бедра и на 14% на каждый килограмм лишнего веса в области стоп. 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 имеет место из-за развивающегося избыточного мышечного усилия, которое направлено на формирование амортизации в тех случаях, когда обувь не может ее обеспечить.

ЭКОНОМИЧНОСТЬ БЕГА И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

Зависимость производительности от экономичности бега хорошо известна. При сравнении элитных бегунов (VO2max 79 мл/кг/мин) и хорошо подготовленных бегунов-любителей (VO2max 69,2 мл/кг/мин) было показано, что элитные бегуны имели лучшую эффективность бега, то есть работали на более низком проценте от VO2max. Di Prampero установил, что 5% повышение экономичности бега способствует улучшению производительности бега примерно на 3,8%. Conley и Krahenbuhl показали, что ЭБ является хорошим фактором, предсказывающим производительность у бегунов с одинаковыми возможностями. В это исследование было включено 12 хорошо тренированных бегунов (VO2max 72 мл/кг/мин, время бега на 10 км примерно 32 минуты), которых тестировали в течение 3-6 дней после завершения старта на 10 км. Была получена тесная взаимосвязь между субмаксимальным значением VO2max и производительностью при разных скоростях бега (14, 16, 18 км/ч). Более экономичные бегуны могли бежать с фиксированной скоростью на меньшем значении VO2max, а также имели более низкий уровень лактата, как фактора, напрямую связанного 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.

Проведенные исследования показывают, что улучшение ЭБ спортсмена связано с улучшением производительности в беге на длинные дистанции. Очевидно, что на показатель экономичности влияет большое количество факторов, а любое вмешательство (тренировка, нахождение на высоте, жаркая погода) может уменьшить кислородную цену на разных скоростях бега, что непременно приведет к лучшей производительности.

ЧАСТЬ II. 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 уровень 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. Снижение VO2 миокардом может улучшать экономичность бега путем оптимизации комбинации ЧСС (снижение показателя) и ударного объема (повышение показателя). Состав мышечных волокон также оказывает свое влияние на ЭБ. Доказано, что больший процент медленно-сокращающихся (slow-twitch) мышечных волокон связан с лучшей экономичностью бега, что указывает на важность метаболической активности или скорости сокращения мышечных волокон.

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 более низким расположением центра масс (вертикальное смещение), из-за нейромышечной адаптации, развивающейся под влиянием длинных медленных пробежек. Тренировки на выносливость приводят к улучшению морфологии и функциональности митохондрий в скелетной мускулатуре. Повышение кислородной емкости 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.

Franch и соавторы исследовали влияние трех 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 х 4 минуты бега с 3 минутами отдыха между повторами) и тренировки с короткими повторениями (30-40 х 15 секунд бега с 15 секундами отдыха), тренировки были 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 ЭФФЕКТИВНОСТЬ 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 запасенной 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, Hausswirth показал, что эффективность бега была нарушена в последние 45 минут марафонского забега, что отчасти объяснялось нарушением биомеханики, в частности, большим наклоном вперед 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 ног влияет на скорость и метаболическую цену перемещения самих ног во время бега, в настоящее время не существует единого мнения о влиянии длины ног на эффективность бега. Существуют исследования, в которых не было показано взаимосвязи между длиной ног, скоростью и эффективностью бега. В других исследованиях было показано, что более тяжелые 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 определенный каденс. Кроме того, недавние работы доказали, что аэробная потребность бега при определенной скорости минимальна при выбранной бегуном длине шага. Также 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» определенную длину/частоту шагов для конкретных скоростей.

Первые исследования, сравнивавшие биомеханические характеристики элитных бегунов и продвинутых бегунов-любителей показали, что у элитных бегунов меньше вертикальные колебания, они более «симметричны», совершают меньший объем 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 сустав, повышают жёсткость суставов и влияют на эффективность бега. Оптимизация таких механических элементов, как длина и частота шагов, или оптимальное время включения мышц для эффективного высвобождения эластической энергии, может привести к улучшению эффективности бега.

Установлено, что Ахиллово сухожилие и сухожилия стопы могут сохранять, соответственно, до 35% и 17% кинетической и потенциальной энергии, которая выделяется во время бега со средним темпом. Cavagna и соавторы установили, что без сохраняемой и выделяемой эластической энергии, VO2 во время бега был бы больше на 30-40%. При больших скоростях выделение эластической энергии вносит наибольший вклад в работу бегуна. Основная роль мышц в беге – модуляция жёсткости «пружин», для максимального выброса эластической энергии.

Гибкость

Ряд исследований показал, что гибкость влияет на экономичность бега. Например, Godges показал, что средне-тренированные 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 возврату эластической энергии при движении, что несколько снизит потребность в кислороде во время бега. Эти данные были подтверждены еще рядом исследований.

Суммируя данные исследований по влиянию гибкости на экономичность бега, можно сказать, что для повышения экономичности необходима гибкость, однако чрезмерное ее развитие необязательно, а в мышцах и связках должна остаться некоторая «жесткость» для максимального сохранения и высвобождения энергии во время бега. Бегунам не следует пренебрегать растяжкой, поскольку гибкость необходима для выработки оптимального каденса на высоких скоростях.

ЧАСТЬ III. УЛУЧШЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ БЕГА

Улучшение экономичности бега возможно с помощью трех компонентов: силовой тренинг, высотный тренинг и тренировки в теплых/жарких условиях окружающей среды. Стоит отметить, что у хорошо тренированных атлетов, имеющих высокую экономичность бега, приобретенную за годы тренировок, дальнейшее ее 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 придает особое значение нервно-мышечным характеристикам, силе и эластичности мышц, механике бега, а также анаэробной емкости, 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 укорочению времени контакта с поверхностью и повышению скоростной силы. Тренировки с отягощениями 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 определенные адаптационные изменения, такие как повышение активности моторных единиц нервов без выраженной гипертрофии мышц, характерной для тяжелых 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 жесткости 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 6 недель плиометрических тренировок.

ВЫСОТНЫЙ (ВЫСОКОГОРНЫЙ) ТРЕНИНГ

Влияние высокогорья на выносливость и производительность атлетов было изучено достаточно хорошо. Существует распространенное 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 емкости мышц). Традиционный подход к высокогорному тренингу состоит в рекомендации атлетам жить и тренироваться на умеренной (1500-3000 метров) высоте. Более новый подход предполагает нахождение/сон атлетов на определенной высоте, а тренировки на уровне моря – так называемый live-high train-low (LHTL) метод. 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 атлеты используют ряд приспособлений (методик), позволяющих моделировать LHTL условия. Этих приспособлений или методик достаточно большое количество, например, использование дополнительного кислорода (симуляция нормального и сниженного содержания кислорода при выполнении упражнений/сне в условиях высокогорья), специальные устройства для симуляции гипоксических условий (то есть со сниженным содержанием кислорода в окружающем воздухе) во время сна, подобно LHTL-тренингу. Еще 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 которых – 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. Это же подтверждают исследования, изучавшие влияние высокогорья на производительность атлетов. В частности, было показано улучшение экономичности бега у тренированных спортсменов. Механизмы, ответственные за улучшение экономичности после тренировок на высокогорье, включают в себя: уменьшение «цены» дыхания (грубо говоря, на доставку того же дыхательного объема тратиться меньше энергии), увеличение мощности окислительного фосфорилирования (как способ получения АТФ – главного источника энергии) и использования углеводов, а также улучшение возбуждения и сокращения мышц, что приводит к выполнению работы при меньших затратах энергии (это результат метаболической адаптации).

Интересное исследование, в котором сравнивали кенийских бегунов (которые живут и тренируются в условиях высокогорья) и скандинавских бегунов (живущих и тренирующихся на уровне моря) (Saltin B, Larsen H, Terrados N, et al. Scand J Med Sci Sports 1995; 5 (4): 209-21). Кенийцы не накапливают лактат в ходе тренировок с очень высокой/пиковой эффективностью, а уровень лактата как в условиях высокогорья, так и на уровне моря, был намного ниже, чем у скандинавских бегунов. Один из механизмов, позволяющих кенийцам удерживать относительно низкий уровень лактата – увеличение емкости ферментных систем мышц, что позволяет «сдвинуть» метаболизм в сторону аэробного (то есть с использованием кислорода). При этом, уровень VO2max у белых бегунов и кенийцев сильно не отличается.

ТРЕНИРОВКА В УСЛОВИЯХ ЖАРКОЙ ПОГОДЫ

Умеренно повышенная температура, возникающая в результате тренировки в условиях теплой или жаркой погоды, может способствовать улучшению экономичности путем повышения эффективности работающих мышц. Тепловая акклиматизация, сопровождающая тренировки, может привести к увеличению объема плазмы на 12%. Повышение объема плазмы позволяет поддерживать ударный объем (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 объема 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.