CC BY
165
УДК 796.012.412.7:612.76
КОЛМОГОРОВ Сергей Валентинович, доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой спортивных дисциплин Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Автор более 90 научных публикаций
ВОЛКЕР Джон, доктор философии, профессор, исполнительный директор Международного центра водных исследований (Колорадо-Спрингс, США). Автор более 60 научных публикаций
МАНЖУЛО Ирина Алексеевна, преподаватель кафедры физической культуры Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Автор трех научных публикаций
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТРАНСФОРМАЦИИ МЕТАБОЛИЧЕСКОЙ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ЭЛИТНЫМИ ПЛОВЦАМИ В РАЗЛИЧНЫХ ЗОНАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Эффективность трансформации метаболической энергии в полезный результат деятельности изучалась с помощью комплекса экспериментальных методов. Исследования проводились в трех зонах энергетического обеспечения: аэробной, смешанной и в зоне максимального анаэробного метаболизма. Наиболее высокие результаты механической и продвигающей эффективности у испытуемых мужского и женского пола обнаружены в смешанной зоне энергетического обеспечения. Механическая эффективность во всех изучаемых зонах выше у испытуемых мужского пола. В то же время показатели продвигающей эффективности одинаковы для испытуемых мужского и женского пола.
Метаболическая мощность, механическая и продвигающая эффективность
Разработка эффективных технологий подготовки пловцов предполагает решение важной теоретической и практической проблемы взаимосвязи энергетического обеспечения, с одной стороны, и биомеханики плавания, с другой. В случае установившегося нестационарного движения биологических объектов в водной среде метаболическая энергия с потерями преобразуется в механическую энергию на первом этапе, которая, на втором этапе, с дополнительными потерями трансформируется в полезный результат деятельности.
С целью точного описания главных механизмов изучаемого явления этот процесс при
плавании человека был формализован в виде математической модели [5]:
Уп = P хе xe / Р , (1)
0 аг g р г(/.Л)’ V У
где у0 - средняя скорость плавания, Ра. -мощность активного энергетического метаболизма, е- безразмерный коэффициент механической эффективности, т.е. отношение тотальной внешней механической мощности (Р ) к Р ; е - безразмерный коэффициент продвигающей эффективности (т.е. отношение полезной внешней механической мощности (Р ) к Р , Р„,, - лобовая компонента активного
О щ.а)
гидродинамического сопротивления.
Поэтому задачей данного исследователь-
ского проекта являлось экспериментальное изучение закономерностей трансформации метаболической энергии в полезный результат деятельности в различных зонах энергетического обеспечения.
Методы и организация исследования.
Использовался комплекс физиологических, биохимических, гидродинамических и биомеханических методов исследования [2].
Исследовательский проект был осуществлен в период весеннего тренировочного мезо-цикла 2001 года, который продолжался с января по апрель. В исследовании приняли участие 29 университетских пловцов (15 испытуемых женского пола в возрасте от 17 до 22 лет и 14 испытуемых мужского пола в возрасте от 18 до 23 лет). Корректное изучение закономерностей трансформации метаболической энергии в полезный результат деятельности возможно только с учетом характера и направленности тренировочной нагрузки, выполняемой испытуемыми в течение тренировочного мезоцикла, поэтому сроки экспериментального изучения этого процесса в различных зонах энергетического обеспечения были согласованы с определенными периодами целенаправленной технической и функциональной подготовки. Именно этим обстоятельством и объясняется порядок тестирования.
В аэробной зоне энергетического обеспечения исследование проводилось в плавательном бассейне с использованием тренировочной серии 8х200 метров основным способом с интервалом отдыха между отрезками 45 секунд по стандартной схеме. Для расчета мощности активного энергетического метаболизма (Раг) применяли формулу, предложенную Н. Toussamt [7].
В зоне энергетического обеспечения между порогом анаэробного обмена и максимальным потреблением кислорода (смешанная зона) исследование проводилось в гидроэргометре с использованием тренировочной серии 3х1 минуте (для спортсменов, специализирующихся в спринте) и тренировочной серии 3х2 минуты (для спортсменов, специализирующихся на средних дистанциях) основным способом с соотношением интервалов работы и отдыха как 1:1.
В зоне максимального энергетического метаболизма исследование проводилось в гидроэргометре по стандартной схеме с использованием работы околопредельной метаболической мощности основным способом плавания. Продолжительность работы составляла одну минуту для спринтеров и две минуты для испытуемых, специализирующихся на средних дистанциях.
Скорости потока воды в гидроэргометре определялись индивидуально на основании предварительных тестов в плавательном бассейне. Для расчета Раг в смешанной и максимальной зонах энергетического метаболизма использовалась формула, предложенная В.Л. Уткиным [3].
Результаты. В таблицах 1 и 2 представлены соответственно экспериментальные результаты изучаемого процесса в способе плавания дельфин испытуемой женского пола и в способе плавания кроль на груди испытуемого мужского пола. В данных таблицах используются только ключевые параметры Р , е , е ,
^ ^ а^ ^ р’
Рг(ц.&) и у0ехР (экспериментальная скорость плавания в изучаемой зоне энергетического метаболизма), которые необходимы для количественного решения уравнения (1) и полностью отражают процесс трансформации метаболической энергии в полезный результат деятельности при плавании человека. Все промежуточные показатели, для концентрации внимания на изучаемом процессе, опущены. Показатели роста и веса испытуемых, связанные функциональной зависимостью с Р. и Р,^, приводятся на момент окончания экспериментального периода, так как диапазон их колебаний оказался незначительным.
В таблице 3 представлены средние групповые показатели механической и продвигающей эффективности испытуемых женского и мужского пола в различных зонах энергетического обеспечения, принимавших участие в данном исследовательском проекте. Дело в том, что лобовая компонента силы активного гидродинамического сопротивления зависит от способа плавания, а мощность активного энергетического метаболизма во всех изучаемых зонах
энергетического обеспечения зависит от массы тела человека. Поэтому только безразмерные показатели е и е , интегрально отражающие эффективность процесса трансформации метаболической энергии в полезный результат деятельности при плавании человека, вошли в итоговую таблицу 3.
также наблюдается повышение Р. на 85,3% в зоне максимального анаэробного метаболизма (тест 2) и на 31,2% в смешанной зоне (тест 3). Такое повышение Р. приводит также к значительно меньшему увеличению скорости плавания (соответственно на 10,1% и на 8,2%).
Таблица 1
Показатели метаболической мощности и эффективности ее трансформации в скорость плавания в различных зонах энергетического обеспечения при плавании дельфином испытуемой женского пола
(рост - 1,73 м, масса тела - 60,1 кг)
Показатели Ниже ПАНО Выше МПК Между ПАНО и МПК
Pah Вт 838,41 1781,25 1173,95
eg 0,066 0,069 0,071
ep 0,650 0,699 0,714
Fr(f.d.), Н 27,20 54,90 41,50
v0 exp, м/с 1,32 1,56 1,43
Анализ результатов, представленных в таблице 1, показывает, что, по сравнению с аэробной зоной энергообеспечения (тест 1), наблюдается закономерное повышение Р. на 114,4% в зоне максимального анаэробного метаболизма (тест 2) и на 40,0 % в смешанной зоне (тест 3). В то же время такое повышение Ра. приводит к значительно меньшему увеличению скорости плавания (соответственно на 18,2% и на 8,3%). Основной причиной такой ситуации является существенное увеличение Frf.d, количественные характеристики которого связаны квадратичной зависимостью с v0exp. Сочетание эффективной тренировочной программы с целенаправленным использованием специальных упражнений, направленных на повышение продвигающей эффективности, позволяет испытуемой незначительно повысить коэффициенты трансформации метаболической и механической мощности в зоне максимального анаэробного метаболизма (тест 2) и достигнуть наивысших показателей е и е за весь экспериментальный период в смешанной зоне (тест 3).
Анализ результатов, представленных в таблице 2, позволил обнаружить несколько иную тенденцию. По сравнению с аэробной зоной энергообеспечения (тест 1), у испытуемого
В то же время коэффициенты трансформации метаболической и механической мощности испытуемого в зоне максимального анаэробного метаболизма имеют наименьшие значения (тест 2) и достигают наивысших значений в смешанной зоне энергообеспечения (тест 3). Как и следовало ожидать, испытуемый мужского пола имеет существенное преимущество по Р и е перед испытуемой женского пола.
Аналогичный анализ динамики индивидуальных параметров Ра., е е Fr(.Л) и v0 ехр, полученных в процессе реализации исследовательского проекта в целом и отражающих закономерности производства и трансформации метаболической энергии в полезный результат деятельности при плавании человека, позволил сделать следующее обобщение.
Мощность метаболических процессов (Р) в аэробной зоне, смешанной зоне и зоне максимального анаэробного метаболизма закономерно повышается по мере использования зон энергообеспечения от первой к последней, что соответствует экспериментальным результатам, полученным ранее [6]. Наблюдаются значительные индивидуальные колебания показателя Р , связанные с весом, полом и уровнем текущей функциональной подготовленности испыту-
Таблица 2
Показатели метаболической мощности и эффективности ее трансформации в скорость плавания в различных зонах энергетического обеспечения при плавании кролем на груди испытуемого мужского пола (рост - 1,92 м, масса тела - 82,0 кг)
Показатели Ниже ПАНО Выше МПК Между ПАНО и МПК
РаЬ Вт 1322,10 2450,40 1734,93
ех 0,093 0,084 0,101
ер 0,718 0,677 0,767
Р'г(ГЛ), Н 55,90 80,00 78,70
v0 ехр, м/с 1,58 1,74 1,71
емых. В то же время динамика индивидуальных показателей Ра. в течение тренировочного сезона не играет такой значительной роли в повышении скорости плавания, которая предполагалась ранее.
Наиболее рациональным и безопасным путем повышения скорости плавания в изучаемых зонах энергетического обеспечения в течение тренировочного мезоцикла является плавное уменьшение неизбежных потерь на обоих этапах трансформации метаболической энергии при незначительном повышении или сохранении Р .
г аг
Значительное увеличение потерь на обоих этапах трансформации энергии в любой зоне энергообеспечения в течение тренировочного сезона является негативным явлением и может привести к срыву адаптационных процессов в организме человека. Интерпретация экспериментальных результатов изучаемого процесса
должна осуществляться с учетом доминирующего значения зоны энергетического обеспечения, в которой осуществляется основная соревновательная деятельность испытуемого.
Анализ результатов, представленных в таблице 3, показывает, что коэффициенты механической эффективности (е ) во всех изучаемых зонах энергетического обеспечения выше у испытуемых мужского пола, что связано с более высоким уровнем силовой подготовленности последних. Наиболее высокие показатели е у испытуемых обоего пола находятся в смешанной зоне энергетического обеспечения. Эти результаты несколько отличаются от экспериментальных данных, полученных В.Л. Уткиным [3] в случае выполнения физической работы на велоэргометре. В.Л. Уткин определил максимальную эффективность трансформации метаболической мощности в тотальную механическую
Таблица 3
Коэффициенты механической (^) и пропульсивной (ер) эффективности в различных зонах энергетического обеспечения испытуемых женского и мужского пола (р - уровень значимости различий)
Зона энергообеспечения Показатели Женщины Р Мужчины
(1) е8 0,0645 ±0,0008 <0,001 0,0761 ±0,0019
Ниже ПАНО ер 0,675 ±0,099 <0,05 0,705 ±0,085
Между 1 и 2 Р <0,01 <0,001 - <0,05 <0,01
(2) Между ПАНО и МПК еВ ер 0,0682 ±0,0010 0,729 ±0,094 <0,001 0,0832 ±0,0026 0,751 ±0,128
Между 2 и 3 Р <0,05 - <0,01 <0,05
Между 1 и 3 Р - - -
(3) Выше МПК еш ер 0,0630 ±0,0022 0,699 ±0,080 <0,05 0,0720 ±0,0031 0,723 ±0,080
мощность в зоне анаэробного порога. Однако указанный автор отмечает повышение зоны максимальной эффективности, происходящее с ростом квалификации спортсменов. Действительно, квалификация испытуемых данного исследовательского проекта существенно выше квалификации испытуемых, чьи экспериментальные данные используются для сравнения.
По показателям продвигающей эффективности испытуемые мужского и женского пола не отличаются друг от друга, что совпадает с экспериментальными данными, полученными ранее [7]. Незначительная разница в аэробной зоне носит, на наш взгляд, случайный характер. Максимальные значения е зарегистрированы в смешанной зоне энергообеспечения. Этот экспериментально выявленный факт имеет принципиальное теоретическое и практическое значение, т.к. в полной мере демонстрирует суть современной концепции подготовки. Естественно, что на эти наивысшие показатели е в смешанной зоне положительно влияет время тестирования, наиболее близкое к состоянию спортивной формы.
При водных локомоциях человека механическая эффективность (е ) практически на порядок ниже продвигающей эффективности (е ), что связано с закономерностями преобразования метаболической энергии в механическую на первом этапе.
Завершая анализ фактического материала данного исследовательского проекта в целом, можно сделать следующее заключение.
Корректное изучение закономерностей трансформации метаболической энергии в различных зонах энергетического обеспечения на основании выражения (1) возможно путем многократного тестирования в течение тренировочного мезоцикла с учетом конкретной направленности функциональной и технической подготовки испытуемых.
Эффективные и безопасные пути повышения спортивных результатов пловцов в процессе тренировочного мезоцикла связаны в первую очередь с уменьшением неизбежных потерь на обоих этапах преобразования метаболической энергии в полезный результат деятельности. Действительно, мы наблюдаем
постепенное улучшение уровня функциональной подготовленности испытуемых в биологически нормальных онтогенетических пределах (интегральными объективными показателями которой являются мощность активного энергетического метаболизма и механическая эффективность) и существенные, благоприятные для конкретных условий подготовки изменения эффективности функционирования биомеханической системы плавательных движений (интегральными объективными показателями которой являются продвигающая эффективность и фронтальное гидродинамическое сопротивление).
Использование концепции о существенных и несущественных переменных организма [1, 4] позволяет теоретически обосновать результаты исследуемого процесса трансформации метаболической энергии в полезный результат деятельности при плавании человека. В нашей ситуации к группе несущественных переменных можно отнести кинематические и динамические параметры биомеханической системы плавательных движений, которые легко изменяются в довольно широких пределах в результате непосредственного воздействия тренировочных упражнений и водной среды. Изменчивость несущественных переменных лежит в основе широких вариаций индивидуальных признаков испытуемых и многообразия состояний данного организма на примерно одинаковом онтогенетическом уровне.
К существенным же переменным относятся интегральные функции организма по производству метаболической энергии и ее трансформации в механическую энергию, которые, несмотря на сравнительно широкие вариации внешних воздействий, остаются в достаточно узких консервативных пределах, связанных с процессом онтогенетического развития человека.
Адекватные приспособительные перестройки внутри организма, проявляющиеся в ответ на воздействие жестко организованных тренировок, необходимо рассматривать как процессы, направленные на постепенное изменение существенных переменных в биологически нормальных онтогенетических пределах и на благоприятные для конкретных условий изменения несущественных переменных.
Список литературы
1. БернштейнН.А. Очерки по физиологии движений и физиологии активности. М., 1966.
2. Колмогоров С.В. Энергообеспечение и биомеханика плавания человека в экстремальных условиях спортивной деятельности: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. Архангельск, 1996.
3. Уткин В.Л. Энергетическое обеспечение и оптимальные режимы циклической мышечной работы: автореф. дис. ... докт. биол. наук. М., 1985.
4. Эшби У.Р. Конструкция мозга. М., 1964.
5. Kolmogorov S. Transformation effectiveness of elite swimmers metabolic and mechanic energy. In Proceedings XII FINA Wold congress on sports medicine. 1997. P. 453-462.
6. Troup J. Studies by the International Center for Aquatic Research 1991-1992. Colorado Springs, 1992.
7. ToussaintH. Mechanics and energetics of swimming: Doctoral dissertation. Amsterdam, 1988.
Kolmogorov Sergey, Walker John, Manzhulo Irina
TRANSFORMATION EFFECTIVENESS OF ELITE SWIMMERS METABOLIC AND MECHANICAL ENERGY IN DIFFERENT ZONES OF ENERGETIC PROVISION
Efficiency of metabolic energy transformation into some useful result of activity was studied with the help of a complex of experimental methods. The research was conducted in the three zones of energetic provision: aerobic, mixed and in the zone of maximal anaerobic metabolism. The highest results of mechanical and propulsive efficiency in the subjects, both male and female, are in the mixed zone of energetic provision. Mechanical efficiency in all the studied zones is higher in the male subjects. As for the propulsive efficiency’s results, they are the same in the male and female subjects.
Рецензент - Грибанов А.В., доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой физиологии и патологии развития человека, директор Института развития ребенка Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова, заслуженный работник высшей школы РФ
