REZUMAT

Introducere

În timpul alergării la nivel, mușchii picioarelor trebuie să susțină greutatea corporală, să frâneze/să propulseze centrul de masă în direcția din spate și să întoarcă picioarele înainte. Este necesară puțină muncă pentru a depăși forțele rezistive la aer (Van Ingen Schenau și Cavanagh, 1990), lucrarea mecanică externă netă efectuată pe centrul de masă este aproape zero (Cavagna și colab., 1977), iar picioarele acționează efectiv ca arcuri care stochează și returnează energie elastică în cadrul fiecărei etape (Cavagna și colab., 1977; Farley și Ferris, 1998). Cu toate acestea, costul metabolic al alergării este substanțial.

modificării

Studiile anterioare sugerează că generarea forței pentru a susține greutatea corporală este determinantul principal al costului metabolic al alergării (Farley și McMahon, 1992; Kram și Taylor, 1990; Taylor și colab., 1980). Greutatea corporală este definită în mod specific ca forța gravitațională care acționează asupra corpului și este măsurată în Newtons. Un al doilea factor determinant major al costului metabolic al alergării este propulsia înainte a masei corporale (Chang și Kram, 1999). Masa corporală este independentă de accelerația gravitațională și este astfel măsurată în kilograme. Pare rezonabil că manipularea greutății sau a masei corporale ar afecta costul metabolic al alergării. Cu toate acestea, efectele metabolice ale modificării independente a greutății corporale și a masei corporale nu au fost anterior măsurate în timpul alergării.

Pe scurt, nu este clar modul în care greutatea corporală de susținere și masa de frânare/propulsie afectează în mod independent costul metabolic al alergării. Mai mult, există un motiv pentru a reexamina metoda simulată a gravitației reduse a lui Farley și McMahon (Farley și McMahon, 1992). Am urmărit să rezolvăm aceste probleme prin manipularea independentă a greutății corporale și a masei corporale și prin compararea atât a metodelor „scripete fixe”, cât și a „căruciorului rulant” de simulare a gravitației reduse. Am cuantificat ratele metabolice în timpul funcționării normale și alergării sub mai multe combinații de greutate redusă și încărcare. Mai exact, am redus doar greutatea, am adăugat atât greutate, cât și greutate și am adăugat masă singură. Am emis ipoteza că, pentru funcționare: (1) ratele metabolice ar fi mai mari cu metoda căruciorului de rulare, comparativ cu metoda fuliei fixe, la niveluri echivalente de greutate redusă simulată; (2) reducerea greutății corporale ar reduce proporțional rata metabolică; (3) adăugarea de masă și greutate ar crește rata metabolică proporțional; (4) deoarece Chang et al. (Chang și colab., 2000) au constatat că adăugarea de masă singură nu a schimbat forțele aplicate la sol, adăugarea de masă singură nu ar avea niciun efect semnificativ asupra ratei metabolice.

Materiale și metode

Subiecte

Zece alergători umani recreați (6 bărbați, 4 femei, vârsta de 32 ± 7 ani, masa corporală 63,3 ± 9,8 kg, înseamnă ± s.d.) au participat la acest studiu. Am informat fiecare subiect despre scopurile, protocolul, procedurile experimentale și orice riscuri și beneficii asociate studiului. Fiecare subiect a dat consimțământul scris pentru a participa. Comitetul de cercetare umană al Universității din Colorado a aprobat experimentul. Subiecții au fost toți alergători cu experiență pe banda rulantă, iar studiile anterioare au arătat o obișnuință rapidă la condițiile experimentale pe care le-am folosit în acest studiu (Donelan și Kram, 2000), deci nu a fost necesar să se acomodeze subiecții înainte de testare.

Prezentare generală

Subiecții au rulat pe o bandă de alergat de măsurare a forței în mod normal, sub greutate redusă simulată (greutate redusă), cu masă și greutate adăugate și cu masă adăugată singură. Le-am măsurat ratele de consum de oxigen și producția de dioxid de carbon, forțele de reacție la sol (GRF) și cinematica.

Protocol

Fiecare subiect a finalizat un total de 16 studii în două zile separate (Tabelul 1). Ambele zile au început cu un proces permanent descărcat și un test normal de funcționare (100% masă corporală și 100% greutate corporală). Subiecții au rulat la 3,0 m s –1 pentru toate probele de alergare. În ziua 1, subiecții au continuat cu șase probe la diferite niveluri de gravitate redusă simulată: trei încercări cu metoda scripetei fixe și trei încercări cu metoda căruciorului rulant. În ziua 2, subiecții au continuat cu trei studii de masă și greutate adăugate, urmate de trei studii cu masă adăugată. Fiecare proces a durat 7 minute, cu câteva minute de odihnă între probe. Perioada de odihnă combinată cu intensitatea aerobă moderată a activității au fost adecvate pentru a preveni orice efect al oboselii.

Rezumatul studiilor experimentale

Am folosit această ordine de încercare specifică pentru a reduce ajustările la echipament, pentru a reduce durata totală a experimentului și, astfel, pentru a face experimentul mai confortabil pentru subiecți. Am ales 25% scăderi ale gravitației, astfel încât să ne putem compara rezultatele cu studiile anterioare (Chang și colab., 2000; Farley și McMahon, 1992). Am ales creșteri de 10, 20 și 30% în greutate și masă adăugate, astfel încât să putem compara rezultatele noastre cu cele ale lui Chang și colab. (Chang și colab., 2000). De asemenea, am considerat că alergarea cu sarcini mai mari de 30% ar putea fi prea obositoare și ar putea crește posibilitatea de oboseală sau rănire.

Echipamente și calcule

Rata metabolica

Am măsurat ratele consumului de oxigen (V ̇O2) și producției de dioxid de carbon (V VCO2) folosind un sistem de respirometrie cu circuit deschis (Physio-Dyne Instrument, Quogue, NY, SUA) în timpul tuturor studiilor. Analizoarele de gaz au fost calibrate înainte de fiecare test, folosind gaze de referință. Traductorul de debit a fost calibrat folosind o seringă de 3 l (Rudolph Inc., Kansas City, MO, SUA). Am calculat în medie VOO2, V ̇CO2, ventilația expiratorie (V ̇E) și raporturile de schimb respirator pentru minutele 4-6 din fiecare studiu și am calculat ratele metabolice (în W kg –1) folosind ecuația Brockway (Brockway, 1987) și masa corporală. Rata metabolică este întotdeauna exprimată pe masa corporală normală. Am determinat rata metabolică netă pentru fiecare studiu, scăzând rata metabolică permanentă descărcată din valorile ratei metabolice brute. Studiile anterioare au arătat că rata metabolică permanentă nu este influențată de gravitația redusă (Farley și McMahon, 1992) sau de sarcina adăugată (Griffin și colab., 2003) și că livrarea de oxigen către țesuturile care nu sunt implicate în exercițiu se schimbă puțin din repaus. a exercita (Ellerby și colab., 2005; Poole și colab., 1992).

Am normalizat rata metabolică netă convertindu-o într-un procent din rata metabolică netă normală (greutate corporală și masă normală) pentru a rula la 3,0 m s –1. Acest calcul a luat în calcul variabilitatea intersubiectului în economia în funcțiune și ne-a permis să comparăm rezultatele noastre cu studiile anterioare. Am folosit probele descărcate în picioare și de rulare normală efectuate în aceeași zi de testare pentru a calcula valorile nete și normalizate. Raportul de schimb respirator a fost mai mic de 1,0 pentru toți subiecții și pentru toate studiile, ceea ce indică faptul că energia metabolică a fost furnizată în principal de metabolismul oxidativ.

Banda de alergat de măsurare a forței

Subiecții au rulat pe o bandă de alergare cu forță motorizată personalizată care a măsurat GRF-urile verticale și orizontale (Kram și colab., 1998) în timpul tuturor încercărilor. La începutul minutului 4, am prelevat 15 s de date de forță pentru fiecare test la 1000 Hz. Am filtrat aceste date cu un filtru Butterworth de trecere joasă de ordinul 4 folosind o frecvență de tăiere de 15 Hz și am procesat datele folosind un program Matlab personalizat (Natick, MA, SUA) pentru a calcula variabilele cinetice și cinetice. Am calculat forțele verticale și orizontale de vârf, impulsurile verticale și orizontale (zona sub curba forță - timp), timpul de contact, timpul aerian, frecvența pasului și factorul de funcționare (raportul dintre timpul de contact și timpul de pas). Pe baza GRF-ului vertical, programul Matlab a detectat momentul contactului inițial picior - sol și momentul de pornire. Din diferența dintre aceste valori de timp, programul a calculat timpul de contact picior-sol. Apoi, programul a calculat timpii de mers și, prin urmare, frecvențele pasului, de la diferența de timp dintre contactele ipsilaterale picioare-sol ulterioare.