Biegać czy chodzić na stromych trasach biegów górskich?

2018-10-18
Michalina Mendecka, foto: Artur Czempas

Badacze z Uniwersytetu w Udine (Włochy) postanowili ocenić różnice w wydatku energetycznym i modelu biomechanicznym w trakcie chodzenia i biegania na bardzo stromych trasach.

Doświadczenie zdecydowano przeprowadzić według kryteriów Vertical Kilometer (VK) - kategorii Skyrunningu, która charakteryzuje się przewyższeniem o wartości 1000 metrów i maksymalnie 5-kilometrowym dystansem. To stałe wytyczne ustalone dla tej trasy przez Międzynarodową Federację Skyrunningu.

Analiza dokonań rekordzisty w biegu VK pozwoliła oszacować jego prędkość pionową (pokonywanie wzniesienia) na ok 0.56 m/s, a poziomą na 1.08 m/s. Badacze doszli do wniosku, że może istnieć optymalny kąt wzniesienia: taki, który pozwoli na pokonanie trasy w najlepszym = najkrótszym czasie. Średni kąt na trasach VK nie przekracza nigdy 31.4°, zaczęto więc się zastanawiać czy większy nie pozwoliłby na szybsze pokonanie drogi.

Innym czynnikiem mającym wpływ na czas ukończenia trasy jest rodzaj wysiłku: niektórzy sportowcy wybierają chód, inni decydują się biec, a kolejni stosują obie techniki na zmianę. Nie wiadomo, która z metod jest bardziej skuteczna.

Zanim badacze z włoskiej uczelni zabrali się do pracy nad własnym eksperymentem, postanowili przekopać się przez cudze publikacje. Naukowe źródła potwierdzają, że chodzenie po płaskiej powierzchni z prędkością mniejszą, niż 2 m/s wymaga mniejszego nakładu energii, niż bieganie 3, 15, 17, 25. Podejrzewa się, że ma to związek z bardziej efektywnym odwróceniem wahadłopodobnej wymiany energii mechanicznej przy mniejszych prędkościach chodu i lepszej relacji, między przechowywaniu energii sprężystej, a odzyskiwaniem pracy przy szybszym poruszaniu się. Zasady te przestają obowiązywać wraz z wzrostem kąta nachylenia terenu 8, 24.

Koszty metaboliczne

Zespół badaczy pod kierownictwem Alberto Minetti’ego postanowił przeanalizować koszty metaboliczne w czasie biegania (Cr) i chodzenia (Cw) pod górę przy nachyleniu terenu do 24.2°. Okazało się, że przy określonej prędkości bieżni, Cr i Cw są wprost proporcjonalne do nachylenia powyżej 15% (8,5 °), a ich wartości zbiegają się w bardziej stromych kątach.

Badanie zaprojektowane przez naukowców z Udine tworzone było z myślą o zdobytej już wiedzy i niedoskonałościach przeprowadzonych w innych ośrodkach eksperymentów. Do udziału w doświadczeniu zaproszono 15 zdrowych zawodowych biegaczy górskich (10 mężczyzn i 5 kobiet). Bieżnia, na której przeprowadzano eksperyment umożliwiała ustawienie nachylenia od 0 do 45° a jej pas został oklejony papierem ściernym celem zwiększenia przyczepności.

Badanie przeprowadzono w 3 etapach: część pierwsza polegała na 2-3 minutowym biegu na bieżni w 4 nachyleniach: 9.4, 30.0, 35.0, i 39.2°. Etapy 2 i 3 obejmowały chodzenie bądź bieg trwający 5 minut, tym razem z przewyższeniem o wartości kątów: 9.4, 15.8, 20.4, 24.8, 30.0, 35.0, 39.2°. Im bardziej stromo ustawiona była bieżnia, tym mniejsza była prędkość poruszania się pasa bieżni.

Do oceny procesów metabolicznych wykorzystano system badający ilość wdychanego tlenu i wydalanego dwutlenku węgla. Przy pomocy specjalistycznej kamery oceniono biomechanikę kroków, ich długość i częstotliwość.

Analiza wyników badania umożliwiła wysnucie następujących wniosków:
  1. w zakresie badanych prędkości i nachyleń, chodzenie jest bardziej wydajne energetycznie, od biegania;
  2. istnieje szeroki zakres kątów, dla których minimalizowane są pionowe koszty chodzenia i biegania, oraz
  3. przy analizowanych kombinacjach kątów i prędkości, zarówno podczas chodzenia, jak i biegania, co najmniej jedna stopa jest zawsze w kontakcie z podłożem.
Wyniki potwierdziły, że przy stałej prędkości pionowej wynoszącej 0,35 m/s chód będzie lepszym wyborem z punktu widzenia wydajności metabolicznej.

Jest to widoczne przy wyższych nachyleniach: gdy bieżnia była ustawiona pod kątem 9,4 wydatek energetyczny był taki sam przy biegu i chodzie. W dalszym ciągu badacze mają trudność z wytłumaczeniem pochodzenia różnic w wydatku energetycznym przy bieganiu i chodzeniu. Celem wyjaśnienia tej kwestii warto pochylić się nad bibliografią.

Z badań Minetti’ ego wiemy, że odwrócone mechanizmy wahadłowe i sprężynowe, które pozwalają oszczędzić energię mechaniczną podczas chodzenia i biegania, działają jedynie w trakcie poruszania się po płaskim terenie 8, 24. Minetti i in. 18 udowodnili, że "praca wewnętrzna" w ruchu posuwisto-zwrotnym kończyn jest w rzeczywistości większa podczas chodzenia, pomimo mniejszej częstotliwości stawiania kroków, co zmusza nas do zadania sobie pytania, dlaczego to chód jest bardziej wydajnym sposobem na pokonanie trasy przy określonych parametrach.

W badaniu uczonych z Udine udało się wykazać, że kontakt stóp z podłożem w czasie biegu był średnio 34% mniejszy, niż w czasie chodu. Jeżeli zasugerujemy się wynikami opublikowanymi przez Krama i Taylora 13, którzy ustalili, że intensywność procesów energetycznych jest odwrotnie proporcjonalna do czasu kontaktu stóp z podłożem podczas biegania pod górę, być może zbliżymy się do odpowiedzi na pytanie „dlaczego?”.

Zobacz oryginalne, pełne badania.



Na zdjęciu: Michalina Mendecka, foto: Artur Czempas

Ambasador i Ekspert ALE Karol Gołębiewski
Autor: Karol Gołębiewski absolwent kierunku lekarskiego (Uniwersytet Medyczny w Łodzi), który w świecie pełnym informacji o zdrowym stylu życia i żywieniu, próbuje znaleźć te, których wartość została potwierdzona naukowo.
© Active Life Energy.


Bibliografia
  1. Biewener AA, Farley CT, Roberts TJ, Temaner M. Muscle mechanical advantage of human walking and running: implications for energy cost. J Appl Physiol 97: 2266–2274, 2004.
  2. Brockway JM. Derivation of formulae used to calculate energy expenditure in man. Hum Nutr Clin Nutr 41: 463–471, 1987.
  3. di Prampero PE. The energy cost of human locomotion on land and in water. Int J Sports Med 7: 55–72., 1986.
  4. Diedrich FJ, Warren WH. The dynamics of gait transitions: effects of grade and load. J Mot Behav 30: 60–78, 1998.
  5. Farley CT, Blickhan R, Saito J, Taylor CR. Hopping frequency in humans: a test of how springs set stride frequency in bouncing gaits. J Appl Physiol 71: 2127–2132, 1991.
  6. Farley CT, Ferris DP. Biomechanics of walking and running: center of mass movements to muscle action. Exerc Sport Sci Rev 26: 253–285, 1998.
  7. Gottschall JS, Kram R. Ground reaction forces during downhill and uphill running. J Biomech 38: 445–452, 2005.
  8. Gottschall JS, Kram R. Mechanical energy fluctuations during hill walking: the effects of slope on inverted pendulum exchange. J Exp Biol 209: 4895–4900, 2006.
  9. Hoogkamer W, Taboga P, Kram R. Applying the cost of generating force hypothesis to uphill running. PeerJ 2: e482, 2014.
  10. Hreljac A. Determinants of the gait transition speed during human locomotion: kinematic factors. J Biomech 28: 669–677, 1995.
  11. Hreljac A, Imamura R, Escamilla RF, Edwards WB. Effects of changing protocol, grade, and direction on the preferred gait transition speed during human locomotion. Gait Posture 25: 419–424, 2007.
  12. Kay A. Pace and critical gradient for hill runners: an analysis of race records. J Quant Analysis Sports 8: 1–17, 2012.
  13. Kram R, Taylor CR. Energetics of running: a new perspective. Nature 346: 265–267, 1990
  14. Margaria R. Sulla fisiologia e specialmente sul consumo energetico della marcia e della corsa a varia velocita ed inclinazione del terreno. Atti Accademia Nazionale dei Lincei 7: 299–368, 1938.
  15. Margaria R, Cerretelli P, Aghemo P, Sassi G. Energy cost of running. J Appl Physiol 18: 367–370, 1963.
  16. McMahon TA, Valiant G, Frederick EC. Groucho running. J Appl Physiol 62: 2326–2337, 1987.
  17. Mercier J, Le Gallais D, Durand M, Goudal C, Micallef JP, Prefaut C. Energy expenditure and cardiorespiratory responses at the transition between walking and running. Eur J Appl Physiol Occup Physiol 69: 525–529, 1994.
  18. Minetti AE, Ardigo LP, Saibene F. Mechanical determinants of the minimum energy cost of gradient running in humans. J Exp Biol 195: 211–225, 1994.
  19. Minetti AE, Ardigo LP, Saibene F. The transition between walking and running in humans: metabolic and mechanical aspects at different gradients. Acta Physiol Scand 150: 315–323, 1994.
  20. Minetti AE, Cazzola D, Seminati E, Giacometti M, Roi GS. Skyscraper running: physiological and biomechanical profile of a novel sport activity. Scand J Med Sci Sports 21: 293–301, 2011.
  21. Minetti AE, Moia C, Roi GS, Susta D, Ferretti G. Energy cost of walking and running at extreme uphill and downhill slopes. J Appl Physiol 93: 1039–1046, 2002.
  22. Padulo J, Annino G, Migliaccio GM, D’Ottavio S, Tihanyi J. Kinematics of running at different slopes and speeds. J Strength Cond Res 26: 1331–1339, 2012.
  23. Rubenson J, Heliams DB, Lloyd DG, Fournier PA. Gait selection in the ostrich: mechanical and metabolic characteristics of walking and running with and without an aerial phase. Proc Biol Sci 271: 1091–1099, 2004.
  24. Snyder KL, Kram R, Gottschall JS. The role of elastic energy storage and recovery in downhill and uphill running. J Exp Biol 215: 2283–2287, 2012.
  25. Thorstensson A, Roberthson H. Adaptations to changing speed in human locomotion: speed of transition between walking and running. Acta Physiol Scand 131: 211–214, 1987.
  26. Voloshina AS, Ferris DP. Biomechanics and energetics of running on uneven terrain. J Exp Biol 218: 711–719, 2015.
  27. Zamparo P, Perini R, Orizio C, Sacher M, Ferretti G. The energy cost of walking or running on sand. Eur J Appl Physiol Occup Physiol 65: 183–187, 1992.
Pokaż więcej wpisów z Październik 2018
W związku z przepisami Rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2016/679 z dnia 27 kwietnia 2016 r. (RODO) informujemy, że korzystając z tej witryny zgadzasz się na zapisywanie i przechowywanie plików cookie oraz przetwarzanie danych osobowych. Szczegółowe informacje o zakresie oraz rodzaju przetwarzanych danych znaleźć można w naszej polityce prywatności. W przypadku niewyrażania na to zgody, prosimy o zamknięcie tej strony. Strona korzysta z plików cookie w celu realizacji usług zgodnie z Polityką dotyczącą cookies. Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do cookie w Twojej przeglądarce.
Wyrażam zgodę (Zamknij)
pixel