Инновационные подходы к совершенствованию физической работоспособности спортсменов на основе применения тренажеров комплексного воздействия на дыхательную систему

ИННОВАЦИОННЫЕ ПОДХОДЫ К СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ФИЗИЧЕСКОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СПОРТСМЕНОВ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ТРЕНАЖЕРОВ КОМПЛЕКСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ДЫХАТЕЛЬНУЮ СИСТЕМУ

Б.А. ДЫШКО, Ассоциация спортивного инжиниринга; А.И. ГОЛОВАЧЕВ, ВНИИФК

Аннотация

Влияние индивидуальных дыхательных тренажеров с комплексным воздействием на дыхательную систему спортсменов исследовалось при выполнении предельной мышечной работы ступенчато возрастающего характера. Установлено, что тренажер сдерживает увеличение легочной вентиляции с ростом интенсивности упражнения. Повышение механической мощности работы при дыхании с тренажером способствует повышению концентрации углекислого газа и коэффициента использования кислорода в выдыхаемом воздухе и опосредованно влияет на состав вдыхаемого, альвеолярного и выдыхаемого воздуха. Рост концентрации углекислого газа в выдыхаемом воздухе способствует формированию дополнительного объема «мертвого дыхательного пространства», обеспечивающего создание гипоксически-гиперкапнической воздушной смеси, которая способствует росту физической работоспособности. Сформулированы экспериментально-теоретические предпосылки для использования тренажеров в подготовке спортсменов.

Ключевые слова: физическая работоспособность, тренажеры комплексного воздействия, дыхательная система, гипоксия.

Abstract

Influence of individual respiratory training device with complex influence on respiratory system of athletes was investigated in vitro during step increasing limiting muscular work. It is revealed that investigated training apparatus «constrain» growth / increase of pulmonary ventilation with growth of intensity of exercise in comparison with usual conditions. Simultaneously to increase in intensity /capacity of performance of the exercise, there is a growth of C02 concentration in exhaled air and operating ratio of oxygen that immediately specifies not only in change of structure of an inhaled (alveolar) air mix, but also on creation favorable steady a situation for the processes of diffusion. Despite growth of intensity/capacity of performance of training /competitive exercise, a training apparatus of complex influence on respiratory system of the person promotes increase in concentration C02 in exhaled air, thereby creating «additional respiratory dead space», forming hypoxic-hypercapnic air mix promoting increase of working capacity of athlete. Experimentally-theoretical preconditions for use of training device in athletes’ training are developed.

Key words: physical working capacity, complex training devices, hypoxia, respiratory system.

Введение

Одним из важнейших условий эффективности проявления физических качеств спортсменами является высокий уровень физической работоспособности, обеспечивающий их реализацию в соревновательной деятельности, которая, в свою очередь, сопряжена с выполнением двигательных действий в условиях недостатка для организма кислорода [30, 31, 32]. Именно поэтому спортивный результат в большинстве циклических видов спорта, в которых преодоление дистанции связано с проявлением физических качеств во времени, стремящемся к минимуму, адаптация организма к условиям гипоксии - один из важнейших факторов достижения успеха [3, 11, 13, 18, 30, 31].

Поэтому проблема разработки новых средств и методов адаптации организма спортсменов к интенсивной, в том числе и предельной мышечной работе, соответствующей соревновательному режиму в условиях гипоксии, в настоящее время весьма актуальна. Повышенный инте-

рес к данной проблеме вызван и необходимостью поиска немедикаментозных средств повышения физической работоспособности, базирующихся на положении, исключающем применение допинговых и стимулирующих фармакологических препаратов.

Заметим, что среди них (немедикаментозных средств) широкое применение получили: дыхание гипоксически-гиперкапническими смесями [1], проживание в условиях так называемых «горных домиков» с разным парциальным давлением кислорода [14, 21, 28] и непосредственно тренировка в условиях среднегорья и высокогорья [18, 19].

Вместе с тем предлагаемые методические подходы повышения устойчивости организма спортсменов к гипоксии (гипоксической гипоксии и гипоксии нагрузки) ограничены возможностью их применения при работе с высококвалифицированными спортсменами непосредственно на учебно-тренировочных сборах и соревно-

ІШ)

ваниях, поскольку требуют выполнения определенных условий:

- приобретения дорогостоящей специальной аппаратуры: дыхательных смесей, специально обученного медицинского персонала;

- перечисленные методы [14, 21 и 28] требуют строительства помещений по специальной технологии;

- многие из предложенных средств и методов не позволяют их использовать во время тренировки [1, 13,

14, 25].

Следует заметить, что последнее условие является наиболее важным (особенно при подготовке ВКС), поскольку нарушаются как минимум два значимых педагогических принципа совершенствования спортивного мастерства - принцип сопряженного воздействия [2, 8, 12, 17] и принцип динамического соответствия [2, 8, 19].

При подготовке высококвалифицированных спортсменов нам представляется наиболее целесообразным применение таких средств (устройств) адаптации к высокоинтенсивной мышечной работе в условиях гипоксии и гиперкапнии, которые можно применять как в разминке, так и непосредственно в основной части тренировочных занятий, не оказывая существенного влияния на спе-циализированность двигательных действий с позиции кинематики, динамики и координации работы мышц [2, 9, 17].

С этих позиций наиболее эффективным является тренажер комплексного воздействия на дыхательную систему спортсмена «Новое дыхание» (далее - Тренажер), который может быть использован при выполнении тренировочных и соревновательных упражнений, например в плавании [4, 9, 15, 26, 27], легкой атлетике, велосипедном спорте, лыжных гонках и биатлоне [5, 6, 7, 27, 32].

Воздействие Тренажера на функциональные системы организма спортсмена (дыхательную, сердечнососудистую, нервно-мышечный аппарат и др.) обусловлено одновременным проявлением физических и физиологических факторов, связанных с:

- регулируемым механическим сопротивлением потоку выдыхаемого воздуха;

- низкочастотной вибрацией потока выдыхаемого воздуха;

- интенсивностью выполнения физических (мышечных) упражнений;

- созданием регулируемого «дополнительного мертвого пространства».

При этом также реализуются следующие физиологические механизмы:

- бронходилатация в ходе выполнения физических нагрузок субмаксимальной и максимальной мощности;

- активизация механизмов мукоциллиарного клиренса, способствующего эффективной очистке бронхолегочного аппарата;

- тренировка силы и выносливости дыхательной мускулатуры.

В свете сказанного целью данного исследования явилось изучение влияния тренажера комплексного воздействия на дыхательную систему спортсменов при

выполнении ступенчато возрастающей нагрузки «до отказа» в лабораторных условиях.

Выбор ступенчато возрастающей нагрузки был обусловлен тем, что нагрузки подобного рода позволяют проследить характер адаптационных процессов при работе в различных зонах мощности выполнения упражнений (умеренной, субмаксимальной), а при определенной степени - мотивацию испытуемых и максимальную зону мощности.

Методы и организация исследования

В исследовании приняли участие 12 спортсменов мужского пола в возрасте от 16 до 18 лет, имевших квалификацию от I разряда до МС, занимавшихся плаванием.

Испытуемым предлагалось выполнить два варианта нагрузки ступенчато возрастающего характера «до отказа» на механическом велоэргометре «Monark» (Швеция) при нормальных условиях дыхания (только в маске для забора выдыхаемого воздуха, вариант 1) и с использованием тренажера ТДС, вмонтированного в газовую маску (вариант 2).

Начальная мощность работы составляла 240 кгм/мин (40 Вт, 0,5 кР). Повышение нагрузки осуществлялось путем увеличения мощности работы на 240 кгм/мин (40 Вт,

0,5 кР) через каждые две минуты. Темп педалирования составлял 80 об./мин, и его снижение более чем на 10% служило основанием для прекращения работы.

При выполнении тестовых нагрузок с различными вариантами дыхания в начале, во время и по окончании работы (в первые две минуты восстановления) регистрировали параметры выдыхаемого воздуха, показатели частоты сердечных сокращений, темп педалирования (во время работы) и концентрацию лактата в конце каждой ступени нагрузки, по остановке и на третьей минуте восстановления.

Анализ показателей выдыхаемого воздуха, забираемого в мешки Дугласа (в течение последних 30 с работы на каждой ступени), осуществлялся на блоках газоанализатора «Beckman» (США) ОМ-II и LB-2 для %О2 и %СО2 соответственно. Объем выдыхаемого воздуха определялся с помощью спирометра сухого типа «Окси-мер» (Германия). Частота сердечных сокращений и темп педалирования регистрировались с помощью специализированного монитора пульса S725 (Polar, Финляндия), позволяющего осуществлять регистрацию исследуемых показателей каждые 5 с. Анализ капиллярной крови на содержание концентрации лактата осуществлялся инзи-матическим методом.

Заметим, что каждое последующее исследование с различными вариантами дыхания проводилось через трое суток (48-72 ч) с учетом времени, необходимого для полного восстановления израсходованного гликогена [3].

Результаты и их обсуждение

В ходе экспериментального исследования было установлено, что с увеличением мощности нагрузки дыхание с использованием Тренажера по сравнению со свободным дыханием (только в маске) приводит (рис. 1-3):

- к снижению объема легочной вентиляции;

(шШ>

- к значительному повышению концентрации углекислого газа и, как следствие этого, повышению коэффициента использования кислорода (КИО2), выступающего компенсаторным механизмом нарастающей мышечной гипоксии.

При этом следует заметить, что в выбранном для сравнительного анализа интервале времени от 0 до 11 минут, в котором последняя минута соответствовала прекращению работы при дыхании с Тренажером, оказалось, что:

- различие по величине концентрации СО2 в выдыхаемом воздухе при двух вариантах дыхания с Тренажером (6,7%) и в маске (4,3%) составило 55,8%;

- различие по величине показателя КИО2 (Л%О2) в выдыхаемом воздухе при двух вариантах дыхания с Тренажером (5,45%) и в маске (3,50%) составило 55,7%;

- различие по величине максимальной вентиляции легких при двух вариантах дыхания с Тренажером (63,2±8,4 л/мин) и в маске (117,5±10,4 л/мин) составило 46,2%.

Полученные данные свидетельствуют, что при одинаковой мощности работы (1200 кгм/мин (200 Вт) на 10 минуте) использование Тренажера приводит к снижению объема потока выдыхаемого воздуха (выраженного в снижении максимальной вентиляции легких) и увеличению концентрации углекислого газа и кислорода в нем (рис. 1-3).

При этом можно предположить, что именно это явление при дыхании с Тренажером будет оказывать существенное влияние и на концентрацию О2 и СО2 в «мертвом дыхательном пространстве» (МДП).

Напомним, что альвеолярная вентиляция непосредственно влияет на содержание концентрации О2 и СО2 в альвеолярном воздухе, заполняющем альвеолы.

время работы в тесте, мин

тренажер —•— маска

Рис. 1. Динамика легочной вентиляции

Время работы в тесте, мин

тренажер А маска

Рис. 2. Динамика углекислого газа в выдыхаемом воздухе

Время работы в тесте, мин

тренажер А маска

Рис. 3. Динамика КИО2

По данным Е.М. Маршака [16] и В.М. Покровского и Г.Ф. Коротько [22], в каждой альвеоле состав воздуха определяется соотношением многих факторов:

- величиной анатомического «мертвого пространства легких» (МДП);

- распределением воздуха по воздухоносным ходам и альвеолам;

- соответствием вентиляции альвеол и перфузии легочных капилляров.

Как следствие этого, газовый состав воздуха в различных отделах дыхательной системы человека во время дыхательного цикла неоднороден (см. таблицу).

Как видно, состав воздуха в МДП занимает промежуточное положение между выдыхаемым и альвеолярным воздухом. Буферная роль МДП создает наиболее благоприятные условия для процессов диффузии, лежащих в основе насыщения кислородом и выделения углекислого газа из крови в легкие. Понятно, что в МДП происходит смешивание воздуха, приводящего к выравниванию газовой среды, служащей для дыхания человека.

Газовый состав воздуха во время дыхательного цикла

Дыхательный цикл Содержание газов в выдыхаемом воздухе, %

Кислород Углекислый газ Азот

Вдыхаемый воздух 20,92-20,96 0,01-0,03 79,02

Выдыхаемый воздух 16,4-16,6 3,80-4,10 79,5

Альвеолярный воздух 13,7-14,6 5,34-5,60 80,7

МДП 14,7-14,9 5,20-5,10 80,1

Следует заметить, что при дыхании в условиях выполнения мышечной нагрузки, когда легочная вентиляция многократно возрастает, роль «мертвого пространства» снижается, чем больше увеличивается дыхательный объем по сравнению с объемом воздуха дыхательных путей. По данным [22], при напряженной мышечной деятельности дыхательный объем поступающего воздуха (из атмосферы) «разводится» воздухом «мертвого пространства» не более чем на 1/17-1/20. Иными словами, увеличение легочной вентиляции снижает эффективность процесса «разведения» поступающего в альвеолы воздуха «отработанными» газами.

Именно поэтому можно предположить, что применение Тренажера при выполнении физических нагрузок, и особенно высокоинтенсивных, может оказывать эффект, аналогичный увеличению «мертвого дыхательного пространства», способствующего увеличению концентрации углекислого газа за счет снижения кислорода в альвеолярном воздухе, достигнув эффекта, полученного в работе В.С. Фарфеля [20]. Автором было установлено, что увеличение «мертвого пространства» приводит к усилению гипоксических сдвигов в организме в условиях тренировочных нагрузок, что значительно повышает их эффективность и способствует быстрому и более выраженному росту работоспособности.

Заключение

Проведенное экспериментальное исследование позволило изучить особенности внешнего дыхания при выполнении ступенчато возрастающей нагрузки «до отказа» с дыханием в нормальных условиях (без допол-

нительного сопротивления) и с применением тренажера комплексного воздействия дыхательной системы. Наиболее важным оказалось:

1. Конструктивные особенности тренажера комплексного воздействия на дыхательную систему сдерживают увеличение легочной вентиляции с ростом мощности (интенсивности) выполнения тренировочного или соревновательного упражнения.

2. Повышение механической мощности работы при дыхании с Тренажером (по сравнению с нормальными условиями дыхания) способствует повышению концентрации углекислого газа и коэффициента использования кислорода в выдыхаемом воздухе и, как следствие этого, опосредованно влияет на состав вдыхаемого альвеолярного и выдыхаемого воздуха, создавая благоприятные условия для процесса диффузии газов, лежащих в основе обменных процессов.

3. Рост концентрации углекислого газа в выдыхаемом воздухе способствует формированию виртуального дополнительного объема «мертвого дыхательного пространства», обеспечивающего создание гипоксически-гиперкапнической воздушной смеси, дыхание которой способствует росту физической работоспособности спортсменов.

Кроме того, хотелось бы заметить, что результаты нашей работы являются предпосылкой для дальнейших экспериментальных и теоретических исследований применения тренажеров комплексного воздействия на дыхательную систему спортсмена в условиях управляемой внешней среды, позволяющей моделировать различный уровень недостатка кислорода.

Литература

1. Антипов И.В. Влияние гипоксических и гипокси-чески-гиперкапнических смесей на функциональные резервы организма человека: автореф. дис. ... канд. биол. наук / И.В. Антипов. - Ульяновск, 2006. - 22 с.

2. Верхошанский Ю.В. Программирование и организация тренировочного процесса / Ю.В. Верхошанский. -М.: ФиС, 1985. - 174 с.

3. Волков Н.И. Современные методы гипоксической подготовки в спорте / Н.И. Волков // 3-й Международный конгресс «Теория деятельности и социальная практика». 26-29 июня 1995 г., г. Москва. - М.: Физкультура, образование, наука, 1995. - С. 27.

4. Дышко Б. Устройство для развития дыхательной системы с регулированием содержания кислорода во вдыхаемом воздухе / Б. Дышко, А. Кочергин // Теория и практика футбола. - 2001. - № 3. - С. 6-9.

5. Дышко Б.А. Индивидуальные средства для тренировки дыхательной системы / Б.А. Дышко // Медицина и спорт. - 2006. - № 5. - С. 36-37.

6. Дышко Б. Тренировка дыхательной системы в движении: биомехан. предпосылки и реализация / Б. Дышко, М. Дидур, А. Головачев // Легкая атлетика. - 2007. -№ 10. - С. 22-24.

7. Дышко Б.А. К вопросу повышения работоспособности спортсменов высшей квалификации: индивидуаль-

ные дыхательные тренажеры комплексного воздействия на дыхательную систему спортсменов / Б.А. Дышко // Доклады Международной научно-практической конференции государств - участников СНГ по проблемам физической культуры и спорта. - Минск, 2010. -С. 110 - 118.

8. Дьячков В.М. Прыжки в высоту / В.М. Дьячков. -М.: Физкультура и спорт, 1966. - С. 77-84.

9. Згурский Н.С. Инновации в подготовке детей-пловцов с нарушением слуха / Н.С. Згурский, Б.А. Дыш-ко // Физическая культура - воспитание, образование, тренировка. - 2009. - 1. - С. 53-55.

10. Интервальная гипоксическая тренировка: эффективность, механизмы действий. - Киев: КГИФК-ЕЛТА, 1992. - 159 с.

11. Иорданская Ф.А. Гипоксия как фактор повышения работоспособности спортсменов / Ф.А. Иорданская и др. // Материалы Всесоюзной научно-практической конференции «Научно-методическое обеспечение системы подготовки высококвалифицированных спортсменов и спортивных резервов» / ВНИИФК; ЦНИИС. -1990. - Ч. 2. - С. 249.

12. Ковалев Н.В. Оптимизация тренировочного процесса квалифицированных пловцов в условиях применения интервальной гипоксической тренировки:

(ШШ>

дис. ... канд. пед. наук / Н.В. Ковалев. - М., 2000. -143 с.

13. Колчинская А.З. Кислород. Физическое состояние, работоспособность/ А.З. Колчинская. - Киев: Наукова думка, 1991. - 205 с.

14. Колчинская А.З. Нормобарическая интервальная гипоксическая тренировка в медицине и спорте /

А.З. Колчинская, Т.Н. Цыганова, Л.А. Остапенко. - М.: Медицина, 2003. - 408 с.

15. Кочергин А.Б. Методические подходы к использованию концепции «искусственная управляющая и предметные среды» в подготовке высококвалифицированных пловцов / А.Б. Кочергин // Моделирование спортивной деятельности в искусственно созданной среде (стенды, тренажеры, имитаторы) / Материалы конференции. -М., 1990. - С. 50-52.

16. Маршак М.Е. Физиологическое значение углекислоты / М.Е. Маршак. - М.: Медицина, 1969. - 186 с.

17. Медведев Д.В. Повышение функциональной подготовленности спортсменов посредством интервальных резистивно-респираторных нагрузок: методические рекомендации / Д.В. Медведев. - Волгоград: ВГАФК, 2005. - 20 с.

18. Суслов Ф.П. Тренировка в условиях среднегорья как фактор повышения спортивного мастерства: автореф. дис. ... д-ра пед. наук / Ф.П. Суслов. - М., 1983. - 48 с.

19. Суслов Ф.П. Спортивная тренировка в условиях среднегорья / Ф.П. Суслов, Е.Б. Гиппенрейтер, Ж.К. Холодов; РГАФК. - М., 1999. - 202 с.

20. Фарфель В.С. О дыхании в среднегорье и путях его моделирования в низине / В.С. Фарфель // В кн.: «Акклиматизация и тренировка спортсменов в горных условиях». - Алма-Ата, 1965. - С. 91-93.

21. Фефилатьев Л.П. Интервальная гипоксическая тренировка и технические средства ее реализации в спорте / Л.П. Фефилатьев, Л.П. Бровко, Н.И. Волков // Современные достижения спортивной науки. - С.-Петербург, 1994. - С. 76.

22. Физиология человека / под ред. В.М. Покровского, Г.Ф. Коротько. - М.: Медицина, 2003. - 656 с.

23. Brown P.I. Inspiratory muscle training reduces blood lactate concentration during volitional hyperpnoea / P.I. Brown, G.R. Share, M.A. Johnson // Eur. J. Appl. Physiol. - 2006. - 96 (5). - P. 600-608.

24. Chapman R.F. Individual variation in response to altitude training / R.F. Chapman, J. Stray-Gundersen,

B.D. Levine // J. Appl. Physiol. - 1998. - 85. - P. 14481456.

25. Derchak P. A. Effects if expiratory muscle work on muscle sympathetic nerve activity / P.A. Derchak, A.W. Sheel, BJ. Morgan, J.A. Dempsey // J. Appl. Physiol. -2002. - 92. - P. 1539-1552.

26. Dychko B. The device for training breathing of swimmers using pneuma-vibration / B. Dychko, A. Kochergin // Proceedings of XXIII International Symposium on Biomechanics in Sports (ISBS). Beijing, China. - 2005. -V. 1. - P. 113-115.

27. Dychko B. Biomechanical regulation of sportsmen external breath characteristics with use of pneuma-vibration effect / B. Dychko, A. Kochergin // Proceeding of the XXVI International Symposium on Biomechanics in Sport (ISBS). Sequl, Korea. - 2008. - P. 343-347.

28. Ingham E.A. Hypoxic tent living improves runners’ performance / E.A. Ingham, P.D. Pfitzinger, J. Hellemans et al. // Medicine and Science in Sports and Exercise. -2001. - 33. - P. 5.

29. Harms A.C. Effect of skeletal muscle demand on cardiovascular function / A.C. Harms // Med. Sci. Sports Exerc. - 2000. - 32 (1). - P. 94-99.

30. Harms A.C. Effects of respiratory muscle work on exercise performance/A.C. Harms, TJ. Wetter, C.M. Crois et al. // J. Appl. Physiol. - 2000. - 89. - P. 131-138.

31. Lomax M. E. Inspiratory muscle fatigue in swimmers after a single 200 m swim / M.E. Lomax, A.K. McConnell // J. Sports Sci. - 2003. - 21. - P. 659-664.

32. Romer L. Inspiratory muscle fatigue in trained cyclists: effects of inspiratory muscle training / L. Romer, A. McConnell, D. Jones // Med. Sci. Sports Exerc. - 2002. -Vol. 34. - № 5. - P. 785-792.

(№l