Проблема оценки физической работоспособности

СПОРТИВНАЯ МЕДИЦИНА

ПРОБЛЕМА ОЦЕНКИ ФИЗИЧЕСКОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

В.Д. СОНЬКИН, Институт возрастной физиологии Российской академии образования, г. Москва; РГУФКСиТ

Аннотация

В статье на основании данных литературы и результатов собственных исследований автора проведен анализ существующих методических подходов к исследованию работоспособности. Приведена характеристика трех основных подходов к исследованию работоспособности -эргометрического, физиологического и энергетического, приводятся краткие исторические данные о развитии научных представлений в рамках каждого из этих подходов. Предложена классификация тестов для оценки различных аспектов работоспособности с учетом их предназначения для характеристики мощности, емкости или экономичности того или иного источника энергии.

Ключевые слова: физическая работоспособность, тесты, классификация, мощность, емкость и экономичность энергетических источников.

Abstract

In article on the basis of data of the literature and results of own researches of the author the analysis of existing methodical approaches to research of working capacity is lead. The characteristic of three basic approaches is led to research of working capacity - ergometric, physiological and power, brief historical data about development of scientific representations within the limits of each of these approaches are cited. Classification of tests for an estimation of various aspects of working capacity in view of their reserving for the characteristic of power is offered, to capacity or profitability of this or that energy source.

Key words: physical working capacity, tests, classification, power, capacity and profitability of power sources.

До сих пор не существует единого, принятого всеми исследователями определения понятия «физическая работоспособность». Определений этого узлового для спортивной физиологии термина множество, но почти все они страдают либо отсутствием конкретности (например: «работоспособность - это способность производить работу»), либо сужают понятие физической работоспособности до результатов единичного теста (например -PWC170). И то, и другое очевидно ошибочно, и такая нечеткость в формулировках и понимании сущности важнейшего для спортивной науки понятия приводит к множеству ошибок в интерпретации результатов физиологических измерений. Тем не менее этим понятием (и соответствующими тестами) широко пользуются спортивные физиологи и педагоги, врачи и другие специалисты, которым приходится на практике оценивать физические возможности человека. Вот почему рассмотрение сущности и способов измерения физической работоспособности представляется нам весьма актуальным.

По нашему мнению, физическая работоспособность - это комплексное понятие, которое можно определить как интегральную психофизическую характеристику организма, отражающую свойства скелетных мышц, вегетативное, субстратное и энергетическое обеспечение, нервную и гуморальную регуляции, а также нервно-психические свойства и мотивацию индивидуума, количественно выражающиеся в величине объема и (или) интенсивности (мощности, скорости) произведенной механической работы.

Важнейшим компонентом этого определения является необходимость и возможность количественного измерения интенсивности и /или объема произведенной механической работы. Соответственно показатели, которые не могут быть интерпретированы в единицах объема или мощности механической работы, не могут быть применены для оценки физической работоспособности.

За 100 лет научного изучения физической работоспособности человека были разработаны всего три основных подхода к решению этой проблемы (табл. 1).

а

Таблица 1

Научные подходы к изучению и оценке работоспособности

№ Условное название Основоположник Основные измеряемые характеристики

1. Эргометрический А. Моссо, 1893 Время

2. Физиологический А. НІІ1, 1927 ЧСС, МПК, АП, РШС170, МКД

3. Энергетический Я. Ма^агіа, 1963 Мощность (Ш) и Емкость (Е) 3-х источников энергии

Физиологический подход основан на установленной

А. Хиллом [3] линейной зависимости показателей деятельности вегетативных систем организма от мощности (интенсивности) физической работы. Это увеличение, однако, небеспредельно, каждый из показателей имеет свой «потолок», причем мощность нагрузки, при которой достигается максимальный уровень физиологической функции, отражает функциональный резерв соответствующей вегетативной функции. По этой причине в рамках физиологического подхода рассматриваются две группы показателей: скорость нарастания функции при увеличении нагрузки (угол наклона кривой) и абсолютный предел активности функции. В общем случае принято считать, что чем меньше скорость нарастания функции и чем выше абсолютный предел ее активности, тем выше уровень физической работоспособности. Важно учитывать, что во избежание грубых ошибок в оценках следует рассматривать обе эти характеристики совместно.

Например, одним из самых популярных показателей работоспособности уже более полувека служит максимальное потребление кислорода (МПК), и это правильно, поскольку этот показатель характеризует предельно достижимую мощность аэробного источника энергопродукции - то есть того энергетического ресурса организма, от которого зависит выполнение абсолютного большинства бытовых и производственных физических усилий.

Еще в 1950-е годы было показано, что величина МПК хорошо коррелирует со спортивным результатом в тех видах, где аэробное энергообеспечение является определяющим - в легкоатлетическом беге на длинные дистанции, в лыжном спорте, в ряде дисциплин плавания, велоспорте [2, 5, 7]. Однако сама по себе величина МПК может и не отражать уровень аэробной производительности, если одновременно не учитывается мощность той нагрузки, при которой она достигается.

Например, в возрастном ряду от 10 до 18 лет наивысший показатель относительной величины МПК наблюдается в возрасте 14 лет, однако реальный уровень работоспособности в этом возрасте на фоне полового созревания вовсе не является выдающимся и значительно уступает показателям 17-18-летних, несмотря на то, что относительная величина МПК у них на 10-15% ниже. В частности, величина критической мощности, при которой регистрируется МПК, в 14 лет составляет чуть менее 4 Вт/кг, тогда как в 17-18 лет - 4,3-4,5 Вт/кг [19]. Точно так же можно утверждать, что уровень работоспособности спортсмена, имеющего МПК 60мл/мин/кг при критической мощности, равной 4,3Вт/кг, на самом деле ниже, чем у другого спортсмена, имеющего МПК 55 мл/ мин/кг, для достижения которого он развивает мощность

4,7 Вт/кг. Более пологий ход зависимости потребления кислорода от мощности нагрузки имеет более высокое значение для характеристики работоспособности, чем сама по себе величина максимального потребления кислорода.

Необходимо подчеркнуть, что физиологический подход к оценке работоспособности имеет жесткие ограничения применимости: он способен характеризовать физические кондиции человека только в диапазоне нагрузок от уровня покоя до критической мощности, то есть до достижения МПК.

С одной стороны, это тот диапазон, в котором проходит практически вся обычная жизнь человека. С другой стороны, это всего лишь 1/4 или даже 1/5 полного диапазона мышечных нагрузок, доступных человеку. Мощные, интенсивные нагрузки, которые составляют основу игровой и спортивной деятельности ребенка и взрослого, а также некоторых видов трудовых процессов, в этот диапазон не входят, и, следовательно, соответствующие тесты и показатели полноценно их охарактеризовать не могут. Тем более что между разными сторонами физических кондиций человека взаимосвязи могут быть весьма слабы или даже отсутствуют вовсе [27, 29, 32, 33, 39].

Энергетический подход базируется на концепции К Ма^апа [36, 37] и предполагает оценку мощности, емкости и экономичности каждого из трех источников энергии, функционирующих в скелетной мышце: аэробного, анаэробного гликолитического и анаэробного фосфагенного.

Энергетический подход к оценке работоспособности в еще большей мере, чем физиологический, страдает от недостатка хорошо разработанных тестов. Это существенно затрудняет проведение исследований в рамках этих подходов, и особенно - трактовку получаемых результатов. Наиболее полно возможности этого подхода для прогностических оценок в спорте разработаны в трудах

Н.И. Волкова [5].

Эргометрический подход состоит в непосредственном измерении объема и интенсивности выполняемой работы. Использование нелинейной математической модели Мюллера [25] позволяет оценивать мощность всех трех энергетических систем, а также интегральную емкость энергетических систем организма [9, 10, 19, 20].

Зародившись еще в конце XIX века, этот подход в последние годы вновь приобрел множество сторонников благодаря своей простоте и надежности [3, 4, 13, 14, 16,

18, 22]. В то же время эргометрические методы не дают возможность оценить экономичность и «физиологическую стоимость» выполняемой мышечной работы [11]. По этой причине для целей индивидуальной диагностики

они должны сочетаться с измерениями физиологических показателей [19], простейшим из которых является частота сокращений сердца в процессе выполнения нагрузки и в восстановительном периоде после ее завершения [2, 7].

Классификация тестов для оценки различных аспектов физической работоспособности

Разработка тестов для оценки работоспособности фактически положила начало физиологии мышечной деятельности [17]. Во второй половине ХХ века были разработаны строгие протоколы проведения самых популярных тестов [28, 34, 35, 40] и модификации некоторых из них для детей и подростков [1, 8], выпущено немало руководств по тестированию [2, 7, 26 и др.], однако на сегодняшний день не существует единого, всеми безоговорочно признаваемого подхода к тестированию и трактовке его результатов, особенно для характеристики анаэробных диапазонов нагрузок [39], а также номенклатуры широко используемых тестов. Между тем потребность в такого рода физиологической классификации тестов для оценки работоспособности именно с точки зрения того, что они отражают, давно назрела. Мне представляется, что должна быть создана своеобразная «периодическая таблица» тестов, не заполненные клеточки которой обозначат направления дальнейшего поиска.

В качестве основы для составления такой таблицы представляется перспективным энергетический подход, разработанный К Ма^апа [37], успешно использованный Н.И. Волковым [5], В.С. Фарфелем [25],

В.Л. Уткиным [23] и многими другими исследователями. Согласно этому подходу, для всесторонней оценки физической работоспособности человека необходимо оценить для каждого из 3 источников энергопродукции -аэробного, лактацидного и фосфагенного - 3 основных параметра: мощность, емкость и экономичность. Чтобы эта «периодическая таблица» действительно отражала весь комплекс физических возможностей, следовало бы учесть также то обстоятельство, что между разными группами скелетных мышц нет однозначных взаимосвязей: высокая работоспособность мышц нижних конечностей вовсе не свидетельствует о такой же высокой работоспособности мышц рук или туловища, и наоборот [15, 19]. По этой причине рассматриваемая таблица, теоретически, должна быть, по крайней мере 3-мерной, то есть содержать полный набор тестов (по 3 параметра для каждого из 3 источников энергообеспечения) для 3-х основных групп мышц: верхних конечностей и плечевого пояса; туловища, нижних конечностей и тазового пояса. Таким образом, минимальный набор для всестороннего описания работоспособности человека составляет

27 тестов и соответствующих им показателей. Кроме того, придется учитывать, что далеко не все тесты и эргометры пригодны для измерения работы любой группы мышц. Следует различать также тесты для оценки глобальной работы, вовлекающей все группы мышц (например, с применением гребных эргометров) и тесты для оценки региональной либо локальной работы и т.п.

Наконец, должны раздельно оцениваться циклические и ациклические, а также статические виды физической нагрузки. В итоге предполагаемая «периодическая таблица» будет содержать по меньшей мере 36 = 729 ячеек. Такая многомерная классификация тестов еще ждет своего создателя.

Важно подчеркнуть, что не существует и принципиально не может существовать единый тест, позволяющий оценить все энергетические параметры всех трех источников энергии. Даже измерить мощность и емкость одного источника в одном тесте невозможно. Дело в том, что мощность нагрузки, определяющая активацию того или иного источника энергии, и ее предельная длительность, отражающая емкость активного источника, связаны между собой нелинейной зависимостью [6, 11,

24, 25]. Для измерения максимальной мощности того или иного источника мы можем использовать либо нарастающую нагрузку, либо фиксированное время выполнения нагрузки с оценкой средней (либо пиковой) мощности произведенной работы. В обоих случаях одновременное измерение максимальной емкости источника невозможно: в первом случае - из-за кумулятивного эффекта нарастающего утомления, во втором - по определению, так как экспериментатор сознательно ограничивает время выполнения работы и регистрирует ее объем. Если же мы измеряем емкость, то вынуждены задавать фиксированную мощность, иначе неясно, емкость какого именно источника мы измеряем. В этом проявляется своеобразный физиологический «принцип неопределенности», сходный по своей сути с аналогичным принципом квантовой физики. Точно так же, как по законам квантовой механики невозможно одновременно измерить массу и скорость движения элементарной частицы, так же и в мышечной физиологии невозможно одновременно измерить предельную мощность и емкость активного источника энергии. Осознание этого важнейшего фундаментального положения важно для правильной трактовки получаемых результатов.

В табл. 2 представлены основные тесты и показатели, используемые сегодня для оценки различных сторон работоспособности. Следует подчеркнуть, что наиболее разработанными являются тесты для измерения аэробной мощности и экономичности циклической аэробной работы. Все остальные тесты разработаны значительно в меньшей степени, а трактовка их результатов порой вызывает серьезные споры среди специалистов. Так, например, весьма популярным показателем в спортивной практике является максимальный уровень лактата в периферической крови. Между тем этот показатель зависит от множества факторов, и его прямолинейная трактовка вызывает серьезные возражения авторитетных ученых [30, 38, 41].

Фактически представленным набором тестов исчерпываются сегодняшние возможности корректной оценки работоспособности. При этом, если для оценки мощности энергетических систем существует несколько достаточно надежных тестов, емкость остается чаще всего вне поля зрения исследователей.

а

Таблица 2

Тесты и показатели для оценки мощности, емкости и экономичности энергетических источников

при циклической мышечной работе

Источник Мощность Емкость Экономичность

Аэробный о1 о і ♦ ♦♦♦♦ - ♦ Ватт-пульс ♦ Пульсовая стоимость единицы работы ♦ Кислородная стоимость единицы работы

Лактацидный ♦ Вингейтский тест ♦ Тест ТогпуаІ Е. ♦ Ш 240 ♦ Ш ЇУ 40 ♦ МФ МКД ♦ Максимальная концентрация лактата в крови ♦ Тест удержания критической мощности ♦ Коэффициент К уравнения Мюллера ♦ Гарвардский степ-тест ♦ ИНПД

Фосфагенный ♦ Лестничный тест Ма^агіа Я. ♦ Тест МАМ ♦ Штах ♦ БФ МКД ♦ ИНПД

Расшифровка сокращений ♦ МПК - максимальное потребление кислорода ♦ РШС170 - мощность нагрузки, при которой пульс достигает 170 уд./мин ♦ АП - анаэробный порог ♦ ЧССмакс - максимальная частота сокращений сердца ♦ Ш40 - мощность циклической работы, которую человек способен поддерживать в течение 40 с (рассчитывается с помощью уравнения Мюллера на основании результатов двух циклических тестов на предельное время удержания нагрузки в двух разных зонах мощности), примерно соответствует верхней границе зоны субмаксимальной мощности [9] ♦ Ш240 - мощность циклической работы, которую человек способен поддерживать в течение 240 с, примерно соответствует верхней границе зоны большой мощности [9] ♦ ^900 - мощность циклической работы, которую человек способен поддерживать в течение 900 с, примерно соответствует верхней границе зоны умеренной мощности [9] ♦ - мощность циклической работы, которую человек способен поддерживать в течение 1 с, примерно соответствует МАМ [9] ♦ МАМ - максимальная анаэробная мощность в циклическом упражнении [5] ♦ МФ МКД - медленная (лактацидная) фракция максимального кислородного долга [5, 37] ♦ БФ МКД - быстрая (алактацидная) фракция максимального кислородного долга [5, 37] ♦ ИНПД - интенсивность накопления пульсового долга [12]

Между тем анализ эргометрических зависимостей показывает, что увеличение мощности энергетической системы на 20-30% приводит к 5-10-кратному повышению емкости [11]. По этой причине показатели емкости, если их удается измерить, оказываются не только намного чувствительнее, но и значительно информативнее, чем показатели мощности.

Заключение

Развитие механизмов энергетического обеспечения мышечной деятельности в процессе онтогенеза или спортивной тренировки представляет собой сложный, нелинейный и гетерохронный процесс. Он включает кардинальные изменения в структуре и функциональных характеристиках мышечных волокон, значительную перестройку ферментных систем, существенные изменения в деятельности вегетативных систем, обеспечивающих мышцы кислородом и субстратами, а также в работе регуляторных центров. Все это ведет к повыше-

нию эффективности и надежности работы организма [21].

Однако любое воздействие, которое мы предполагаем оказывать на организм, в том числе тренировочное, должно быть тщательно соразмерено с его реальными функциональными возможностями, с уровнем развития тех функций организма, на которые будет в первую очередь направлено воздействие. Это - одна из причин, почему столь необходимы точные, корректные и адекватные средства контроля за динамикой работоспособности. Перспективы их разработки лежат, по всей видимости, в области изучения физиологических механизмов, определяющих емкость энергетических систем - наиболее интегральную, информативную и чувствительную характеристику дееспособности организма. На передний план здесь выступают исследования, направленные на расшифровку физиологических и молекулярных механизмов поддержания гомеостаза при напряженной мышечной работе.

Литература

1. Абросимова Л.И., Карасик В.Е. Определение физической работоспособности подростков // Новые исследования по возрастной физиологии - 1977. -№ 2(9). - С.114-117.

2. Аулик И.В. Определение физической работоспособности в клинике и спорте. - М.: Медицина, 1990. - 192 с.

3. Блинков С.Н., Лёвушкин С.П. Методика реализации индивидуального подхода в физической подготовке школьников-подростков // Физическая культура: воспитание, образование, тренировка. - 2002. - № 2. - С. 8-13.

4. Богатов А.А. Типологические особенности энергетического обеспечения мышц у лыжников-гонщиков // Физиология человека. - 2001. - Т. 27. - № 1. - С. 95-101.

5. Волков Н.И. Биохимические факторы спортивной работоспособности // В кн.: «Биохимия». - М.: Физкультура и спорт, 1986. - С. 320-330.

6. Зациорский В.М., Алешинский С.Ю., Якунин Н.А. Биомеханические основы выносливости. - М.,1982. -207 с.

7. Карпман В.Л., Белоцерковский З.Б., Гудков И.А. Тестирование в спортивной медицине. - М.: Физкультура и спорт, 1988. - 234 с.

8. Корниенко И.А., Маслова Г.М., Сонькин В.Д. Евсеев Л.Г. Возрастные изменения некоторых показателей аэробной производительности у мальчиков 7-16 лет // Физиология человека. - 1978. - Т. 4. - № 1. - С. 61-67.

9. Корниенко И.А., Сонькин В.Д., Воробьев В.Ф. Эргометрическое тестирование работоспособности // Моделирование и комплексное тестирование в оздоровительной физической культуре: сб. науч. трудов // Под ред. В.Д. Сонькина. - М.: ВНИИФК, 1991. - С. 68-86.

10. Корниенко И.А., Сонькин В.Д., Маслова Г.М., Тамбовцева Р.В. Применение эргометрии для оценки возрастных и индивидуально-типологических особенностей энергетики скелетных мышц у мальчиков 7-17 лет // Физическая культура индивида: сб. науч. трудов ВНИИФК / Под ред. В.Д. Сонькина. - М., 1994. -

С. 35-53.

11. Корниенко И.А., Сонькин В.Д., Тамбовцева Р.В. Возрастное развитие энергетики мышечной деятельности: итоги 30-летнего исследования. Сообщение 2. «Зоны мощности» и их возрастные изменения // Физиология человека. - 2006. - Т. 32. - № 3. - С. 135-141.

12. Король В.М., Сонькин В.Д., Ратушная Л.И. Мышечная работоспособность и частота сердечных сокращений у подростков в зависимости от уровня полового созревания // Теория и практика физической культуры. -1985. - № 8. - С. 27.

13. Лазарева Э.А. Эргометрическое тестирование легкоатлетов - спринтеров и стайеров с использованием переменных уравнения Мюллера // Теория и практика физ. культуры. Тренер: Журнал в журнале. - 2004. -№ 10. - С. 36-37.

14. Лёвушкин С.П. Физиологическое обоснование физической подготовки школьников 7-17 лет с разными типами телосложения: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. -М.: ИВФ РАО, 2005. - 48 с.

15. Лукьянченко Н.И. Методика реализации индивидуального подхода в развитии скоростно-силовых качеств юношей 15-17 лет с применением ЭВМ: автореф. дис. ... канд. пед. наук. - М., 1994. - 21 с.

16. Марчик Л.А. Типологические особенности энергетического обеспечения мышечной деятельности мальчиков 7-8 лет: автореф. дис. ... канд. биол. наук. -Ульяновск, 1995. - 21 с.

17. Моссо А. Усталость / Пер. с итал. - Санкт-Петербург, 1893. - 14 с.

18. Пискова Д.М. Индивидуализация физического воспитания юношей 17-18 лет на основе учета структуры моторики: автореф. дис. . канд. пед. наук. -М., 1996. - 24 с.

19. Сонькин В.Д. Энергетическое обеспечение мышечной деятельности школьника: автореф. дис. . д-ра. биол. наук. - М.: НИИФДИП АПН СССР, 1990. - 50 с.

20. Сонькин В.Д., Корниенко И.А., Богатов А.А. Способ эргометрической оценки физической работоспособности и описания индивидуальной структуры энергообеспечения мышечной деятельности: патент РФ на изобретение № 2251967 с приоритетом от 02 июля 2002 г. (заявка № 2002117373, зарегистрировано в Гос. реестре изобретений РФ 20 мая 2005 г.).

21. Сонькин В.Д. Физическая работоспособность и энергообеспечение мышечной функции в постнатальном онтогенезе человека // Физиология человека. - 2007. -Т. 33. - № 3. - С. 81-99.

22. Тамбовцева Р.В. Возрастные и типологические особенности энергетики мышечной деятельности: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. - М., 2002. - 48 с.

23. Уткин В.Л. Энергетическое обеспечение и оптимальные режимы циклической мышечной работы: авто-реф. дис. ... д-ра биол. наук. - М., 1985. - 46 с.

24. Фарфель В.С. Системная физиологическая характеристика циклических физиологических упражнений // Теория и практика физ. культуры. - 1939. - 2. - № 3. - С. 56.

25. Фарфель В.С. Физиологические основы классификации физических упражнений // Руководство по физиологии. Физиология мышечной деятельности, труда и спорта. - Л.: Наука, 1969. - С. 425-439.

26. Astrand P.-O., Rodahl K. Textbook of work physiology. Physiological basis of exercise. - N.Y.: McGraw-Hill, 1977. - 691 p.

27. Aziz A.R., Chia M. The relationship between maximal oxygen uptake and repeated sprint performance indices in field hockey and soccer players // J. Sports Med. Phys. Fitness, 2000, 40 (3), 195-200.

28. Bar-Or O. The Wingate anaerobic test: an update on methodology, reliability and validity // Sports Med., 1987; 4 : 381-394.

29. Goosey-Tolfrey V., Castle P. & Webborn N. Aerobic capacity and peak power output of elite quadriplegic games players // Br. J. Sports Med., 2006, 40, 684-7.

30. Green S., Dawson B. Measurement of anaerobic capacities in humans: definitions, limitations and unsolved problems // Sports Med., 1993; 15 : 312-27.

a

31. Hill A.V. Muscular movement in man. - N.Y.: McGraw Hill Book co., 1927.- 104 p.

32. Hutlzer Y. Physical performance of elite wheelchair basketball players in armcranking ergometry and in selected wheeling tasks. Paraplegia, 1991, 31, 255-61.

33. Jenkins D.G. & Quigley B.M. The y-intercept of the critical power function as a measure of anaerobic work capacity // Ergonomics, 1991, 34 (1),13-22.

34. Keen E.N., Sloan A.W. Observations on the Harvard step test // J. Appl. Physiol. - 1958. - 13. - № 2. -P. 241-243.

35. Mahon A.D., Plank D.M. andHipp MJ. The influence of exercise test protocol on perceived exertion at submaximal exercise intensities in children // Can. J. Appl. Physiol. 2003;

28 (1) : 53-63.

36. Margaria R. Biochemistry of muscular contraction and recovery // J. Sports Med. and Physical Fitness. -1963. - 3. - P. 145.

37. Margaria R. Biomechanics and energetics of muscular exercise. - Oxford: Clarendon Press, 1976. - 146 p.

38. Saltin B. Anaerobic capacity: past, present, and prospective. In: Taylor A.W., Gollnick P.D., Green HJ. et al., editors. Biochemistry of exercise VII. Champaign (IL): Human Kinetics Publishers; 1990 : 387-412.

39. Van Praagh E. Anaerobic fitness tests: what are we measuring? // Med. Sport Sci., 2007, 50, 26-45.

40. Wahlund H. Determination of the physical working capacity // Acta Med. Scand. - 1948. - 132. - Suppl. № 215.

41. Welsman J.R., Armstrong N. Assessing postexercise lactates in children and adolescents. In: Van Praagh E., editor. Pediatric anaerobic performance. Champaign (IL): Human Kinetics; 1998 : 137-53.