Исследование локомоторно-респираторного сопряжения в физических упражнениях

V.F. Tikhonov, , Ulianov Chuvash State University, Cheboksary, Russia

Введение. Спортивные соревновательные физические упражнения и общеразвивающие упражнения, выполняемые в подготовительной части занятия, повышают функции всех систем организма, в том числе и дыхательной. В свою очередь, система дыхания также воздействует и на систему управления движениями. В связи с этим возникает проблема взаимосвязи дыхания с двигательными действиями с целью повышения эффективности и экономичности физических упражнений [1, 2, 7, 12]. Повышение эффективности двигательных действий спортсмена пытаются достичь различными методами. Предлагаемые методы связаны с применением специальных дыхательных упражнений [3], дыхание гиперкапническими и гипоксическими газовыми смесями [5, 7], дыхание с добавочным сопротивлением [1] и др. Обобщенно эти методы применяются с целью повышения показателей функции внешнего дыхания, повышения работоспособности респираторной мускулатуры, повышения устойчивости организма к гипоксии, оптимизации тканевого дыхания и транспорта газов в организме у спортсмена при мышечной деятельности [1]. Все указанные методы тренировки дыхания не связаны непосредственно с конкретными физическим упражнениями. Физические упражнения здесь служат только для повышения степени активности дыхательной системы в целом.

Однако во многих исследованиях приводятся примеры локомоторно-респираторного сопряжения (влияния ритмики движений на ритмику дыхания) [2, 7, 8, 10, 11]. Это явление имеет несколько названий: «захват», «вовлечение», «взаимосвязь», «сопряжение», «entrain-ment», «locomotor–respiratory coupling (LRC)» и др. Но, несмотря на убедительные доказательства его существования, механизмы, лежащие в основе и последствия локомоторнореспираторного сопряжения (или не сопряжения) (ЛРС), все еще недостаточно изучены [6, 9]. В одном из наиболее полных обзоров данной проблемы отмечается, что «с биомеханической точки зрения для объяснения LRC были выдвинуты три возможные гипотезы: (1) движение внутренних органов с локомоцией физически влияет на движение диафрагмы (то есть теория «висцерального поршня»), (2) давление и / или изменения объема в грудной полости в результате сотрясения, связанного с контактом с землей, и (3) изменения давления и / или объема в грудной полости в результате пояснично-крестцового сгибания и разгибания» [9, с. 109]. В нашем исследовании будет сделана попытки принять или опровергнуть гипотезу (2). В ряде источников [4, 6] приводятся данные, подтверждающие предположение, что двигательная система реагирует и избирает ту частоту движений, которая совпадает с резонансной частотой отдельных кинематических звеньев. «Теоретически колебания при резонансе мышечно-сухожильной структуры дают максимальную амплитуду движения при наименьших усилиях и энергетических затратах» [4]. Таким образом, для повышения эффективности и экономичности в физических упражнениях нужно спортсмену обрести ту двигательную систему, при которой дыхательные движения придут в состояние, близкому к резонансному с результирующей волной усилий, проходящей по кинематическим звеньям двигательного аппарата.

Материалы и методы. В исследовании принимали участие 12 студентов в возрасте 19–20 лет. Испытуемые выполняли два упражнения: «приседание» (не более 15–20 повторений) и «прыжки на месте» (не более 30 секунд). Для исключения влияния фактора утомления испытуемые выполняли упражнения в предпочтительном для себя темпе. Упражнения выполнялись на стационарной тензоплатформе. В качестве интегрального показателя усилий испытуемых было принято значение вертикальной составляющей опоры (Fверт(t), N). В физиологии общий объем воздуха, вдыхаемого в легкие и выдыхаемого из легких за 1 минуту, называется минутной вентиляцией (МОД, VE, л/мин) и представляет собой произведение среднего объема каждого вдоха (дыхательный объем ДО, VT, л) и часто- ты дыхания (ЧД, fb, 1/мин). В отечественных и зарубежных исследованиях эти показатели принимаются за основу при определении ЛРС. Однако, на наш взгляд, наиболее информативным показателем является скорость потока дыхательного воздуха (77(t), л/с), так как он более чувствителен к динамическому характеру двигательных действий. 77(t) у испытуемых измерялась с помощью установленного на шлеме датчика спирометра. Датчик подключался к универсальному устройству сбора данных, который помещался на спине испытуемого. Сигналы передавались на компьютер через Bluetooth. Для сбора и анализа данных использовалось программное обеспечение Logger Pro® 3. С помощью этой программы методом аппроксимации по общему уравнению: A·sin (Bx + C) + D сравнивались круговые частоты (В) колебаний 77(t) и Fверт(t). На рис. 1 и 2 графики 77(t) имеют название «Поток», а Fверт(t) - «Усилие». Значения 77(t) на выдохе идут вверх, а на вдохе – вниз.

Результаты. Необходимо отметить, что у 4 испытуемых связь колебаний 77(t) и Fверт(t) обнаружить не удалось. Применение метода аппроксимации было корректным у 8 испытуемых. Анализ графиков в упражнении «присе- дание» (см. рис. 1) и в упражнении «прыжки на месте» (см. рис. 2) показал, что у этих испытуемых круговые частоты колебаний 77(t) и Fверт(t) совпадали и были примерно равны во время выполнения упражнений. На рис. 1 и 2 в прямоугольных полях на графиках помещены названия графиков, общая формула аппроксимации графиков A·sin (Bx + C) + D, значения вычисленных коэффициентов A, B, C и D, Correlation – степень корреляции синусоиды с реальным графиком и RMSE – среднеквадратичное отклонение.

Коэффициенты в общей формуле означают аппроксимированные (приближенные) значения показателей 77 ( t ) и F _верт( t ): А - амплитуда колебания значений (л/с или N); В – круговая частота; С – начальная фаза колебаний; D – положение («высота») графика относительно оси абсцисс (л/с или N). Следует отметить, что коэффициент А для скорости потока дыхательного воздуха и вертикальной составляющей реакции опоры нельзя сравнивать, так как они означают разные физические величины. Поэтому здесь сравниваются только коэффициенты В, имеющие общую частотную размерность – радиан в секунду (рад/с). На рис. 1 коэффициенты В в графиках «Поток»

a)

b)

c)

Auto Fit for Run 1 | Усилие, Force Force • A*sin(Bx»C)»D

D 771.07»/-3.96

Correlation 0 70

RMSE 129.41 N

Рис. 1. Графики вертикальной составляющей реакции опоры «Усилие» и скорости потока дыхательного воздуха «Поток» в упражнении «приседание»: а – общий вид «сырых» графиков; b – график «Поток» и результаты аппроксимации; с – график «Усилие» и результаты аппроксимации

Fig. 1. Ground reaction forces in the vertical direction with respect to efforts and airflow rate during the squat exercise: a – raw data; b – airflow rate measurements and their approximation; c – effort measurements and their approximation

Auto r it tor Run 11 поток. FtowRate FR = A4in(Bx»C)»D

В 6.11 ♦/-0.01

a)

b)

c)

Рис. 2. Графики вертикальной составляющей реакции опоры «Усилие» и скорости потока дыхательного воздуха «Поток» в упражнении «прыжки на месте»: а – общий вид «сырых» графиков; b – график «Поток» и результаты аппроксимации; с – график «Усилие» и результаты аппроксимации

Fig. 2. Ground reaction forces in the vertical direction with respect to efforts and airflow rate during the jumping on the spot exercise: a – raw data; b – airflow rate measurements and their approximation; c – effort measurements and their approximation

и «Усилие» равны (6,11 рад/с). Это означает, что частота усилий в упражнении совпадает с частотой движения потока дыхательного воздуха.

Чтобы перевести значения коэффициента В из рад/с в частоту движения в минуту, необходимо произвести простое арифметическое вычисление: (В /2π) · 60. Таким образом, в упражнении «приседание» совершается примерно (6,11 / 6,28) · 60 ≈ 53 усилий в минуту и столько же циклов вдоха-выдоха (рис. 1в, с). Но на рис. 1а видно, что испытуемый за 10 секунд (с 6-й до 16-й секунды) выполнил 5 приседаний (5 высоких пика), т. е. темпом 30 приседаний в минуту. Здесь необходимо отметить, что на один цикл приседания у испытуемого приходится два усилия (рис. 1с). Первое усилие происходит при амортизации при приседании (высокий пик) и второе усилие – при выпрямлении ног (невысокий пик). Поэтому циклов У(t) в два раза больше, чем циклов приседания. На рис. 2 коэффициенты В показателей также примерно равны (12,27 и 12,19 рад/с). Испытуемый выполнял прыжки в темпе примерно (12,19 / 6,28) · 60 ≈ 115 прыжков в минуту, а дыхательных циклов (12,27 / 6,28) · 60 ≈ ≈ 117 в минуту. Это также означает, что часто- та усилий в упражнении «прыжки на месте» близки к частоте движения потока дыхательного воздуха.

Начальная фаза колебаний коэффициента С зависит от того, с какого положения начинается аппроксимация – от фазы дыхания (вдох или выдох) и от фазы упражнения (начало, середина или завершение движения). Коэффициент С не влияет на степень локомоторнореспираторного сопряжения, но указывает на то, что сигналы У ( t ) и F _верт( t ) могут иметь небольшой сдвиг по оси абсцисс относительно друг друга. Разница в показателях начальной фазы может зависеть от уровня двигательного опыта, однако этот факт требует дальнейших исследований.

Коэффициент D на графиках «Поток» (0,00 л/с, рис. 1b, рис. 2b) показывает, что вдох и выдох производится от нулевого уровня оси ординат. Коэффициент D на графиках «Усилие» (771,07 N, рис. 1b; 778,11 N, рис. 2b) показывает, что масса испытуемого равнялась примерно 77 кг.

Заключение. Объяснение локомоторнореспираторного сопряжения, с точки зрения авторов выше указанной гипотезы «давления и / или изменения объема в грудной полости в результате сотрясения, связанного с контактом с землей», подтверждается в упражнении «прыжки на месте» и не подтверждается в упражнении «приседание». Однако анализ графиков методом аппроксимации в том и другом упражнении показывает тесную связь частот 7(t) и Fверт(t), а следовательно, сопряженность этих показателей. Таким образом, в упражнениях «приседание» и «прыжки на месте» циклические усилия оказывают возмущающее воздействие на функцию внешнего дыхания. Вследствие такого воздействия дыхательные движения в физических упражнениях проявляются у человека как вынужденные колебания потока дыхательного воздуха. Поэтому следует выдвинуть гипотезу о том, что именно результирующая волна усилия, которая проходит через кинематические звенья, является фактором локомоторно-респираторного сопряжения. Результаты исследования свидетельствуют о том, что дыхательные и локомоторные ритмы связаны, однако закономерности и последствия локомоторнореспираторного сопряжения (ЛРС, LRC) требуют дальнейшего и более углубленного изучения.

В тренировочной практике степень совпадения круговой частоты потока дыхательного воздуха и круговой частоты усилий спортсмена можно применять в качестве одного из критериев эффективности техники выполнения циклических физических упражнений.