Физиологические основы спринта
Скоростные возможности атлетов в основном зависят от врожденных факторов. Олимпийские чемпионы в спринте характеризуются преобладанием мышечных волокон II типа (или быстрых мышечных волокон), количество которых в мышцах ног у них составляет до 60 %. Быстрые мышечные волокна разделяются на два типа 11а – окислительно – гликолитический и 11б быстро сокращающийся. В каждой мышце находятся как быстрые, так и медленные мышечные волокна. Имеются свидетельства того, что некоторые волокна типа I могут трансформироваться в волокна типа II с помощью тренировок с максимальной скоростью.
Однако наличие большого количества волокон типа II еще не дает гарантий успеха в спринте. Необходима также особая нервная организация, которая в основном является природным задатком. Нервно-мышечная система обеспечивает необходимый уровень координации мышечных структур при движениях с максимальной скоростью, такая координация развивается постоянными тренировочными занятиями.
Представленные данные достаточно определенно свидетельствуют о возможностях раннего определения будущей спортивной специализации человека еще на первых порах занятий спортом.
Одной из наиболее интересных задач, стоящих перед спортивными физиологами, является выявление того, как различные двигательные единицы изменяются с возрастом и под влиянием различных режимов тренировки. Отмечено, что по мере старения человека число быстрых волокон в мышцах уменьшается. У двадцатилетних в среднем оно составляет 60 %, у шестидесятилетних – 45 %. Кроме этого, в процессе развития быстрые волокна также сильно истончаются с возрастом. Если за 40 лет жизни площадь поперечного сечения медленного волокна сокращается на 20 %, то быстрого-на 40 %. Это может быть связано со снижением физической активности пожилых людей и, особенно, с уменьшением нагрузок большой интенсивности, требующих активного участия быстрых двигательных мышечных единиц. В спортивной тренировке при использовании околопредельных и предельных нагрузок улучшается способность нервной системы вовлекать в деятельность все большее количество как быстрых, так и медленных единиц. При тренировке с невысокой интенсивностью в работе принимают участие в основном только медленные двигательные единицы. В таком случае, не упражняя группу быстро сокращающихся единиц, спортсмен существенно понижает свой скоростно-силовой потенциал.
В организме человека заложены определенные способности, как к проявлению выносливости, так и к проявлению быстроты, поэтому важно как можно раньше рассмотреть эти задатки и развить их в соответствии с биологическими закономерностями. Улучшение техники выполнения упражнений, повышение энергетического потенциала, совершенствование психологической подготовки – все это резервы, используя которые можно достичь высокого результата.
Применение различных методов тренировки и контроль за состоянием спортсмена наиболее эффективны, если они основываются на знаниях о реально протекающих в организме человека биологических процессах. Только в этом случае можно составлять оптимальные тренировочные планы и вести рациональную подготовку. Результативность в спринтерском беге зависит от того, насколько мощно спортсмен выполняет свои движения и как долго он может удерживать максимальную скорость в процессе бега по дистанции. Поэтому спортсмены и тренеры должны знать механизмы мышечного энергообеспечения и его энергоемкости.
В начале XX века физиологам стало известно, что основным источником энергии работающих мышц является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), расщепление которой на аденозиндифосфорную кислоту (АДФ) и неорганический фосфат позволяет выделять определенное количество энергии. Поскольку запасы АТФ в мышечных клетках невелики, для продолжения движений необходимо их постоянно восстанавливать. Восстановление АТФ в процессе мышечной деятельности осуществляется тремя путями, различными по скорости, продолжительности энергоотдачи, мощности и емкости.
Основным процессом ресинтеза АТФ является так называемый аэробный механизм, который осуществляется с использованием вдыхаемого кислорода. Движения невысокой интенсивности в спортивных упражнениях, где частота пульса не превышает 140–160 уд/мин, а также в повседневных действиях человека (ходьбе, выполнении несложной работы, напряжением мышц для поддержания позы и т. д.) обеспечиваются кислородом, доставляемым к работающим тканям током крови.
Исследования, проведенные со спортсменами высокой квалификации, показали, что, чем большее количество кислорода доставляется к работающим мышцам, тем выше, как правило, их спортивный результат в соревнованиях на выносливость. Максимальное потребление кислорода (МПК) определяется по количеству потребления О2 во время работы со ступенчато повышающейся нагрузкой и выражается в количестве потребленного кислорода, приведенного к единице массы человека. У сильнейших лыжников и бегунов на длинные дистанции этот показатель достигает 90 мл/кг/мин. Спринтеры обычно характеризуются показателями МПК в пределах 50–60 мл/кг/мин. Может показаться, что для спринтера кислородный механизм энергообеспечения является весьма несущественным. И это действительно так, если рассматривать только соревновательную деятельность бегунов на короткие дистанции. Например, в беге на 100 м спортсмен выполняет 13–19 неглубоких вдохов.
Известно, что при самой интенсивной деятельности кровь в организме человека успевает делать полный кругооборот лишь за 8 секунд. С выстрелом стартера бегуны мгновенно включают в работу значительное число мощных мышечных групп, для функционирования которых необходимо столько кислорода, сколько не может гемоглобин крови доставить в работающие мышцы. Поток крови с требуемым окислителем достигает своей конечной цели лишь через 4–5 секунд с момента старта, спортсмены же к этому времени преодолевают половину дистанции. И все же показатель максимального потребления кислорода является достаточно важным для бегунов на короткие дистанции. Высокое МПК позволяет, прежде всего, переносить большие тренировочные нагрузки, без чего невозможно достижение высокого результата.
Чем выше аэробные возможности спортсменов, тем скорее у них протекают процессы восстановления. Это дает возможность прийти довольно свежим к следующему кругу соревнований или чаще использовать интенсивные тренировочные занятия. По мере увеличения длины спринтерской дистанции повышается значение кислородного механизма энергообеспечения работающих мышц. По сравнению с бегом на 100 м вклад аэробного процесса в беге на 200 м в общих энерготратах возрастает в 2,5 раза, а в беге на 400 м – в 5 раз.
Что же лимитирует наши аэробные возможности? Прежде всего – это размеры сердца. У сильнейших стайеров объем сердца примерно составляет 1100 см3, у спринтеров – 900 см3. Таким образом, при равном числе сердечных сокращений количество крови, отправляемой к работающим мышцам, у бегунов на короткие дистанции значительно меньше. Важными факторами, обеспечивающими механизм кислородного энергообеспечения, также являются мощность сердечной мышцы, скорость кровотока, объем циркулирующей крови, ее способность связывать большее количество кислорода, возможности утилизации кислорода работающими мышцами.
Из практики тренировки известно, что развитие аэробных возможностей наиболее эффективно при равномерной тренировочной нагрузке с интенсивностью, при которой частота пульса находится в пределах 150–165 уд/мин.
Конечный пункт доставки кислорода – мышечное волокно. От сердца обогащенная кровь сначала по аорте (диаметром 4 см), затем по более мелким сосудам доставляется к работающим мышцам, где микрокапилляры (их число составляет до 2000 на 1 мм2 мышечной ткани) осуществляют окисление продукта мышечного метаболизма. При выполнении длительных равномерных тренировочных нагрузок значительно расширяется сеть микро капилляров (общее их количество может возрасти на 100 %), а также повышаются возможности кардио-респираторной системы.
При проведении повторной тренировки, когда пробежки чередуются с паузами отдыха, в основном совершенствуются возможности сердечнососудистой системы (увеличивается мощность сердечного выброса). Как показали исследования, оптимальными в данном случае являются отрезки бега в 200 м со скоростью 90 % от максимальной и паузами отдыха, продолжающимися до тех пор, пока частота пульса не снизится до 120 уд/мин. Таким образом, аэробный механизм энергообеспечения, являясь существенным для спринтера, все же не решает основных задач энергообеспечения при работе с максимальной мощностью.
В беге на короткие дистанции основные энергетические процессы происходят без участия кислорода; их называют анаэробными. Мощность таких процессов по сравнению с аэробными выше в 2–4,5 раза.
При недостатке кислорода ресинтез АТФ из АДФ происходит за счет распада креатин фосфата (КРФ) или ферментативного расщепления глюкозы или гликогена до молочной кислоты. Соответственно эти процессы называются анаэробным алактатным и анаэробным гликоли-тическим.
Наиболее мощным источником энергии в организме является распад креатин фосфата, что позволяет со старта развить самую высокую скорость бега, включаясь одновременно с началом работы и достигая максимальных величин на 2-3-й с работы. Из-за малой емкости этого источника энергии обеспечение энергетической потребности мышц КРФ осуществляется лишь несколько секунд, после чего начинает активно разворачиваться другой анаэробный процесс – гликолитический.
При интенсивной мышечной деятельности процессы энергообеспечения выступают не как последовательно включающиеся механизмы, когда по мере исчерпания одного источника энергии включается другой, а как суммарно функционирующие системы с постоянно меняющимися величинами (Таблица 15).
Таблица 15
Затраты отдельных процессов энергообеспечения на различные спринтерские дистанции (Н.И. Волков)
Из приведенных данных можно сделать вывод, что бег с максимальной скоростью на дистанцию вдвое большую не требует двойного расхода энергии. Энергетическая стоимость 100-метрового бега превышает расходы на 200 м лишь на 40 %. Очевидно, наибольшие энерготраты у спортсмена наблюдаются в стартовом разгоне, который занимает в беге на 100 м треть дистанции, но по энергетике составляет более 50 % всей работы. Таким образом, поддержание высокой скорости бега с энергетических позиций не является достаточно существенной проблемой, потому что для сохранения инерции движения необходимы расходы на преодоление сопротивления воздуха, перемещения тела спортсмена по пологой траектории в каждой фазе полета, а также на внутреннюю работу – разгон и остановку маховой ноги, рук, поддержание оптимальной позы.
Снижение скорости на спринтерских дистанциях объясняется постепенным расходом резервов анаэробного обеспечения и накоплением в организме молочной кислоты (лактата). Значительное повышение концентрации этого продукта энергетического обмена приводит к мобилизации защитных механизмов, деятельность которых проявляется в нарушении координации движений, мышечной слабости и судорогах.
Основной продукт распада гликогена – молочная кислота выводится из работающих мышц в процессе отдыха. Эксперименты показали, что при выполнении длинных пробежек с высокой скоростью в организме спортсмена образуется 70-100 г молочной кислоты. В процессе восстановления наш организм способен выводить примерно 1 г лактата в 1 мин, таким образом, полное восстановление может занимать 1,5 ч. При выполнении физической нагрузки невысокой интенсивности с частотой пульса примерно 100–110 уд/мин в процессе отдыха скорость распада лактата возрастет в 4 и более раз, а полное восстановление наступит через 20–25 мин. Причем некоторые исследования свидетельствуют о том. Что при работе низкой интенсивности (медленный бег) процесс восстановления протекает активнее, нежели неподвижное состояние. Из приведенных результатов физиологических экспериментов очевидно, что каждое тренировочное занятие или соревновательный забег должны обязательно завершаться не менее, чем получасовой заминкой, в которой медленный бег чередуется с упражнениями на гибкость.
Если рассматривать тренировку спринтера с позиций энергетики, то она должна вестись по следующим основным направлениям:
– повышение количества энергетических субстратов в основном алактатно-анаэробного обеспечения мышечной деятельности, что способствует повышению мощности работы на стартовом отрезке и увеличению максимальной дистанционной скорости. Как показали исследования, основным методом увеличения мощности анаэробных энергоресурсов является повторная работа на отрезках в 30–50 м, пробегаемых с максимальной скоростью. При этом длительность интервалов отдыха должна составлять 3–5 мин, а количество повторений не более 5–6 раз;
– увеличение мощности гликолитического механизма энергообеспечения и нарастание емкости так называемых буферных систем, которые нейтрализуют выделяющиеся продукты гликолиза. В крови человека эту функцию выполняют разнообразные гликолизные вещества (гемоглобин, бикарбонаты, фосфаты и др.), число которых регламентирует способность поддерживать высокую дистанционную скорость в конце дистанции. В данном случае тренировка обычно состоит из пробегания отрезков длиной 150 м и более с относительно короткими интервалами отдыха.
Наблюдение за системой тренировки бегунов на короткие дистанции свидетельствует о том, что, как правило, спринтеры показывают на соревнованиях более высокие результаты, чем на тренировочных занятиях. Соревнование – мощный раздражитель, мобилизующий деятельность нервной системы, которая стимулирует выброс в кровь спортсмена специфических гормонов – адреналина и норадреналина. Появление этих гормонов в избыточных количествах ускоряет распад гликогена в мышцах, повышает давление крови и возбудимость нервной системы, улучшает кровоснабжение и координацию движений. Отмечено, что уже за два дня до соревнований происходит активация симпатоадреналовой системы и количество адреналина и норадреналина превышает обычный уровень примерно в 2 раза. Во время соревнований значение этого показателя возрастает в 4–5 раз.
Гормональный статус каждого человека является достаточно консервативным и определяется врожденными признаками. Недостаток, как и избыток, выброса гормонов, не позволяет спортсмену показывать высокие результаты. В первом случае бегун, как правило, незначительно превосходит свои тренировочные результаты, а во втором, вследствие чрезмерного возбуждения, излишне закрепощается и снижает скорость бега.
В практической работе использование данных изменения параметров внутренней среды организма может оказывать очень хорошую помощь в планировании нагрузок и оценке состояния спортсмена. Изменения кислотно-щелочного равновесия (КЩР), например, до и после тренировочной нагрузки позволяют выявить реакцию спринтера на предложенную работу, характеристики его восстановительных процессов, количество повторений, необходимых для достижения наибольших сдвигов. Динамические наблюдения за бегунами на короткие дистанции с использованием данных КЩР помогают тренеру оценивать эффективность предлагаемых тренировочных методов, а также разрабатывать индивидуальные модели тренировочных и предсоревновательных циклов подготовки.