Энергозатраты при физических нагрузках разной интенсивности. Законы организации Рыба ищет, где глубже…

Энергозатраты и, следовательно, потребность в энергии у здорового человека при нормальной физической нагрузке складываются из четырех главных параметров. Прежде всего - это основной обмен. Он характеризуется потребностью в энергии человека, находящегося в покое, до приема пищи, при нормальной температуре тела и температуре окружающей среды 20 °С. Основной обмен служит для поддержания важных функций систем жизнеобеспечения организма: 60% энергии расходуется на производство тепла, остальное - на работу сердца и кровеносной системы, дыхание, работу почек и мозга. Основной обмен подвержен лишь незначительным колебаниям. Регуляция основного обмена осуществляется с помощью гормонов и через вегетативную нервную систему. Его величину определяют путем измерения количества выделяемого тепла (прямая калориметрия) или путем регистрации потребления кислорода и выделения углекислого газа (непрямая калориметрия).

Второй после основного обмена составляющей энерготрат организма являются так называемые регулируемые затраты энергии. Они соответствуют потребности энергии, используемой на работу сверх основного обмена. Любой вид мышечной деятельности, даже изменение положения тела (из положения лежа в положение сидя), увеличивает энергозатраты организма. Изменение величины потребления энергии определяется продолжительностью, интенсивностью и характером мышечной работы. Поскольку физическая нагрузка может иметь различный характер, энерготраты подвержены значительным колебаниям.

Энергозатраты у спортсмена определяются еще большим числом составляющих:

Климато-географические условия тренировки;

Объем тренировки;

Интенсивность тренировки;

Вид спорта;

Частота тренировок;

Состояние при тренировке;

Специфическое динамическое действие пищи;

Температура тела спортсмена;

Профессиональная деятельность;

Повышенный основной обмен;

Потери на пищеварение.

Чем больше мышечная работа, тем сильнее возрастает расход энергии.

В опытах с работой на велоэргометре, при точно определенной величине мышечной работы и точно измеренном сопротивлении вращению педалей была установлена прямая (линейная) зависимость расхода энергии от мощности работы, регистрируемой в килограммометрах или ваттах. Вместе с тем было выявлено, что не вся энергия, расходуемая человеком при совершении механической работы, используется непосредственно на эту работу, ибо большая часть энергии теряется в виде тепла. Известно, что отношение энергии, полезно затраченной на работу, ко всей израсходованной энергии называется коэффициентом полезного действия (КПД). Считается, что наибольший КПД человека при привычной для него работе не превышает 0,30-0,35. Следовательно, при самом экономном расходе энергии в процессе работы общие энергетические затраты организма минимум в 3 раза превышают затраты на совершение работы. Чаще же КПД равен 0,20-0,25, так как нетренированный человек тратит на одну и ту же работу больше энергии, чем тренированный.

С ориентацией на мощность и расход энергии были установлены зоны относительной мощности в циклических видах спорта (табл. 5).

Эти четыре зоны относительной мощности предполагают деление множества, различных дистанций на четыре группы: короткие, средние, длинные и сверхдлинные.

В чем же суть разделения физических упражнений по зонам относительной мощности и как это группирование дистанций связано с энергозатратами при физических нагрузках разной интенсивности?

Во-первых, мощность работы прямо зависит от ее интенсивности. Во-вторых, высвобождение и расход энергии преодоления дистанций, входящих в различные зоны мощности, имеют существенно отличающиеся физиологические характеристики.

Таблица 5

Зоны относительной мощности в спортивных упражнениях (по B.C. Фарфелю, Б.С. Гиппенрейтеру)

Зона максимальной мощности. В ее пределах может выполняться работа, требующая предельно быстрых движений. Продолжительность этой работы обычно не превышает 20 сек. При такой максимальной работе явления утомления наступают уже через 10-15 сек., что проявляется в некотором снижении интенсивности. Ни при какой другой работе не освобождается столько энергии, сколько при работе с максимальной мощностью. Кислородный запрос в единицу времени самый большой, потребление организмом кислорода незначительно. Работа мышц совершается почти полностью за счет бескислородного (анаэробного) распада веществ. Практически весь кислородный запрос организма удовлетворяется уже после работы, т.е. запрос во время работы почти равен кислородному долгу. Из-за кратковременности работы кровообращение не успевает усилиться, частота же сердечных сокращений значительно возрастает к концу работы. Однако минутный объем крови увеличивается ненамного, потому что не успевает вырасти систолический объем сердца.

Зона субмаксимальной мощности. Предельная ее продолжительность не менее 20-30 сек., но не более 3-5 мин. При такой работе образуется значительное количество молочной кислоты, которая растворяется в крови. Помимо анаэробных процессов, интенсивно развертывающихся при этой работе, включаются также и аэробные процессы. Резко усиливаются дыхание и кровообращение. Это обеспечивает увеличение количества кислорода, притекающего с кровью к мышцам. Потребление кислорода непрерывно возрастает, но максимальных величин оно достигает почти в конце работы. Образующийся кислородный долг очень велик - он значительно больше, чем после работы максимальной мощности, что объясняется продолжительностью работы.

Зона большой мощности. Она характеризуется длительностью не менее 3-5 мин. и не более 20-30 мин. Здесь уже вполне достаточно времени для того, чтобы дыхание и кровообращение могли усилиться в полной мере. Поэтому работа, выполняемая через несколько минут после старта, происходит при потреблении кислорода, близком к максимально возможному. Вместе с тем кислородный запрос при такой работе больше, чем возможное потребление кислорода. Интенсивность анаэробных процессов превышает интенсивность аэробных реакций. В связи с этим в мышцах накапливаются продукты анаэробного распада, и происходит образование кислородного долга.

Во время работы большой интенсивности заметную роль играют выделительные процессы. Потоотделение, усиливающееся в первые минуты работы, полностью включается в терморегуляторную функцию, предохраняя организм от перегревания. Помимо этого, с потом удаляется часть молочной кислоты и других продуктов обмена, поступивших из мышц в кровь.

Зона умеренной мощности. Она может продолжаться от 20-30 мин. до нескольких часов. Особенностью, отличающей зону умеренной интенсивности от всех трех вышеперечисленных зон, является наличие устойчивого состояния (равенство величин кислородного запроса и потребления кислорода). Лишь в начале работы кислородный запрос превышает потребление кислорода. Однако уже через несколько минут потребление кислорода достигает уровня кислородного запроса. Накопление молочной кислоты при устойчивом состоянии отсутствует или же невелико. Функции дыхания и кровообращения увеличены сильно, однако не максимально.

Длительная работа умеренной интенсивности, сопровождающаяся сильным потоотделением, вызывает большие потери воды из организма, и потерю веса (до 0,8-1 кг в 1 час).

Итак, в результате повторных нагрузок определенной мощности на тренировочных занятиях организм адаптируется к соответствующей работе благодаря совершенствованию физиологических и биохимических процессов, особенностей функционирования систем организма. Повышается КПД при выполнении работы определенной мощности, повышается тренированность, растут спортивные результаты.

Сравнение увеличения затрат энергии с увеличением тяжести работы показывает, что величина затрачиваемой энергии за вычетом основного обмена всегда больше совершаемой человеком «полезной» механической работы. Причина такого несоответствия заключается прежде всего в том, что при превращении химической энергии питательных веществ в работу значительная часть энергии теряется в виде тепла, не переходя в механическую энергию. Некоторая часть энергии расходуется на поддержание статических напряжений, которые только частично учитываются при подсчете совершенной человеком механической работы. Каждое движение человека требует и статических и динамических напряжений, причем соотношение тех и других при различных работах различно. Так, поднятие груза с высоты 1 м на высоту 1,5 м при выпрямленном туловище требует меньшей затраты энергии, чем поднятие такого же груза с высоты 0,5 м на высоту 1 м при наклонном положении туловища, так как удержание последнего в наклонном состоянии требует более значительного статического напряжения мышц спины.

Определенная часть энергии, образовавшейся при химических реакциях, расходуется на преодоление сопротивлений движению со стороны растягиваемых во время движения мышц-антагонистов и эластичных тканей в суставах, на преодоление вязкого сопротивления деформации мышц и на преодоление инерции движущихся звеньев тела при изменениях направления движения. Отношение количества выполненной человеком механической работы, выраженное в калориях, к величине затрат энергии, также в калориях, называется энергетическим коэффициентом полезного действия.

Величина коэффициента полезного действия зависит от способа работы, ее темпа и состояния тренированности и утомления человека. Иногда величину коэффициента полезного действия используют для оценки качества рабочих приемов. Так, при изучении движений опиловки металла было установлено, что на каждый килограмм-сила-метр работы затрачивается 0,023 ккал, что соответствует коэффициенту полезного действия 1/ = 10,2
Этот сравнительно невысокий коэффициент полезного действия объясняется значительной статической работой при опиловке, требующей напряжения мышц туловища и ног для сохранения рабочей позы. При других видах работы коэффициент полезного действия может быть больше или меньше величины, найденной для опиловки металла. Ниже приведены величины коэффициента полезного действия для некоторых работ:
Подъем тяжестей........................8,4
Работа напильником......................10,2
Работа вертикальным рычагом (толкание) 14,0
Вращение рукоятки.................20,0
Езда на велосипеде.....................30,0
Наибольшее значение, которого может достичь коэффициент полезного действия человеческого организма,- 30%. Эта величина достигается при выполнении хорошо освоенной, привычной работы с участием мускулатуры ног и туловища.

Величина коэффициента полезного действия работы в отдельных случаях позволяет установить более рациональные условия выполнения физической работы, в частности определить оптимальную скорость (темп), нагрузку, производительность работы. Большей частью величина энергетических трат на единицу продукции бывает наименьшей, а обратная ей величина коэффициента полезного действия - наибольшей при средних степенях скорости и нагрузки в середине периода работы, если она продолжается до утомления.

Изменение коэффициента полезного действия в отдельных случаях, в частности, когда сравниваются однородные работы, различающиеся лишь способом выполнения, может служить одним из критериев для оценки рациональности некоторых конкретных сторон труда. Однако этот критерий для работающего человека ни в какой мере не имеет того определяющего и универсального значения, которым он обладает в оценке работы машины. В то время как в паровой машине только внешняя механическая работа является основным полезным эффектом превращений энергии, а остальная извлеченная из топлива энергия справедливо считается бесполезно потерянной, для организма человека полезна и та часть потребляемой энергии, которая идет не на внешнюю механическую работу, а на повышение жизнедеятельности клеток во время работы и на восстановление временно уменьшающейся работоспособности.

Более точным и универсальным критерием физиологической оценки рациональности конкретных рабочих приемов и отдельных движений является длительность поддержания высокого уровня работоспособности, что проявляется в увеличении производительности труда и в таком приспособлении физиологических функций, которое ведет к дальнейшему развитию физических и духовных способностей человека.

Коэффициент полезного действия (КПД) трудового потенциала работника не может быть равным 100%. Более того, КПД зависит от ряда внешних и внутренних факторов.

Исследования эффективности деятельности человека в трудовом процессе показали, что КПД имеет сложную динамику. Например, известно, что в течение рабочего дня работоспособность имеет следующие фазы:

врабатывание или нарастающая работоспособность, которая может длиться от нескольких минут до 1,5 часа в зависимости от специфики труда, его организации, индивидуальных особенностей человека;
фаза высокой устойчивой работоспособности, которая может удерживаться в течение 2 - 2,5 и более часов в зависимости от сложности и степени тяжести труда;
фаза падения работоспособности, обусловленная развитием утомления.

Соотношение названных фаз во времени определяет КПД работника.

КПД определяют возраст, стаж работы по специальности, профессионализм и т.п. Критериями КПД являются также производственные и психологические показатели, удовлетворенность трудом. Труд тем более производителен, чем с меньшими затратами он выполнен: меньше отходов в брак, меньше утомляемость, меньшие нервно-психические затраты для достижения цели, менее эмоциональная реакция на поведение клиентов и т.п.

Следовательно, важнейшим критерием оптимальности трудового потенциала работника являются показатели, связанные с его успешностью и КПД. Чем выше КПД, тем ближе работник к цели.

Процесс реализации цели, как правило, включает следующие основные этапы:

1. Проектирование предметного содержания и форм трудового и внетрудового поведения, которые, по мнению работника, могут привести к решению поставленной задачи.
2. Реализация цели во взаимодействии с предметом труда.
3. Оценка результатов в соответствии с личными групповыми критериями.

Каждый из названных этапов включает в себя аналитические и конструктивные процессы.

Проектирование деятельности работника предполагает, с одной стороны, анализ готовности к выполнению работы (своеобразную самодиагностику), а с другой - конструктивную разработку способов выполнения работы.

Выполнение намеченной работы требует как конструктивного взаимодействия с коллегами, так и постоянного самоанализа и самоконтроля. Оценка достигнутого есть не только анализ результатов, но и конструктивная основа для определения направлений дальнейшей работы. Этот процесс можно представить схематически (табл. 12). КПД работника во многом зависит также от следующих факторов:

соответствия целей организации и того, как их понимает работник, взаимопонимания между работником и организацией;
наличия субцелей, обогащающих содержание основной цели и создающих дополнительные точки соприкосновения между участниками производства, а также между организацией и людьми;
реализации цели (вне зависимости от ее конкретного воплощения) с наименьшими затратами.

Процесс выполнения работы

Таблица 12.

Приведенная информация позволяет сделать следующий вывод: человек, который субъективно оценивает свою работу как труд «с полной отдачей сил», не может быть оценен как полностью успешный. Работа «на пределе» истощает личность, ее трудовой потенциал. В исследовании, проведенном на одном из акционированных (ранее государственном) предприятий, выявлены оценки личной работы респондентов (табл. 13).

Таблица 13

Оценки личной работы респондентов (в % к числу опрошенных)

Результаты исследования вызывают серьезную тревогу за состояние трудового потенциала персонала предприятия и успешность его работы. Люди работают с неэкономной тратой сил. Наиболее интенсивно работают женщины и люди старших возрастов. Специалисты считают, что из-за стола нужно вставать с легким чувством голода. То же самое можно сказать и о работе: заканчивать ее нужно с осознанием, что еще есть силы. Здесь сохраняет свою ценность девиз Аристотеля: оптимум - это не максимум.

Для человека характерно стремление к тому, чтобы дело в наибольшей мере делалось «само по себе». Вероятно, это - основа технического прогресса. Создаются инструменты, которые производят все необходимые операции, машины, автоматы и роботы. Одной из важнейших субцелей оптимального труда является организация работы так, чтобы свести к минимуму затрату сил на ее выполнение и иметь резервы на будущее. Именно это характеризует активную позицию по отношению к труду. Для этого создается новая техника, осуществляется тренаж и вырабатывается автоматизация действий, которые направлены на то, чтобы интенсивные действия человека заменить механическими действиями.

Известно, что чем больше мышечная работа, тем сильнее возрастает расход энергии. В лабораторных условиях в опытах с работой на велоэргометре при точно определенной величине мышечной работы и точно измеренном сопротивлении вращению педалей была установлена прямая (линейная) зависимость расхода энергии от мощности работы, регистрируемой в килограммометрах или ваттах. Вместе с тем было выявлено, что не вся энергия, расходуемая человеком при совершении механической работы, используется непосредственно на эту работу, ибо большая часть энергии теряется в виде тепла. Известно, что отношение энергии, полезно затраченной на работу, ко всей израсходованной энергии называется коэффициентом полезного действия (КПД).

Считается, что наибольший КПД человека при привычной для него работе не превышает 0,30–0,35. Следовательно, при самом экономном расходе энергии в процессе работы общие энергетические затраты организма минимум в три раза превышают затраты на совершение работы. Чаще же КПД равен 0,20–0,25, так как нетренированный человек тратит на ту же работу больше энергии, чем тренированный. Так, экспериментально установлено, что при одной и той же скорости передвижения разница в расходе энергии между тренированным спортсменом и новичком может достигать 25–30%.

С ориентацией на мощность и расход энергии установлены четыре зоны относительной мощности в циклических видах спорта. Это зоны максимальной, субмаксимальной, большой и умеренной мощности. Эти зоны предполагают деление множества различных дистанций на четыре группы: короткие, средние, длинные и сверхдлинные.

Во-первых, мощность работы прямо зависит от ее интенсивности. Во‑вторых, высвобождение и расход энергии преодоления дистанций, входящих в различные зоны мощности, имеют существенно различающиеся физиологические характеристики.

Зона максимальной мощности . В ее пределах может выполняться работа, требующая предельно быстрых движений. Ни при какой другой работе не высвобождается столько энергии. Кислородный запрос в единицу времени самый большой, потребление организмом кислорода незначительно. Работа мышц совершается почти полностью за счет бескислородного (анаэробного) распада веществ. Практически весь кислородный запрос организма удовлетворяется уже после работы, т. е. запрос во время работы почти равен кислородному долгу. Дыхание незначительно: на протяжении тех 10–20 с, в течение которых совершается работа, спортсмен либо не дышит, либо делает несколько коротких вдохов. Зато после финиша дыхание его еще долго усилено: в это время погашается кислородный долг. Из-за кратковременности работы кровообращение не успевает усилиться, частота же сердечных сокращений значительно возрастает к концу работы. Однако минутный объем крови увеличивается ненамного, потому что не успевает вырасти систолический объем сердца.

Зона субмаксимальной мощности . В мышцах протекают не только анаэробные процессы, но и процессы аэробного окисления, доля которого увеличивается к концу работы из-за постепенного усиления кровообращения. Интенсивность дыхания также все время возрастает до самого конца работы. Процессы аэробного окисления хотя и возрастают на протяжении работы, все же отстают от процессов бескислородного распада. Все время прогрессирует кислородная задолженность. Кислородный долг к концу работы больше, чем при максимальной мощности. В крови происходят большие химические сдвиги.

К концу работы в зоне субмаксимальной мощности резко усиливаются дыхание и кровообращение, возникают большой кислородный долг и выраженные сдвиги в кислотно-щелочном и водно-солевом равновесии крови. Возможно повышение температуры крови на 1–2 градуса, что может влиять на состояние нервных центров.

Зона большой мощности . Интенсивность дыхания и кровообращения успевает уже в первые минуты работы возрасти до очень больших величин, которые сохраняются до конца работы. Возможности аэробного окисления более высоки, однако они все же отстают от анаэробных процессов. Сравнительно большой уровень потребления кислорода несколько отстает от кислородного запроса организма, поэтому накопление кислородного долга все же происходит. К концу работы он бывает значителен. Значительны и сдвиги в химизме крови и мочи.

Зона умеренной мощности . Это уже сверхдлинные дистанции. Работа умеренной мощности характеризуется устойчивым состоянием, с чем связано усиление дыхания и кровообращения пропорционально интенсивности работы и отсутствие накопления продуктов анаэробного распада. При многочасовой работе наблюдается значительный общий расход энергии, что уменьшает углеводные ресурсы организма.