способ дозирования мощности физической нагрузки лиц, утративших нижние конечности

Формула изобретения

Способ дозирования мощности физической нагрузки лиц, утративших нижние конечности, включающий выполнение физической работы по перемещению собственного веса тела на определенную высоту и обратно, отличающийся тем, что мощность физической нагрузки рассчитывают по формуле

W=1,3 Mnh(Sin+kCos)/Sin,

где M - вес испытуемого в положении сидя, кг;

h - высота подъема, м;

n - частота восхождений в минуту;

1,3 - коэффициент, учитывающий работу уступающего характера при спуске по наклонной плоскости;

k - коэффициент трения материалов поверхности наклонной плоскости и одежды испытуемого;

- угол, образованный наклонной плоскостью и горизонтальной поверхностью пола,

и дозируют мощность физической нагрузки путем изменения высоты наклонной плоскости и частоты восхождения в единицу времени.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области медицины и физиологии, а именно к способам дозирования физической нагрузки на различных устройствах для определения показателей максимальной аэробной мощности лиц, занимающихся физической культурой и спортом.

Определение максимальной аэробной мощности как главного фактора физической работоспособности вместе с параметрами функционирования сердечно-сосудистой системы, измеряемыми в процессе физической нагрузки, используются при проведении различных функциональных проб и тестов в практике реабилитологии и спортивной медицины.

Наиболее распространенной неинвазивной методикой определения максимальной аэробной мощности как главного фактора физической работоспособности является тест PWC₁₇₀ [1, 2, 3, 4].

Расчет физической работоспособности в тесте PWC₁₇₀ (Physical Working Capacity) производится по формуле Карпмана (1969):



где W₁ и W₂ - мощности 1-й и 2-й применяемых нагрузок (W₁<W), f₂ и f₁ - частота сердечных сокращений в последние 30 секунд каждой из двух нагрузок (f₁<f<170), 170 - частота сердечных сокращений, отражающая зону оптимального функционирования сердечно-сосудистой системы при физической нагрузке.

Очевидно, что ключевым показателем, необходимым для определения максимальной аэробной мощности и физической работоспособности, является дозируемая в процессе тестирования мощность (W) физической нагрузки.

По существу все устройства, применяемые для тестирования физическими нагрузками, предусматривают возможность дозирования мощности этих нагрузок.

В частности традиционно используется формула расчета мощности при выполнении стандартной нагрузки, заключающейся в восхождении с заданной частотой на ступеньку заданной высоты (степ-тест) [1, 2, 3]:

W=1,3Mhn,

где М - вес испытуемого, h - высота ступеньки в метрах, n - число восхождений в минуту, 1,3 - коэффициент, учитывающий работу уступающего характера при спуске со ступеньки.

Теоретическое обоснование этой формулы приведено в Приложении.

Однако особенности состояния опорно-двигательного аппарата (ОДА) лиц, утративших нижние конечности, находящихся как в стадии послеоперационной реабилитации, так и занимающихся адаптивной физкультурой и спортом, делают затруднительным использование обычных тестирующих устройств у данного контингента.

Ранее предложенные способы дозирования физической нагрузки у лиц, утративших нижние конечности, можно условно разделить на три типа.

К первому типу относятся способы дозировки нагрузки на ручном велоэргометре [5]. Недостаток метода заключается в выполнении физической работы мышцами верхних конечностей и плечевого пояса без осуществления костно-суставным аппаратом (скелетом) верхних конечностей опорной функции, характерной для состояния утраты нижних конечностей.

Второй тип дозировки нагрузки заключается в работе на традиционных устройствах дозирования физических нагрузок (ножные велоэргометры, бегущая дорожка-тредбан, ступени) с использованием протезной техники [6]. Этот вариант позволяет оценивать лишь инвалидов-ампутантов и не предусматривает возможность тестирования лиц с повреждениями спинного мозга и последствиями детской церебральной патологии.

К третьему типу, выбранному прототипом, относятся способы дозировки физической нагрузки с моделированием повседневной мышечной деятельности или специфики адаптивной физкультуры и спорта (преодоление дистанций без вспомогательных средств, выполнение различных статических упражнений и т.п.) [5]. Недостатком этих тестов является невозможность точного количественного дозирования предъявляемой нагрузки, а следовательно, определения и оценки физической работоспособности.

Поражения ОДА неизбежно приводят к ограничению функциональных возможностей организма. При этом особое значение приобретает исследование и оценка физической работоспособности в тех видах деятельности, где инвалид сохранил или лишь частично утратил свою функциональную состоятельность. Иными словами, в адаптивной реабилитологии и рекреации наиболее перспективны функциональные пробы со специфическими физическими нагрузками.

Нами впервые предложен способ количественного дозирования мощности предлагаемой нагрузки, которая моделирует выполнение специфичных для большинства адаптивных (инвалидных) видов спорта, а также повседневных мышечных движений у лиц, утративших нижние конечности.

Способ заключается в следующем. Испытуемому с утратой нижних конечностей предлагается совершать последовательные подъемы-спуски заданной частоты (n) и протяженности по наклонной плоскости с определенной высотой подъема (наклона) (h). Серия подъемов-спусков состоит из чередующихся подъемов спиной вперед и спусков вперед лицом, выполняемых при помощи мускульной силы рук, опирающихся о наклонную плоскость по бокам от туловища (чертеж). В процессе тестирования измеряют вес в положении сидя (М). В качестве прибора, задающего частоту подъемов-спусков по наклонной плоскости, используется метроном.

Способ дозирования мощности физической нагрузки осуществляется следующим образом. Испытуемому после взвешивания в положении сидя предлагается совершить серию последовательных спусков и подъемов по наклонной плоскости в соответствии с ритмом, задаваемым метрономом. Контрольным уровнем подъема на поверхности наклонной плоскости является поперечная метка, от которой в направлении, перпендикулярном полу, отмеряется высота подъема (h) (чертеж, б)). Ладони рук испытуемого в процессе выполнения движений опираются на наклонную плоскость по бокам от туловища (для удобства фиксации ладоней возможно использование поручней или других приспособлений). Проекция центра тяжести тела испытуемого на наклонную плоскость при каждом подъеме должна достигать контрольного уровня подъема, помеченного поперечной меткой (чертеж, б)). Достигнув контрольного уровня подъема, испытуемый спускается по наклонной плоскости в исходное положение, после чего начинается новый двигательный цикл.

Расчет мощности выполняемой работы производится по формуле

W=1,3Mnh(Sin+kCos)/Sin,

где М - вес испытуемого в положении сидя, кг; h - высота подъема, м; n - частота восхождений в минуту, 1,3 - коэффициент, учитывающий работу уступающего характера при спуске по наклонной плоскости; (Sin+kCos)/Sin, (где k - коэффициент трения материалов поверхности наклонной плоскости и одежды испытуемого) - выражение тригонометрических функций, позволяющих учесть движение по наклонной плоскости.

Теоретическое обоснование формулы расчета мощности физической нагрузки при тестировании на наклонной плоскости выглядит следующим образом.

Для равномерного перемещения тела по наклонной плоскости приложенная к нему сила F должна уравновешивать действие на это тело всех остальных приложенных к нему сил: силы тяжести G, силы нормальной реакции опоры R_n, силы трения Р (чертеж, 1, б)).

Расположив перемещаемое по наклонной плоскости тело в прямоугольной системе координат, составляем уравнения равновесия сил, приложенных к нему:

Y = R_n-GCos = 0

откуда R_n=GCos

X = F-GSin-P = 0

откуда F=GSin+P.

Так как величина силы трения скольжения Р=fR_n=fGCos, где f - коэффициент трения, величина силы, необходимой для равномерного перемещения тела, описывается следующим выражением: F=G(Sin+fCos).

Из треугольника АВС находим путь S=АВ, проходимый телом при его подъеме на высоту h-ВС:ВС/АВ=h/S, откуда S=h/Sin.

Так как направление силы Р совпадает с направлением перемещения, то проделанная работа А=PS=Gh(Sin+fCos)/Sin.

Выражение мощности проделанной работы с учетом уравнения (3) (Приложение) будет выглядеть как



Зная, что сила тяжести G при равномерном движении соответствует весу тела M и что выполняемая работа состоит из множества подъемов-спусков по наклонной плоскости n, учитывая прошенное при этом расстояние L=nh (Приложение, формулы (4, 5), а также коэффициент 1,3, учитывающий работу уступающего характера при спуске, получаем окончательное ныражение мощности физической нагрузки при тестировании на наклонной плоскости: W= 1,3Mnh(Sin+kCos)/Sin.

Для упрощения расчетов предлагаются значения выражения (Sin+kCos)Sin для основных вариантов высот подъема (наклона) плоскости (таблица Приложения).

Пример 1. Обследован мужчина 36 лет с утратой левой нижней конечности на уровне верхней трети бедра. Вес 74 кг. Протяженность пути по наклонной плоскости 50 см. Высота наклонной плоскости при первой нагрузке h₁=0,1 метра; значение выражения (Sin+kCos)/Sin=2,4695 (таблица в Приложении), частота восхождений n=20 в 1 минуту.

Мощность первой нагрузки

W₁=1,3Mnh1(Sin+kCos)/Sin=1,374200,12,4695=475,1318=475 кГм/мин

ЧСС при первой нагрузке (f₁) - 112 в 1 мин,

При полученных значениях W₁ и f₁, рекомендуемая согласно методике проведения теста PWC₁₇₀ [4] мощность второй нагрузки W₂=1000 кГм/мин.

При высоте наклонной плоскости h₂=0,2 метра по формуле (8) находим частоту восхождений на ступеньку:



ЧСС при второй нагрузке (f₂) - 168 в 1 мин.

Данный способ позволяет дозировать мощность физической нагрузки за счет изменения как высоты наклонной плоскости, так и частоты восхождений в единицу времени, при различных спортивной специализации (развитие качеств быстроты и силы (пауэрлифтинг - адаптивное силовое троеборье) или выносливости (марафон на колясках)) и психоэмоциональном типе личности. Введение в арсенал методов и средств функционального тестирования наклонной плоскости повышает возможности оценки физической подготовленности и тренированности лиц с утратой нижних конечностей, в том числе занимающихся адаптивным спортом [6].

Источники информации

1. Дубровский В.И. Спортивная медицина. - М.: Гуманитарный издательский центр "Владос", 1998, с. 132-133, 122-124, 416-417.

2. Спортивная медицина (Руководство для врачей). Под редакцией А.В. Чоговадзе, Л.А. Бутченко. - М.: Медицина, 1984, с. 128, 136-138.

3. Детская спортивная медицина (Руководство для врачей). Под редакцией С.Б. Тихвинского, С.В. Хрущева. - М.: Медицина, 1991, с. 266-268.

4. Карпман В.Л., Белоцерковский З.Б., Гудков И.А. Тестирование в спортивной медицине. - М.: ФиС, 1988, с. 75-82.

5. Виноградов В.И., Катощук Г.И., Рыльников П.А. Ручная велоэргометрия для больных с культями нижних конечностей. Сборник трудов Протезирование и протезостроение. - М. - 1986, вып. 75, с. 127-132.

6. А. В. Царик. Физическая реабилитация и спорт инвалидов (Учебно-методическое пособие). - М.: Советский спорт, 2000, с. 498-505.

Приложение.

Обоснование формулы расчета мощности физической работы при выполнении последовательных восхождений и спусков по ступени (степ-тест) на заданную высоту с заданной частотой.

Согласно определению классической механики мощностью W называется физическая величина, пропорциональная работе А и обратно пропорциональная тому промежутку времени t, за который эта работа совершена:

W=А/t (1)

Элементарная работа А при равномерном прямолинейном движении описывается следующим уравнением: A=FL, (2)

где F - равнодействующая сил, L - дистанция пути.

Следовательно

W=FL/t (3)

По второму закону Ньютона (произведение массы тела на его ускорение равно действующей силе) F=Ма, где М - масса тела, а - ускорение тела: a=v/t и при условии равномерного движения, когда

v-->0, значение a-->1, тогда

W=ML/t (4)

Таким образом, мощность при равномерном прямолинейном перемещении тела заданной массы и совпадении направления вектора силы с направлением перемещения прямо пропорциональна пройденному пути.

Если пройденная дистанция L состоит из некоторого числа и отрезков длиной h каждый, то формула подсчета мощности приобретает следующие вид:

W=Mhx/t (5)

Выражение x/t=n отражает частоту прохождений расстояния h (в конкретном случае частоту восхождений на ступеньку в единицу времени. Выражение мощности принимает вид

W=Mhn (6)

В расчетах мощности работы при выполнении последовательных движений в виде подъема на ступень и спуска в исходную точку (степ-тест) в (данное уравнение принято вводить коэффициент 1,3 учитывающий работу уступающего характера при спуске со ступеньки [4]:

W=1,3Mhn. (7)н