Вычисляем работоспособность

Работоспособность – это способность человека производить работу. Кажется, все ясно? Однако физиологи, тренеры, спортивные врачи и учителя физкультуры так и не могут прийти к единому мнению, какое из многочисленных определений работоспособности считается правильным

«Зоны мощности»

Человек всегда выполняет не абстрактную, а конкретную работу. Эта работа может быть отнесена к той или иной «зоне мощности». Всего таких зон четыре: «умеренной», «большой», «субмаксимальной» и «максимальной» мощности. Эти зоны различаются по времени, в течение которого человек способен выдерживать заданную нагрузку. Чем больше мощность нагрузки, тем меньше время ее удержания. В «умеренной» зоне нагрузка может выполняться полчаса и больше. А в «максимальной» – всего 20–30 секунд. Причина такого различия в том, что в разных зонах мощности работают различные физиологические механизмы, которые снабжают энергией сокращающиеся мышцы.

Поэтому, если человек выполняет умеренную по мощности нагрузку, мы можем оценить его работо¬способность в зоне умеренной мощности, а если он выполняет максимальную по мощности нагрузку, то и работоспособность можно оценить только в этой зоне. А ведь совсем не обязательно, чтобы тот, у кого наивысшая работоспособность зарегистрирована в зоне умеренной мощности, показал столь же высокий результат в зоне максимальной мощности. Не только не обязательно, но даже маловероятно. Спринтер не сможет тягаться по выносливости со стайером, а уж стайеру далеко до максимальной мощности спринтера!

Как же измерить работоспособность человека?

Способов существует много, причем каждый из них пригоден в одной-двух соседних зонах мощности. Принцип измерения основан всегда на простой физической зависимости: работа есть произведение мощности на время. Достаточно задать один из этих параметров, измерить второй и вычислить третий. В итоге мы получим исчерпывающую характеристику работоспособности в данной зоне мощности.

Положим, мы задаем человеку фиксированную мощность работы (например, скорость бега или частоту вращения педалей велоэргометра) и говорим ему: «Беги (крути) с постоянной скоростью, сколько сможешь». Тогда время, в течение которого человек сможет поддерживать заданный нами режим работы, и будет показателем его работоспособности. Зная это время и зная мощность (скорость), мы легко можем вычислить и общий объем работы (дистанцию). И это также будет показателем его работоспособности. Какой из них лучше? Это зависит от конкретных задач. И, по сути дела, никакой разницы между этими показателями нет: один позволяет вычислить другой и наоборот. Этот способ чаще всего используется в диагностических целях врачами и физиологами.

Возможен и иной способ. Мы задаем человеку уже не мощность, а, напротив, объем работы (дистанцию) и говорим: «Беги (крути) как можно быстрее». Здесь мы опять регистрируем время и на основании этого легко можем рассчитать среднюю мощность (скорость). Этот способ измерения работоспособности наиболее близок к условиям проведения спортивных соревнований: ведь там, как правило, задается дистанция, и нужно преодолеть ее с наивысшей доступной спортсмену скоростью. Такая оценка очень важна, но она, внося элемент соревнования, создает очень сложный эмоциональный фон, иногда сильно искажающий реальную картину. Во всяком случае этот способ измерения работоспособности нельзя использовать часто, особенно в занятиях с детьми, подростками и людьми старше 40 лет: эмоции могут быть опасны.

Третий способ, получивший широкое распространение с легкой руки американского врача Купера, написавшего ряд книг об аэробике, состоит в том, чтобы задавать время, а измерять объем работы (дистанцию). Это тест для оценки качества выносливости, которое как раз и характеризует работоспособность. Здесь уже нет того опасного эмоционального компонента, который присутствует в условиях соревнования, меньшее значение имеет способность нервной системы противостоять утомлению при выполнении длительной монотонной работы, как это бывает в случае тестирования по первому способу, особенно в зоне умеренной мощности. Тесты Купера – 6-минутный или 12-минутный бег – позволяют вполне удовлетворительно характеризовать работоспособность человека, измерять предельные возможности его энергетических систем. Эти тесты недаром получили столь широкое распространение: с их помощью можно объективно контролировать собственное состояние и следить за его сдвигами в зависимости от тренировки, утомления и т.п. Нормативы выполнения 6-минутного теста Купера для детей всех классов общеобразовательной школы разработаны кандидатом педагогических наук Г.П. Богдановым (таблица 1). В таблице приведены дистанции, которые должны пробегать учащиеся соответствующих классов, чтобы получить оценку «5», «4» или «3».

Таблица 1

Оценка выносливости по результатам 6-минутного бега

Иногда возникает необходимость оценить максимальную скорость бега. Это особенно важно при спринтерской тренировке, а также для некоторых игровых видов спорта. Здесь в качестве нормативов рекомендуем воспользоваться данными таблицы 2. Проведение такого тестирования требует специальной подготовки дистанции: должны быть размечены отрезок 20 м (скорость на котором идет в зачет), а также дистанция предварительного разбега. Испытуемый при таком тестировании должен разбежаться заранее и пробежать зачетные 20 м уже с максимальной, практически постоянной скоростью. Для регистрации времени бега в этом случае необходим секундомер, тогда как в двух предыдущих случаях можно воспользоваться часами с секундной стрелкой. Приведенные в таблице 2 результаты – средние для соответствующих половозрастных групп, то есть эквивалентны оценке «4» (хорошо).

Таблица 2

Максимальная скорость бега на отрезке 20 м с хода –
средние значения, соответствующие оценке «хорошо»
для мальчиков и девочек

Однако не всех удовлетворяют эти способы оценки физической работоспособности. Ну действительно: два бегуна пробежали одинаковую дистанцию с одинаковым результатом, но на финише один из них упал – и его уносит с беговой дорожки бригада врачей, а второй – усталый, но еще дееспособный, пожалуй, мог бы пробежать еще два-три круга. Кто из них обладает лучшей работоспособностью? Ясно: второй. То есть дело не только в результате, но еще и в том, какой ценой этот результат достигнут. Современная мировая спортивно-медицинская литература содержит немало сведений о трагических финишах на стадионах всех стран, когда победа, рекордный результат стоили спортсмену здоровья, а иногда и жизни. В обычных условиях человек никогда не дойдет до исчерпания всех своих резервных возможностей. Другое дело – соревнования, здесь бывает всякое. И для спортивных врачей, для тренеров, а тем более для тех, кто занимается физическим воспитанием детей и подростков, далеко не безразлично, какой ценой достигнут тот или иной результат.

Чтобы выяснить, чего организму стоила та или иная нагрузка, нужно охарактеризовать реакцию организма на эту нагрузку. Как это сделать? В физиологии труда и спорта разработано немало тестирующих процедур, позволяющих оценить функциональные возможности физиологических механизмов, в первую очередь обеспечивающих поставку к мышцам необходимой для работы энергии. Эти тесты применяются в практике большого спорта. Для их проведения нужна специальная дорогостоящая аппаратура, которую обслуживают высококлассные специалисты. Понятно, что в массовых масштабах такие тесты применять не получится.

Впрочем, кроме собственно энергетических процессов, большую роль в формировании работоспособности играют физиологические регуляции. Оценить реакцию этих регуляторных процессов можно сравнительно просто – по некоторым внешним признакам утомления, а также по динамике частоты сокращений сердца, которую легко измерить.

Классификация внешних признаков утомления, наиболее удобная при работе с детьми, разработана профессором С.В. Хрущевым (таблица 3). Пользуясь этой классификацией, мы не сможем оценить работоспособность, но по крайней мере будем знать предельные параметры той нагрузки, которая пригодна для данного человека – взрослого или ребенка. Ни в каких случаях не может быть полезной крайняя степень утомления – и, если она однажды была достигнута, нагрузку необходимо снизить как по мощности (интенсивности), так и по объему: перегрузки в тренировках приносят только вред.

Таблица 3

Внешние признаки утомления при тренировочных нагрузках

Ряд физиологических тестов основан на измерении частоты пульса. Научные подходы к использованию частоты пульса для количественной оценки работоспособности были сформулированы более 50 лет назад шведскими исследователями Съёстрандом и Валундом, изучавшими условия труда шахтеров. Еще раньше крупнейший английский физиолог, лауреат Нобелевский премии А.Хилл доказал, что в довольно широком диапазоне нагрузок частота пульса линейно зависит от мощности (интенсивности) работы. Это значит, что увеличение частоты пульса при работе пропорционально увеличению мощности работы. Шведы же выяснили, что чем тренированнее, работоспособнее человек, тем стабильнее у него будет частота пульса при увеличении мощности. За такую стандартную величину было предложено принять 170 уд./мин., потому что при большей частоте пульса линейность его зависимости от мощности нарушается. Позднее российским ученым профессором В.Л. Карпманом и его сотрудниками было показано, что у молодого тренированного человека при пульсе 170 уд./мин. сердце работает с наибольшей отдачей, а при увеличении мощности производительность сердца падает. Поэтому В.Л. Карпман также рекомендовал измерять физическую работоспособность при пульсе 170 уд./мин.

Он же предложил сравнительно простой способ измерения этого показателя, воспользовавшись тем, что зависимость частоты пульса от мощности линейна, а значит, подчиняется простому уравнению вида у = аХ + в. Если измерять частоту пульса при двух последовательных нагрузках, предлагаемых человеку, то несложно дальше рассчитать и ту мощность, при которой пульс достигает 170 уд./мин. Величина этой мощности называется РWС170 – по первым буквам английских слов Physical Working Capacity – физическая работоспособность.

Вскоре этот способ оценки физической работоспособности попробовали применить на детях. Однако выяснилось, что, в отличие от взрослых, у детей зависимость пульса от мощности линейна только в диапазоне от 130 до 170–180 уд./мин., и не так уж просто подобрать две такие нагрузки, которые позволяли бы достаточно точно вычислить РWC170. Если же нагрузки подобраны неаккуратно, то ошибка может быть слишком большой, чуть не в 1,5 раза увеличивая или уменьшая действительную величину мощности, при которой пульс достигает 170 уд./мин. Поэтому было предложено использовать в качестве опорной точки для расчетов РWС170 пульс покоя. Его легко измерить, он довольно постоянен для каждого человека, да и ошибка в его определении не так сильно сказывается на общем результате. Чтобы точнее оценить частоту сердечных сокращений в покое и исключить ее повышение за счет эмоционального компонента, можно в качестве результата использовать среднее по трем измерениям. Такая методика измерения РWС170 у детей и подростков получила в нашей стране очень широкое распространение, ею пользуются практические работники и исследователи, тренеры и врачи.

В таблице 4 приведены основные правила измерения и расчета результатов РWС170 с помощью степ-теста. В качестве тестирующего инструмента можно использовать невысокий табурет, гимнастическую скамейку, стул и т.п., но важно регулировать ее высоту так, чтобы угол между бедром и голенью в момент соприкосновения ноги со ступенькой был близким к прямому – около 90 градусов. Нагрузку можно регулировать частотой подъемов, задавая ее с помощью метронома или равномерного постукивания. Частоту сердечных сокращений необходимо измерять сразу после окончания работы, в первые 10 секунд, а полученный результат умножать на 6, чтобы привести к 1 минуте. Пульс в покое не обязательно регистрировать непосредственно перед началом тестирования. Даже лучше, если это будет величина, измеренная неоднократно в спокойном состоянии. Кстати, сама по себе частота сердечных сокращений в покое является неплохим индикатором общего состояния организма и его потенциальной работоспособности: чем ниже пульс покоя, тем больше диапазон функциональных возможностей человека.

Таблица 4

Схема измерения физической работоспособности (РWС170)
с помощью степ-теста

Согласно современным представлениям смысл теста РWС170 значительно шире, чем просто характеристика аэробных возможностей. Всякое увеличение возможностей энергетических систем организма приводит к увеличению РWС170, к этому же приводит и улучшение регуляции деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем.

Но тест РWС170 имеет и свои недостатки. Главный из них – этот тест не характеризует тот объем работы, который может быть выполнен при определенном напряжении физиологических систем. Большая величина РWС170 еще не означает, что соответствующую мощность нагрузки человек может поддерживать дольше. Кроме того, результаты теста РWС170 характеризуют аэробную, но ничего не говорят о величине анаэробной мощности (скорости), то есть не характеризуют работоспособность в зонах максимальной и субмаксимальной интенсивности. Поэтому у самых сильных людей – штангистов и борцов – величина РWС170 обычно совсем не велика.

Как же оценить функциональные возможности в таких видах упражнений, которые выполняются с субмаксимальной и максимальной интенсивностью? Каждый знает, что после нагрузки частота пульса еще довольно долго остается повышенной. Это необходимо для того, чтобы быстрее вымывать из мышц образовавшуюся во время работы молочную кислоту и лучше снабжать их кислородом, чтобы удалить из организма избыточное образовавшееся при работе тепло. Такая повышенная (по сравнению с покоем) частота сокращений сердца, измеренная за несколько первых минут после окончания работы, называется «пульсовый долг».

О чем говорит величина пульсового долга (ПД)? Если нагрузка была длительной, то эта величина будет больше, а если кратковременной – меньше. Если нагрузка была очень интенсивной, ПД будет больше, если умеренной – меньше. Если физическая подготовленность испытуемого высокая, ПД будет меньше, а если низкая – больше.

Как видим, разобраться в смысле этого показателя не так-то легко. Но подкупает простота его регистрации – ведь измерить частоту пульса в восстановительном периоде после нагрузки может каждый даже сам у себя, без посторонней помощи. Не случайно на этом принципе основано несколько физиологических тестов.

1. Гарвардский степ-тест

Этот тест во время Второй мировой войны разработали специалисты медицинского факультета Гарвардского университета (США) для того, чтобы оценивать состояние здоровья новобранцев, отправлявшихся на фронт. Для выполнения этого теста, как и для теста РWС170, нужна ступенька. Ее высота согласно рекомендациям авторов должна составлять 35 см для детей 8–12 лет, 40–45 см для подростков 12–18 лет, 50,8 см для мужчин и 43 см для женщин. Эти параметры приблизительны, важно сохранять одинаковую высоту ступеньки для данного испытуемого в течение нескольких последовательных измерений, чтобы данные были сопоставимы. Частота подъемов на ступеньку – 30 раз в минуту (под метроном), длительность может изменяться, но не должна быть менее 2 минут для детей и 4–5 минут для взрослых. В восстановительном периоде в положении сидя у испытуемого измеряют частоту пульса 30-секундными отрезками в начале 2-, 3-, 4-й минут после завершения нагрузки. Расчет индекса Гарвардского степ-теста (ИГСТ) производят по формуле:

Чем выше ИГСТ, тем выше оценивается работоспособность человека. В таблице 5 приведены величины ИГСТ в зависимости от суммы пульса после 5-минутного выполнения пробы, по которой легко рассчитать результат ваших измерений без счетной техники. Если ИГСТ оказался ниже 54, то работоспособность оценивается как очень плохая; 55–64 – плохая; 65–79 – средняя; 80–89 – хорошая; 90 и выше – отличная (стандарты для взрослых мужчин). У квалифицированных спортсменов ИГСТ превышает 100. К сожалению, нормативов ИГСТ для детей и подростков в научной литературе практически нет, в то время как величины ИГСТ у них обычно ниже, чем у взрослых. Однако если использовать этот тест для регулярного контроля физической подготовленности, то не обязательно опираться на нормативы, достаточно видеть положительную (повышение тренированности) или отрицательную (детренированность, переутомление) динамику. Следует предупредить, что тестирование – всегда очень трудоемкая процедура – и его нельзя проводить чаще, чем 1 раз в квартал, без особой нужды. В случае крайней необходимости допускается более частое тестирование, но не более 1 теста в неделю (это не относится к тесту РWС170, который можно проводить еженедельно без опасности перегрузки для организма).

Таблица 5

Расчет индекса Гарвардского степ-теста по данным суммы пульса (f1 + f2 + f3) после 5-минутного выполнения пробы

2. Тест Руфье

Простейшее движение, которое может выполнить практически любой человек, и в то же время составляющее достаточно большую физическую нагрузку, – приседания. Это движение довольно трудно дозировать, поскольку работа, выполняемая мышцами, зависит от того, как испытуемый держит спину, насколько глубоко он приседает, отрывает ли во время выполнения движения пятки от пола. С другой стороны, для такого тестирования не нужно никаких приспособлений, его можно провести в любом помещении или на открытом воздухе, а выполняемая нагрузка всегда пропорциональна размерам тела испытуемого, что тоже немаловажно для сопоставления результатов разных людей. Поэтому приседания – часто используемый вид функциональной пробы в работе врачей, тренеров, преподавателей физической культуры. В качестве примера рассмотрим один из таких тестов, предложенных в середине ХХ века французским врачом Руфье.

В положении сидя, в условиях покоя, измеряют частоту пульса за 15 секунд (П1), затем испытуемый выполняет 30 приседаний за 30 секунд (нагрузка субмаксимальной интенсивности). Сразу после окончания упражнения измеряют пульс за 15 секунд (П2), такое же измерение производят через минуту (П3). Индекс Руфье (ИР) вычисляется по формуле:

Если ИР меньше 0, приспособляемость к нагрузке оценивается как отличная, от 0 до 5 – хорошая, от 6 до 10 – посредственная, от 11 до 15 – слабая, свыше 15 – неудовлетворительная.

3. Интенсивность накопления пульсового долга (ИНПД)

Около 20 лет назад отечественными специалистами Института возрастной физиологии Российской академии образования был предложен новый показатель для оценки функциональных возможностей человека, основанный на измерении частоты пульса в восстановительном периоде.

Преимуществом этого показателя является возможность использовать любое упражнение, выполняемое с большой, субмаксимальной или максимальной интенсивностью. Регистрируются: пульс покоя (fо), время выполнения упражнения (t, секунды), частота пульса на 1-, 2-, 3-, 4-й и 5-й минутах восстановительного периода. Расчет происходит по формуле:

Как показали специальные исследования, величина ИНПД очень неплохо характеризует истинную интенсивность энергозатрат при выполнении самых разнообразных упражнений. Очевидно, что показатель ИНПД будет очень маленьким при длительных нагрузках циклического характера, которые соот¬ветствуют умеренной зоне мощности, поэтому нет смысла в этих условиях им пользоваться.

Удобство показателя ИНПД состоит в том, что он выполняет сразу две функции: характеризует нагрузку и оценивает работоспособность. Если у одного и того же человека при разных нагрузках измерить ИНПД, можно получить довольно точное представление о соотношении интенсивностей этих нагрузок. А если у разных людей измерить его при одинаковой мощности и длительности нагрузки, то мы получим индивидуальные характеристики работоспособности. По величине ИНПД можно индивидуализированно отнести то или иное упражнение к определенной зоне мощности. Приведенные на графике точки вовсе не стандартны – это примерные уровни нагрузки в каждом из рассмотренных упражнений для подростков 15–16 лет. Все зависит от интенсивности выполнения упражнения, частоты повторений, других условий. Но во всяком случае если величина ИНПД больше 7,5, то оцененное таким образом упражнение для этого человека соответствует зоне максимальной мощности. У другого человека и ИНПД будет другим, и зона мощности может быть другой.

Используя в качестве теста любую стандартную работу, скажем, 5 подтягиваний на перекладине, или пробегание стандартной дистанции с одинаковой скоростью, или что-то другое (важно лишь, чтобы объем и интенсивность нагрузки были всегда одинаковы), можно следить за своим состоянием, за уровнем тренированности, оценивать мышечную работоспособность. Можно совместить измерение ИНПД с тестированием РWС170 или с проведением одного из тестов Купера.

Такой комплекс будет очень информативен для всесторонней оценки функционального состояния организма. Необходимо только строго соблюдать процедуру измерения. Время работы должно быть измерено в секундах, частота пульса в восстановительном периоде измеряется в первые 10 секунд каждой минуты и умножается на 6 для приведения к минуте.

От того, насколько стандартно вы сумеете организовать сбор этой информации, зависит качество тестирования. Величина ИНПД настолько хорошо отражает напряжение функциональных систем организма при выполнении физических упражнений, что ее можно считать индикатором напряжения – мерилом тех затрат организма, которые обеспечивают согласованность функций, то есть физиологической регуляции. Ясно, что чем меньше напряжение организма, тем больше допустимый объем такой нагрузки.

Возрастные изменения ИНПД изучали у мальчиков школьного возраста при выполнении на велоэргометре нагрузок в зонах большой и субмаксимальной относительной мощности. В этих экспериментах испытуемые всех возрастных групп выполняли одинаковую по мощности нагрузку, каждый раз – до отказа, то есть до предела своих функциональных возможностей.

С возрастом величина ИНПД снижается и при нагрузке большой, и при нагрузке субмаксимальной мощности. При этом различия в ИНПД в зависимости от зоны мощности сохраняются. По имеющимся данным, у девочек величина ИНПД до 12 лет не отличается от таковой у мальчиков, а после 12 лет у девочек остается примерно на одном уровне, тогда как у мальчиков продолжает снижаться. Опираясь на эти данные, вы можете сопоставить полученные величины ИНПД с собственными результатами.