К вопросу об оптимальной скорости подводного плавания на задержке дыхания

автор: Александр Журавлёв

Из опыта известно, что существует некоторая оптимальная скорость для достижения максимальной дальности ныряния. В настоящей статье предпринята попытка рассмотреть этот вопрос теоретически. В результате рассмотрения сделан вывод, что многие фридайверы смогут улучшить результаты в динамике, если будут использовать подходящий гидрокостюм (в котором не жарко и не холодно) и плавать медленнее.

Наиболее оптимальная скорость, по-видимому, достигается при подходящем гидрокостюме, глубоком расслаблении и интенсивности рабочего метаболизма, равной 1.5-2.0 от величины основного обмена. Для сравнения: примерно такая же интенсивность развивается при очень неспешной ходьбе. При оптимальной интенсивности метаболизма время задержки дыхания в динамике оказывается в 1,5-2,0 раза меньше времени задержки дыхания в статике. Оптимальную интенсивность движений можно охарактеризовать как "выполнение статики в расслабленном движении".

Время T задержки дыхания определяется отношением доступного запаса энергии E0 в организме к скорости ее расхода, которая равна интенсивности метаболизма W. Обозначим через W0 интенсивность метаболизма в покое (когда нет движения). Когда начинается движение, то к интенсивности метаболизма W0 добавляются затраты G на движение. Пловцу приходится преодолевать сопротивление воды. Обычно упрощенно считают, что сопротивление f воды пропорционально квадрату скорости движения v. Совершаемая в единицу времени механическая работа (мощность) равна произведению fv, следовательно мощность пропорциональна кубу скорости. Если предположить, что энергозатраты G пловца пропорциональны развиваемой мощности, то получим, что

G(v) = cv3 (1)

Коэффициент пропорциональности с характеризует эффективность движений пловца (чем больше коэффициент, тем меньше эффективность). Интенсивность W рабочего метаболизма в движении будет таким образом равна

W(v) = W0+G(v) = W0+ cv3 (2)

Дальность заплыва S равна произведению скорости v на время T заплыва. Таким образом,

S = vT = vE0 /W(v) = vE0 /(W0+ cv3) (3)

Вид зависимости S(v) показан на рисунке.

Нас интересует, при какой скорости v дальность заплыва S(v) будет максимальной. Путем нахождения нуля производной функции S(v) получаем, что максимум достигается при

vopt = (W0/2c) 1/3 (4)

Дальность заплыва при оптимальной скорости составит

S = vopt E0 /W(vopt) = voptE0 /1,5W0 = E0 /[1,5 (2c W20) 1/3] (5)

Как и следовало ожидать дальность заплыва уменьшается при увеличении интенсивности W0 обмена в покое и уменьшении эффективности движений пловца.

Эффективность движений пловца зависит от степени его тренированности и сопротивления воды. Соответственно эффективность можно повысить путем улучшения техники плавания и подбора более обтекаемого костюма.

На интенсивность W0 обмена в покое, когда пловец лежит в воде без движений, преимущественно влияют остаточное мышечное напряжение и потери тепла из-за контакта с водой. Соответственно для уменьшения W0 необходимы расслабление и теплый костюм. Отметим, что при снижении W0 оптимальная скорость vopt уменьшается. Т. е. при той же технике плавания, но в более теплом костюме и при более глубоком расслаблении следует плыть медленее. В идеальном случае интенсивность W0 приближается к интенсивности W00 основного обмена (интенсивность обмена при полном физическом и психическом покое). На практике этого нелегко достичь. В условиях соревнований трудно избавиться от психического волнения. Остаточное психологическое напряжение зачастую не осознается спортсменом и проявляется в мышечном тонусе, на который расходуется энергия.[1] Для достижения глубокой релаксации используют различные психофизические приемы. Дополнительным способом расслабления может стать биологическая обратная связь, позволяющая объективировать остаточное напряжение. Хотя использование теплых костюмов является общепризнанным при выполнении статики, в динамике по прежнему многие спортсмены плавают в плавках. Исходя из вышеизложенного это представляется ошибочным, поскольку потери тепла повышают W0 и тем самым снижают дальность. С другой стороны толстый костюм снижает эффективность движений. Костюм должен быть обтекаемым, максимально мягким и скорее упругим, чем вязким. Пока толстых костюмов с подходящими качествами нет и возможно поэтому пловцы пользуются более тонкими или плавают вовсе без костюма. Надо отметить что при слишком толстом костюме тело будет перегреваться и энерготраты W0 будут возрастать. Очевидно существует оптимальная толщина, которую можно найти экспериментально.[2]

Интенсивность рабочего метаболизма при оптимальной скорости (оптимальная интенсивность) равна

Wopt = W(vopt) = W0+ cvopt3 = 1,5W0 (6)

Оптимальная интенсивность оказалась независящей от коэффициента с, а просто пропорциональной интенсивности W0 метаболизма в покое. Хотя, не зная коэффициента с мы не можем сказать какова оптимальная скорость и тем самым ответить на вопрос, вынесенный в название статьи, но можем сказать, что оптимальная интенсивность рабочего метаболизма в полтора раза больше, чем W0. Зная это, пловец может ориентироваться не на скорость, а на ощущение интенсивности совершаемой работы, чтобы она была 1,5W0. Много это или мало? В идеальных условиях, когда W0 приближается к интенсивности основного обмена W00, получим 1,5W00. Это весьма мало. Примерно такая интенсивность развивается, если просто стоять (см. таблицу). Получается, что оптимальную интенсивность движений можно охарактеризовать как "выполнение статики в расслабленном движении".

Энерготраты взрослого человека при различной физической активности по отношению к интенсивности W00 основного обмена

Интересно знать, какая интенсивность метаболизма наблюдается у спортсменов и сравнить ее с 1,5W00. Прямые измерения интенсивности отсутствуют, поэтому попытаемся оценить ее по косвенным данным - времени Td задержки дыхания при нырянии в длину и времени Ts задержки дыхания в статике.

Время задержки равно отношению доступной энергии E к скорости ее расхода W. В динамике

Td = E0/Wd (7)

В статике

Ts = Es /Ws (8)

Отсюда

Wd = (Ts /Td)(E0 /Es)(Ws /W00)W00 (9)

Поскольку запасы энергии в статике и динамике примерно одинаковы, то E0 /Es ~ 1. Интенсивность метаболизма в статике не меньше, чем интенсивность основного обмена, поэтому Ws /W00 ≥ 1. С учетом этого из (9) получаем оценку

Wd ≥ (Ts /Td)W00 (10)

Таким образом, согласно (6) и (10) отношение Ts/Td в идеальных уловиях (когда W0=W00 и скорость равна оптимальной) не должно превосходить 1,5. Ниже приведены графики наблюдаемого отношения Ts/Td для различных спортсменов по результатам соревнований (Египет, Хургада, 2006 г)[3].

У мужчин отношение Ts/Td равно 3.4±0.8, а у женщин 3.1±0.7. Это заметно больше 1.5. Кроме того, мы видим, что у чемпионов отношение Ts/Td приближается к 2, а у занявших последние места оно более 4.

Зависимость дальности заплыва S от отношения Ts/Td очевидно такова, что при приближении Ts/Td к 1 дальность падает до нуля. При увеличении Ts/Td дальность возрастает, достигая максимума при некотором значении. При дальнейшем увеличении Ts/Td дальность заплыва постепенно падает.

На следующих графиках построена регрессионная зависимость между наблюдаемыми дальностью и отношением Ts/Td. Корреляция составляет около -0.5 и достоверно отлична от нуля. Поскольку регрессионная линия наклонена вправо, это означает, что среднее значение Ts/Td среди участников соревнований находится справа от оптимума (если бы среднее было в районе оптимума, регрессионная линия не имела бы наклона или наклон был бы влево).

Это означает, что оптимальной была более низкая интенсивность рабочего метаболизма движения, чем в среднем демонстрировали участники этих соревнований. Графики регрессии позволяют предположить, что при снижении отношения Ts/Td до 1.5 участники соревнований могли бы улучшить свои результаты в среднем на 20-30 м.

Достижимо ли такое улучшение результатов? Оптимальное значение 1.5 для отношения Ts/Td получено из допущения, что зависимость энерготрат G пловца на движение от скорости имеет вид (1). Может это допущение не верно? Что, если энерготраты G пропорциональны не мощности fv, а тяговой силе f? Например, при статическом удержании груза (изометрическая нагрузка) механическая работа равна нулю, поскольку v=0, но затраты энергии все равно имеют место, причем в этом случае они пропорциональны нагрузке. В плавании, по крайней мере часть мышц работает в статическом режиме (например, поддерживающие форму кисти для совершения гребка или положение вытянутых над головой рук). В движущихся мышцах энергия тратится не только на механическую работу, но также и на генерацию силы. Если считать, что в плавании преобладает медленная нагрузка и затраты на генерацию силы превосходят затраты на совершение работы, то затраты окажутся пропорциональными скорее не кубу, а квадрату скорости. В реальности показатель степени, по-видимому, находится между 2 и 3.

Если в формуле (1) взять произвольный показатель степени a вместо 3, то оптимальная скорость окажется равной

vopt = [W0/c(a-1)] 1/a (11)

а оптимальная интенсивность рабочего метаболизма

Wopt = W0+ cvopta = W0 a/(a-1) (12)

При a=2 получим Wopt = 2W0. Таким образом теоретически предсказываемое оптимальное отношение Ts/Td лежит между 1.5 и 2. Это, однако, по прежнему в 1.5-2 раза меньше средних наблюдаемых значений. Лишь при а~1.5 теоретическое значение приблизится к наблюдаемому. Столь низкий показатель степени мог бы быть, если бы сопротивление воды было пропорционально скорости, а не ее квадрату, но это маловероятно.

Очевидно, для определения оптимального отношения Ts/Td необходимы дальнейшие исследования. Во первых, необходимо уточнить показатель степени в формуле (1). Во вторых, выяснить почему наблюдаемое отношение Ts/Td ~ 3, что заметно больше 1.5. Возможные причины: высокий метаболизм покоя, неоптимальная скорость, показатель степени в (1) меньше 2. По предварительным данным более вероятно первое (некоторые участники плавали без костюмов, а вода была всего 16 градусов). Для дальнейшего анализа нужно иметь информацию о толщине используемых гидрокостюмов, массе тела и толщине подкожного жира участников.

Необходимо выяснить, в какой мере достижимы идеальные условия, которые характеризуются тем, что W0=W00 и скорость равна оптимальной. Поскольку подобрать оптимальную скорость можно всегда, вопрос сводится к тому насколько можно минимизировать интенсивность W0 метаболизма в покое. Это в свою очередь сводится к минимизации потери тепла и мышечного напряжения. В принципе, потери тепла несложно свести к минимуму подбором костюма или температуры воды. Наиболее сложным оказывается максимальное снижение мышечного напряжения.

По-видимому, для тренировок будет полезным такое упражнение: плывя под водой постепенно все больше и больше расслабляться, вплоть до полной остановки. Стремится к тому, чтобы к моменту остановки расслабление было полным. Далее, выждав несколько секунд, максимально расслабленно начать движение, постепенно доведя скорость до нормальной (~1 м/c) минимально возможными усилиями. Упражнение нужно делать при нейтральной плавучести (с грузами на шее или на полувыдохе).

В заключение сделаем еще несколько замечаний и предположений.

Как видно из графиков скорость у всех спортсменов была примерно одинакова: у мужчин 1.2±0.2 м/с, у женщин 1.1±0.2 м/с. Чемпионы расходуют меньше энергии при этой скорости, чем начинающие, за счет более эффективной техники плавания. При той же скорости они плывут более расслабленно. Начинающим следовало бы плавать столь же расслабленно, а не с той же скоростью. Женщины в этом отношении оказались мудрее мужчин – как видно из графика начинающие женщины плавают медленнее чемпионок.

Возможно, одна из причин почему участники соревнований слишком быстро плавают, заключается в том, что движение в моноласте со скоростью менее 1 м/с приводит к снижению эффективности плавательных движений из-за несоответствия некоторой оптимальной частоте для развития тяговой силы. Если это так, то применение моноласты[4] большей площади (от 1.1 до 1.5 раз) и менее жесткой должно позволить снизить частоту и скорость и достичь большей дальности при заплывах в теплой воде в сравнении с обычной моноластой. Здесь мы отвлекаемся от того, что в мелком бассейне плавать в такой ласте неудобно, особенно разворачиваться. Нынешний размер моноласт берет свое начало из скоростного подводного плавания. Возможно для фридайвинга площадь ласт должна быть больше, подобно тому как это уже имеет место в случае биласт.

Начинающие ныряльщики редко пользуются уравновешивающими грузами. А без нейтральной плавучести заметная доля усилий тратится на сохранение постоянной глубины. Это проявляется в том, что пловцу приходится занимать наклонное положение (головой вниз), чтобы часть тяговой силы направить на противодействие положительной плавучести грудной клетки.

За рамками статьи остался вопрос о факторах, влияющих на доступный запас энергии E0. Заметим здесь лишь один из факторов: увеличение мышечной массы в сочетании с умением расслабять ее, позволяет совершить больше работы в условиях гипоксии и тем самым увеличить дальность ныряния. Возможно, это основная причина превосходства во фридайвинге мужчин над женщинами.

Основные выводы этой статьи заключаются в том, что для повышения дальности ныряния возможно будет полезно:

• 1) тщательно подбирать толщину гидрокостюма и добиваться нейтральной плавучести с помощью грузов. Оптимальная толщина гидрокостюма для динамики несколько тоньше, чем для статики, но заметно толще, чем обычно используют сейчас для динамики.

• 2) при выполнении п.1 стараться как можно глубже расслабиться и ориентироваться на то, что в идеальных условиях (правильная толщина гидрокостюма, максимальное расслабление, оптимальная скорость) оптимальное отношение времени задержки дыхания в статике к времени задержки в динамике, по-видимому, не превосходит 2.

• [1] Напомним, что потребление энергии мозгом практически не зависит от степени психического волнения [Шмидт Р., Тевс Г. (1996) Физиология человека. Т.3.] и заметно возрастает только в состоянии крайнего возбуждения (например, при эпилиптическом припадке его метаболизм возрастает до полутора раз). В условиях соревнований по фридайвингу волнение не столь велико и потребление мозгом энергии, по-видимому, можно считать постоянным и равным 18% от основного обмена [там же]. Впрочем, с учетом гипоксии этот момент требует уточнения – заранее нельзя исключить возможность даже некоторого уменьшения энергопотребления мозга во время задержки дыхания, хотя это кажется маловероятным.

• [2] Почти идеальным "гидрокостюмом" можно было бы считать подкожный жир. Но у него, пожалуй, все же есть недостаток – его толщина подходит только для одной температуры воды и "снять" его проблематично. Возможно, хорошим вариантом был бы достаточно толстый костюм с тонкими элластичными вставками в тех частях, которые наиболее подвержены растяжению. Грубой заменой может служить толстый жилет (желательно с капюшоном), поверх которого одет тонкий костюм.

• [3] Использованы результаты только тех спортсменов, у которых имеются засчитанные результаты и в динамике и в статике. По отзывам участников вода в бассейне была холоднее обычного - всего 16 градусов. К сожалению, во всех итоговых данных других соревнований время динамики не указано.

• [4] По правилам русского языка правильнее говорить моноласт, но почему-то среди фридайверов устоялось произношение этого слова в женском роде.

Строение и функции уха в контексте фридайвинга

Александр Журавлёв

При нырянии в глубину ухо подвергается воздействию большого давления и для безопасного занятия фридайвингом необходимо иметь представление о строении уха и происходящих в нем процессах.