Jens Bangsbo Træningsfysiologi FRYDENLUND
Træningsfysiologi Forfatteren og Frydenlund, 2008 1. udgave, 2. oplag, 2011 ISBN 978-87-7118-198-2 Grafisk tilrettelæggelse: Lotte Bruun Rasmussen og Jan Birkefeldt Grafiske illustrationer: Claus Nielsen Grafisk produktion: Balto, Litauen Dele af bogen er udarbejdet i samarbejde med Lars Michalsik Kopiering fra denne bog eller dele deraf er kun tilladt i overensstemmelse med overenskomst mellem Undervisningsministeriet og Copy-Dan. Enhver anden form for kopiering er uden forlagets skriftlige samtykke forbudt ifølge gældende dansk lov om ophavsret. Undtaget herfra er korte uddrag i anmeldelser. Frydenlund Alhambravej 6 DK-1826 Frederiksberg C tlf. 3393 2212 post@frydenlund.dk www.frydenlund.dk
Indhold Forord 7 Indledning 9 Respiration 10 Ventilation 11 Kredsløb 14 Kredsløbets opbygning 15 Kredsløbet under arbejde 16 Blodtryk 21 Blod 25 Iltoptagelse 28 Maksimal aerob effekt konditionstal 30 Energiomsætning 34 Anaerob energiomsætning 34 Aerob energiomsætning 37 Muskelenzymer 37 Kroppens substrater 39 Bestemmelse af substratforbrug under arbejde 44 Energiomsætning og substratudnyttelse under og efter arbejde 46 Kontinuerligt submaksimalt arbejde 46 Kontinuerligt supramaksimalt arbejde 55 Intervalarbejde 59 Energiproduktion i idræt 62 Temperaturregulering 62 Temperaturregulering under arbejde 64 Væskeindtagelse 67 5
Motorisk kontrol og muskelstyrke 68 Nervesystemets opbygning 68 Motoriske nervebaner 69 Sensoriske nervebaner 70 Udførelse af bevægelser 71 Feed-back 72 Reflekser 73 Myotatiske refleks 73 Antimyotatiske refleks 74 Tilbagetrækningsrefleksen 75 Spring, kast og spark 76 Motorisk indlæring 77 Stadier af motorisk indlæring 79 Effekt af træning på musklens kraftudvikling 80 Muskulære forandringer med styrketræning 82 Præstationsevne under arbejde 84 Præstation ved kortvarigt arbejde 85 Præstation ved langvarigt arbejde 90 Opsummering 97 Stikordsregister 98 6
Forord Idræt er et vigtigt fag i gymnasiet. Med udgangspunkt i kropslige ak - tiviteter skal eleverne have det sjovt, opbygge andre typer af sociale relationer og samtidigt bevæge sig. Denne bog skal danne basis for at eleverne også opnår indsigt i, hvad det er, der sker i kroppen under arbejde, og hvilken effekt regelmæssig fysisk aktivitet har. En bevidst - gørelse om, hvordan forskellige former for fysisk aktivitet påvirker kroppens tilpasning, vil gøre dem kvalificerede til at forstå og vejlede andre i, hvordan man bør træne for at opnå en ønsket effekt. I en tid hvor man ved, at fysisk aktivitet er af stor betydning for sundheden, og at graden af fysisk aktivitet er utilstrækkelig for store befolkningsgrupper, er det specielt vigtigt. Det anbefales i så høj grad som muligt at bringe teorien ud i praksis. Det kan eksempelvis være målinger af pulsfrekvens i forbindelse med den almene idrætsundervisning. Med simple øvelser i bogen er det på supplerende vis forsøgt at integrere praktik og teori. Med bifag i matematik på universitetet og med erfaringen fra at have undervist i en periode i matematik i gymnasiet, har jeg set mulighederne for at integrere de naturvidenskabelige fag. Bogen lægger så - ledes op til et samarbejde mellem idrætslæreren og lærere inden for fysik, matematik og biologi. I opgaverne skal eksempelvis anvendes matematiske formler og fysiske principper, samt beregnes og afbildes. Det er således mit håb, at bogen kan skabe et tættere samarbejde mellem de forskellige lærergrupper. God fornøjelse! Jens Bangsbo 7
Træningsfysiologi O2 CO2 Muskelfiber Fedt Mælkesyre Sukker O2 + CO2 Sukker Mælkesyre + Fosfater K+ Na + Na+ + Figur 1 Central aktivering af en muskel under bevægelse efterfulgt af iontransport, energifrigørelse og transport af ilt (O 2 ) fra atmosfæreluften og ud til cellerne. Når muskel - fiberen aktiveres sker der ionforskydninger over muskel - fibrenes overflade, hvilket leder til frigørelse af calcium ioner (Ca 2+ )) og efterfølgende kontraktion. ATP anvendes og skal gendannes, hvilket sker ved anaerobe processer med nedbrydning af kreatinfostat og glykogen til mælkesyre. Herudover produceres også energi aerob under nedbrydning af kulhydrater og fedt. Gennem munden og luftrøret transporteres ilt (O 2 ) ned i lungerne og videre via blodet ud til musklerne. Her forbruges ilten, og kul - dioxid (CO 2 ) dannes. Kuldioxiden føres derefter med blodet til lungerne, hvor den udåndes. K + Ca 2+ 8
Indledning Al bevægelse begynder med en nervøs aktivering af de involverede muskler. Fra hjernen sendes elektriske impulser via nervebaner til musklerne. Nervecellerne i musklerne frigør et transmitterstof (acetyl - cholin), hvilket leder til ionændringer over muskelcelleoverfladen, som dernæst forårsager frigørelse af calcium-ioner i muskelcellerne og efter følgende kontraktion. Under denne proces anvendes energi i form af nedbrydning af ATP (adenosin-tri-fosfat). ATP en skal gendannes, hvilket sker ved forbrug af energirige fosfater (kreatinfosfat) og ved nedbrydning af et sukkerstof, glykogen, til mælkesyre i musklerne. Dele af mælkesyren frigøres til blodet. Det er også muligt at skaffe ener gi ved forbrænding af kulhydrater og fedt i processer, der kræver ilt. Ilten skal transporteres fra luften til cellerne. Det er en transport - kæde, hvor mange led indgår. Når man ved indånding har trukket den iltrige luft ned i lungerne, transporteres ilten til de små blodklar (kapillærer) i lungerne. I blodet binder ilten sig til proteinmolekylet hæmoglobin. Derefter pumpes blodet af hjertet rundt i kroppen og kommer via blodårerne ud til alle kroppens væv. I musklerne bliver ilten fra blodet optaget i de enkelte muskelfibre, som forbruger ilten. Ved denne forbrænding dannes kuldioxid (en luftart), som transporteres til blodet. Herfra transporteres kuldioxiden via kredsløbet til lungerne, hvor den fjernes ved udånding. Dele af den varme, der produceres ved arbejdet, føres ligeledes med blodet bort fra musklerne og rundt i hele kroppen. I bogen vil de fysiologiske forandringer fra hvile til arbejde blive beskrevet mere indgående med fokus på, hvilken virkning forskellige typer af træning har på de enkelte faktorer, samt hvorfor præ sta tions - evnen forbedres ved træning. Der beskrives tre hoved træ nings om - råder, nemlig aerob træning, anaerob træning og styrke træ ning, som alle vil blive behandlet indgående senere. Her skal de en kelte begreber kort berøres, idet de vil blive anvendt i starten af bogen. Aerob og an - aerob træning er baseret på den energifrigørelse, som dominerer i de respektive arbejdsperioder i træningen. Aerob og anaerob træning repræsenterer således hovedsageligt arbejdsintensiteter henholdsvis under og over den højeste iltoptagelse, man kan opnå kaldet maksimal iltoptagelse, hvilket svarer til 10-40% af en persons maksimale intensitet. Begge træningsområder kan opdeles i en række delområder (se figur 2), som er relateret til forskellige arbejdsintensiteter og varighed af træning. Ved styrke træning arbejder man primært med de an - aerobe energisystemer, og denne træning kunne retmæssigt betegnes som anaerob træning. 9
Træningsfysiologi Figur 2 Primære træningsområder inden for aerob-, anaerob- og styrketræning ud - trykt i relation til maksimal arbejdsintensitet (100%). De enkelte områder overlapper hinanden, idet der er et vist variationsområde inden for hver kategori. Arbejds - intensiteten sva - rende til den maksimale iltoptagelse og den maksimale arbejdsintensitet er angivet ved henholdsvis den nederste- og øverste stip - lede linie. Der er store individuelle forskelle på, hvor meget intensiteten svarende til den maksimale iltoptagelse udgør i forhold til den maksimale intensitet. Her er den sat til 25%, men for nogle udgør den kun 10% og for andre op til 60% af den maksimale intensitet. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Intensitet % af maksimal intensitet: Arbejdsmængde pr. tid Respiration Maksimal intensitet Hurtighedstræning (100%) Produktionstræning / styrketræning (60-100%) Tolerancetræning (30-100%) Maksimal iltoptagelse Aerob høj-intensitetstræning (15-40%) Aerob moderat-intensitetstræning (5-20%) Aerob lav-intensitetstræning (0-10%) Træningsområder Der findes to former for respiration (se figur 3). Ved den indre respiration forstås forbrænding af næringsstoffer i cellerne under forbrug af ilt (O 2 ) og dannelse af kuldioxid (CO 2 ). Ilten føres til cellerne med blodbanen, som også transporterer kuldioxiden bort. Ved den ydre respiration tilføres O 2 fra atmosfæren og CO 2 fjernes fra blodet svarende til den indre respiration. Herved bevares det indre miljø i kroppen konstant med hensyn til koncentrationerne af O 2 og CO 2. Indånding foregår først og fremmest ved at mellemgulvsmusklen (diaghragma), og muskler mellem ribbenene trækker sig sammen. Herved opstår der et undertryk i lungerne, og luft optages i næsen og munden, hvorefter den presses ned i luftrøret. Luften fordeler sig til bronkierne, som forgrener sig i bronkioler og til sidst i alveoler (se figur 4). Omkring alveolerne er et netværk af små blodkar, de såkaldte lungekapillærer. Det er mellem alveolerne og lungekapillærerne, at udskiftningen af ilt og kludioxid foregår ved en proces, der betegnes diffusion. Diffusion forløber af sig selv uden energiforbrug. For at en diffusion kan foregå, kræves der en forskel i koncentration af et gennemtrængeligt stof på hver side af en tynd hinde (membran). I lungerne er mængden af ilt større end i blodet, hvorved ilten transporteres til blodet, mens det omvendte er tilfældet med kuldioxid, som produceres i kroppen. I hvile forekommer udåndingen ved, at respirationsmusklerne afslappes, hvorved brystkassen falder tilbage til sin hvileposition, og luften presses ud. Under arbejde aktiveres bugmusklerne og andre respi- 10
Respiration Ydre respiration CO2 O2 O2 CO2 CO2 O2 O2 Sukker Indre respiration Figur 3 Transport af ilt (O 2 ) fra atmosfæreluften og ud til cellerne. Gennem O2 munden og luftrøret Fedt transporteres ilten ned i lungerne og videre via Kapillær blodet ud til musklerne. Her forbruges ilten, og kuldioxid (CO CO2 2 ) dannes. Kuldioxiden føres der - efter med blodet til lungerne, hvor den ud - åndes. CO2 Muskel Varme Muskelfiber rationsmuskler, hvilket leder til en kraftigere udånding. Ventilation Luften udskiftes i lungerne ved hjælp af vejrtrækningen (ventilationen) således, at CO 2 fjernes fra kroppen og O 2 tilføres. Ventilationen defineres som mængden af udåndet luft pr. minut. Den kan øges ved dybere eller hurtigere vejrtrækning, idet ventilationen er produktet af respirationsdybde og respirationsfrekvens (se skema 1). Figur 4 Forstørrelse af alveolesække. 11
Træningsfysiologi Ventilation: udåndet luftmængde pr. minut (l/min) Ventilation (l/min) = respirationsdybde (l) x respirationsfrekvens (antal/min) Skema 1. Bestemmelse af ventilation I hvile er ventilationen ca. 6 liter luft pr. minut (l/min) med en respirationsdybde på ca. 0,5 liter luft og en respirationsfrekvens på ca. 12 pr. minut. Under arbejde forøges ventilationen på grund af musklernes øgede behov for ilt, hvilket skyldes en øgning af både respirationsdybden og -frekvensen (se figur 5). Ved moderat arbejde er ventilation pr. liter ilt optaget ca. 25 l/min, mens den ved hårdt arbejde stiger til 30-35 l/min pr. liter ilt optaget. Efter aerob træning vil ventilationen under arbejde ved lave belastninger være uforandret, mens den ved høje intensiteter vil være lavere (se figur 5c). Den maksimale luftmængde, der kan udåndes efter en maksimal ind ånding, kaldes vitalkapaciteten, og for raske personer er den mellem 3 og 7 liter. Selv ved hårdt arbejde øges respirationsdybden ikke til mere end ca. 50% af en persons vitalkapacitet. Under et sådant arbejde er typiske værdier for respirationsdybde 3 liter luft og en respirationsfrekvens på ca. 35 pr. minut, hvilket giver en ventilation på 105 l/min. Lungernes størrelse og vitalkapaciteten er genetisk bestemt og synes i hvert tilfælde ikke hos voksne personer påvirkelig af træning. Til gengæld kan respirationsmusklerne (primært mellemgulvsmusklen og mellemribbensmusklerne) både blive stærkere og mere udholdende som følge af aerob træning. Den maksimale ventilation kan øges ved træning, hvilket primært skyldes en forøget frekvens (se figur 5b). Hos meget trænede kan man se en ventilation på 200 l/min med en respirationsdybde på ca. 3,5 liter luft og en respirationsfrekvens på ca. 60 pr. minut. Hverken respirationsdybden eller -frekvensen udnyttes fuldt ud under hårdt arbejde, og derfor kan lungeventilationen øges under maksimalt arbejde. Lungerne spiller derfor almindeligvis ikke nogen rolle som begrænsning for, hvor meget ilt der maksimalt kan optages pr. minut i kroppen. Kun hos ekstremt veltrænede idrætsudøvere kan det have en betydning. Den maksimale ventilation er afhængig af personens størrelse, idet større lungerumfang medfører en større respirationsdybde. På grund af et mindre lungerumfang har kvinder ofte en mindre respirationsdybde og dermed en mindre maksimal ventilation. I ca. 30-års-alderen falder den maksimale ventilation i takt med stigende alder, idet lungevævet mister elasticitet og derfor ikke er så eftergiveligt. Samtidig falder respirationsmusklernes styrke. 12
Respiration a b 4 3 2 1 0 50 40 30 20 10 Respirationsdybde L luft/ånding 0 0 Hvile Lav Moderat Høj Respirationsfrekvens antal/min Før 85 155 220 250 Hvile Lav Moderat Høj Max før Før Max før 85 155 220 250 Efter Max efter 300 Effekt, W Efter Max efter 300 Effekt, W Figur 5 Repirations dybde (øverste), respirationsfrekvens (midterste) og ventilation (nederste) i hvile, under submaksimalt og»maksimalt«(svarende til den maksimale iltoptagelse) cykel - arbejde før (gule cirkler) og efter (røde cirkler) en aerob træningsperiode. Bemærk at respirationsdybden er højere og respirationsfrekvensen er lavere efter træning under submaksimalt arbejde med lav intensitet, mens ventilationen er den samme. Ved høje submaksimale belastninger bliver ventilationen kraftig forhøjet, som følge af både en stigning af respirationsdybde og -frekvens. Ved»maksimalt«arbejde er ventilation betydelig højere efter træning. c 150 Ventilation L luft/min Før Efter 120 90 60 30 0 Hvile Lav Moderat Høj Max før 0 85 155 220 250 Max efter 300 Effekt, W 13
Træningsfysiologi Særlige ydre omstændigheder kan påvirke ventilationen. Er indholdet af ilt i luften eksempelvis reduceret, forsøger kroppen at kompensere for dette ved at øge ventilationen. Det kan bl.a. forekomme ved ophold i store højder, hvor luften er iltfattig (indeholder færre iltmolekyler pr. liter luft). OPGAVE En kvinde er blevet testet på et løbebånd. Hun løb på to submaksimale hastigheder og på en hastighed svarende til den maksimale iltoptagelse. Der blev fundet følgende værdier Løbehastighed (km/t) 9 12 14 (»maksimal«) Respirationsfrekvens 20 35 Respirationsdybde 1,6 2,2 Ventilation 66,0 88,2 Angiv enheder på de enkelte variable. Udfyld skemaet og afbild respirationsfrekvens, respirationsdybde og ventilation som funktion af løbehastighed. Hun gennemfører en aerob træningsperiode på tre måneder. Efter perioden udfører hun igen testen. Beskriv hvilke forandringer, du vil forvente at finde ved at udfylde en ny tabel. Kredsløb Kredsløbet består af hjertet, blodkarrene og blodet. Kredsløbets hovedopgave er transport af stoffer til og fra kroppens forskellige organer og væv. Det drejer sig især om transport af: O 2 og CO 2 mellem lungerne og cellerne. Næringsstoffer, salte og vitaminer fra tarmsystemet til cellerne. Stoffer eksempelvis mælkesyre og urinstof fra væv, hvor de produceres til andre væv og organer, bl.a. lever og nyrer. Hormoner (kemiske budbringere) fra de organer, hvor de produceres eksempelvis insulin fra bugspytkirtlen til cellerne, hvor de skal virke. Varme rundt i kroppen og fra vævene til huden, hvor varmen afgives. 14