Теоретическое исследование эффективности средств и методов физической культуры наиболее строго можно выполнить с применением математического моделирования основных систем и функций организма человека.

В Проблемной НИЛ была разработана компьютерная математическая модель имитирующая долговременные адаптационные процессы [1]. Она представляет собой систему из девяти обычных дифференциальных уравнений первого порядка, которые описывают основные параметры и закономерности функционирования мышц, эндокринной и иммунной систем. На вход компьютерной программы можно подавать интенсивность и продолжительность выполнения физического упражнения, а на выходе можно наблюдать изменения массы митохондрий и миофибрилл, в тренируемых мышцах, массу желез эндокринной системы, концентрацию антигенов в крови.

Цель этой статьи систематически изучить влияние различных сочетаний интенсивности и объема (продолжительности) выполняемых физических упражнений на состояние основных систем организма человека и показать практическую ценность компьютерного моделирования тренерской работы .

Методика и организация исследования. Исследование выполнялось с помощью математической модели имитирующей долговременные адаптационные процессы в организме человека (МИДА). Расчеты выполнялись на ЭВМ IBM (286 и 386 модели). На вход модели подавались значения величин интенсивности и продолжительности тренировки, а также длительность интервала отдыха (микроцикл длительностью 1,2,3,4 и более суток) и количество выполненных микроциклов. Результат тренировки оценивался за год тренировочного процесса.

Напомним, что за интенсивность 100% принималась максимальная алактатная мощность, максимальное потребление кислорода соответствует мощности 40%, мощность анаэробного порога 30%, аэробного по-

рога 20%. Наиболее адекватным средством для имитации является велосипедная езда, бег на лыжах, гребля и другие циклические упражнения кроме бега (при выполнении больших объемов бега основным лимитирующим звеном становится опорно-двигательный аппарат - связки и сухожилия). Варианты изученных случаев представлены в таблице 1. Из таблицы видно, что всего надо было рассчитать 10х9х7=630 вариантов, каждый длительностью 360 дней. Нетрудно догадаться, что такое количество вариантов в практическом эксперименте не может выполнить ни один из испытуемых и ни один из экспериментаторов за всю свою жизнь. Применение компьютерной техники позволило решить эту задачу за 1000-1500 мин (12-18 часов работы на компьютере).

Таблица 1.

Схема выбора вариантов сочетания интенсивности и объема выполняемого упражнения и интервала отдыха.

Результаты . Для оценки эффективности сочетания определенных объемов и интенсивностей были вычислены изменения масс миофибрилл, митохондрий в мышцах и эндокринных желез за один год тренировки при заданном микроцикле.

На рис.1 представлены графики изменения масс миофибрилл (МФ), митохондрий(МХ) и эндокринной железы - адаптационный резерв (АР) организма. Данные на этих графиках представляют результат вычисления годичной тренировки. Причем этот результат был выбран из множества других вычислений при заданной интенсивности и разной продолжительности, а именно, от 2 до 240 минут. На рис.1 наносились значения, соответствующие наивысшему эффекту по сохранению или увеличению адаптационного резерва организма.

После нанесения на рис.1 результатов всех расчетов можно выбрать зону наиболее рациональных, с точки зрения сохранения физических возможностей человека, сочетаний объема и интенсивности оздоровительных физических упражнений. Исследования кривой изменения адаптационного резерва показывает, что устойчивая гипертрофия наблюдается при всех вариантах интенсивности упражнения, но с учетом продолжительности (объема), представленного кривой (t-И).

Прирост или сохранение мышечной массы (МФ) наблюдается только при интенсивности более 70%. Масса митохондрий несколько снижена, по отношению к исходному уровню, однако удерживается на уровне 90% в диапазоне интенсивности 70 - 90 %. Заметим, что необходимо соблюдать оптимальную продолжительность выполнения упражнений. Она в данном случае составила 3 - 2 мин. Эти 3 - 2 минуты выражают суммарный итог той части отдельных упражнений, которые вызвали существенный стресс и выход большого количества гормонов в кровь.

На рис.2 представлены данные аналогичных расчетов, но при двух днях отдыха после тренировки, т.е. микроцикл состоял из 3 дней. В этом случае наиболее рациональная зона сочетания объема и интенсивности оздоровительных физических упражнений, где адаптационный резерв организма достигает максимума ( 108 - 111%), находится в пределах интенсивности физической нагрузки от 60 до 90 %. Оптимальная продолжительность упражнения составляла 8 - 2 минуты. В этом же диапазоне интенсивности физической нагрузки наблюдается снижение мышечной массы до 88% - 91%. Особенно негативно сказывается на величине мышечной массы (МФ) выполнение упражнений с интенсивностью 30-50% и продолжительностью более 30-10 мин соответственно. Масса митохондрий резко снижается в диапазоне интенсивности от 62% до 100%.

На рис.3. представлены данные расчетов для микроцикла из одного дня тренировки и трех дней отдыха. В этом случае рост адаптационных возможностей организма, выше исходного уровня наблюдается после достижения интенсивности более 45% . Наивысшие показатели адаптационных возможностей можно наблюдать при выполнении физических упражнений с интенсивностью от 80 до 100% и продолжительностью от 4 до 2 минут.

В этом промежутке интенсивности упражнений (80 - 100%) наблюдается величина мышечной массы: 87 - 88%.

Масса митохондрий оказывается сниженной при любых вариантах нагрузок. Максимальный показатель сохранения массы митохондрий (67%) достигается при интенсивности 20% и продолжительностью выполнения физических упражнений 90 минут. На графике видна тенденция к снижению массы митохондрий как при меньшей интенсивности выполнения упражнений 20% , так и при большей интенсивности.

В зоне высоких показателей адаптационных возможностей организма (105 - 106% интенсивности) масса митохондрий стабилизируется на уровне 53 - 51%, миофибрилл 88%..

Исходный уровень адаптационных возможностей организма (100%) достигается при выполнении физической нагрузки интенсивностью 90 - 100%. Продолжительность таких упражнений составляет 2 минуты.

Масса миофибрилл на всем промежутке зон интенсивностей выполнения упражнений (от 10 до 100%) ниже исходного уровня и в зоне 90 - 100% достигает свой максимум - 84 -85%.

На рис.4. представлены расчеты для микроцикла из 6 дней ( 1 день тренировки, 5 дней отдыха). Видно, что исходный уровень адаптационных возможностей организма (100%) может поддерживаться только при выполнении физической нагрузки интенсивностью 90 - 100%, продолжительностью около 2 минут.

Масса миофибрилл и митохондрий на всем промежутке зон интенсивностей выполнения упражнений (от 10 до 100%) ниже исходного уровня.

Обсуждение. Анализ полученных результатов вычислений позволяет дать теоретическую интерпретацию основным эмпирическим принципам физической подготовки.

Принцип непрерывности. Увеличение продолжительности интервала отдыха или снижение количества тренировочных занятий в единицу времени приводит к снижению эффективности тренировочного процесса. Это относится ко всем физиологическим системам.

Масса эндокринных желез увеличивается в нашем случае только в случае применения упражнений с высокой интенсивностью 70-100% при оптимальной продолжительности его выполнения. Увеличение длительности интервала отдыха снижает степень эффективности тренировочного процесса от 27% при ежедневной тренировке, до 0% при интервале отдыха более 6 дней. Логика работы математической модели известна, поэтому полученный результат имеет однозначную интерпретацию. Упражнение с высокой интенсивностью и оптимальной продолжительностью стимулирует выход из эндокринных желез имеющийся запас гормонов. Они стимулируют синтез всех структур в клетках различных тканей, в том числе и желез эндокринной системы. Гормоны остаются в тканях значительное время 1-3 суток, но концентрация их постепенно снижается - идет метаболизм гормонов. Поэтому при интервале отдыха 1-2 суток концентрация гормонов в крови и тканях нарастает и стабилизируется на повышенном уровне, что приводит к преобладанию процессов синтеза в клетках. Увеличение продолжительности отдыха приводит к постепенному снижению концентрации ниже необходимого уровня даже для поддержанию уже достигнутых изменений на клеточном уровне, поэтому уровень адаптационных перестроек в тканях снижается. Следовательно, принцип непрерывности, в случае спортивной тренировки, означает наращивание адаптационных перестроек в клетках с целью достижение все более высоких спортивных достижений. В оздоровительной физической культуре принцип непрерывности связан с необходимостью гипертрофии желез эндокринной и иммунной систем, для повышения адаптационного резерва, с целью минимизации риска заболевания , а в случае заболевания скорейшего выздоровления без существенных осложнений.

Принцип специфичности и гетерохронности адаптационных процессов. В математической модели одновременно идут изменения в мышце, эндокринных железах и костном мозге (основном органе иммунной системы). Причем для гиперплазии миофибрилл требуется рекрутирование мышечных волокон, анаэробный гликолиз и повышенная концентрация анаболических гормонов, а для гиперплазии митохондрий требуется аэробный гликолиз, поэтому тренировочный процесс должен существенно различаться. В нашем случае максимум прироста массы миофибрилл наблюдался при ежедневной тренировке с интенсивностью 80-100% и суммарной продолжительностью силовых упражнений 8-2 мин. Максимум прироста митохондрий был также при ежедневной тренировке, но с интенсивностью 10-20%. Можно также отметить, что удержать заданный уровень гиперплазии миофибрилл можно даже с интервалом отдыха в 6 дней, тогда как для поддержания заданной гиперплазии митохондрий требуется ежедневная тренировка, а для гиперплазии клеток желез эндокринной системы 4-- 5 дней.

Принцип цикличности. Тренировочный процесс должен строиться с учетом одновременного развития всех основных систем организма, при некотором преобладании в развитии какой-либо избранной системы, необходимой для данного вида спорта. Например, для скоростно-силовых видов спорта следует стремится к опережающему развитию миофибрилл в мышцах, а для выностливостных видов спорта - митохондрий мышц. В оздоровительной физической культуре ставится задача удержания повышенной гиперплазии миофибрилл и митохондрий, при максимальной гипертрофии и гиперплазии клеток желез эндокринной и иммунной систем. Поэтому необходимо планировать последовательность применения различных тренировочных средств в рамках определенного цикла (микроцикла). Этот цикл должен характеризоваться синергичным взаимодействием процессов восстановления после тренировок различной направленности. Он должен приводить к положительным и заданным сдвигам в системах и органах человека.

Принцип экономии гормонов. Адаптационные перестройки, связанные с усилением процесса синтеза белка в клетках, зависят от концентрации гормонов в крови и тканях. Следовательно надо учитывать два явления:

- больше гормонов выделяется в состоянии предельного напряжения - стресса, а именно, при максимальной интенсивности или болевых ощущениях, связанных с локальным или общим закислением;

- выполнение упражнений с высоким потреблением кислорода, при недостатке глюкозы в крови, повышении концентрации ионов водорода субстратом для метаболизма становятся белки, в том числе, гормоны.

Следовательно, после тренировки, стимулирующей выделение большого количества гормонов, нельзя продолжительно тренироваться с интенсивностью вызывающей максимальный метаболизм в организме, т.е. на уровне АнП и выше.

Планирование микроцикла в оздоровительной физической культуре. На основе перечисленных принципов можно построить микроцикл, стимулирующий повышенную гиперплазию миофибрилл и митохондрий в мышечных волокнах и очень высокий уровень гипертрофии клеток желез эндокринной системы.

Развитие митохондрий требует почти ежедневных тренировок с интенсивностью 10% МАМ (ниже или на уровне аэробного порога). После таких аэробных тренировок, непредельной продолжительности (40-60 мин), концентрация гормонов в крови повышается незначительно, поэтому можно как по ходу этих упражнений или после них выполнять силовые упражнения, вызывающий стрессовое состояния от локального утомления . В этом случае общий метаболизм остается на низком уровне и нет угрозы для повышенного метаболизма гормонов. Суммарная продолжительность стрессовых упражнений не превышает 2-6 мин , интенсивность 80-100%. Для поддержания процессов синтеза белка следует во второй день выполнять только силовые упражнения, которые позволят повысить концентрацию гормонов в крови и поддержать идущие в тканях процессы синтеза. Таким образом, можно построить следующий микроцикл:

1 день. Интенсивность - 15% , продолжительность - 60 мин.

Интенсивность - 80-100%, продолжительность - 3 мин.

2 день. Интенсивность - 80- 100%, продолжительность - 3 мин.

3 день Отдых.

Результат вычислений - применение данного микроцикла в течении года приведен в таблице 2. Видно, что удалось существенно гипертрофировать массу желез эндокринной системы и эффективно поддерживать уровень силовой и аэробной подготовленности модели.

Планирование микроцикла физической подготовки в спорте.

Подготовка спринтера.. Для поддержания процессов синтеза белка следует в первый и во второй день выполнять силовые упражнения, которые позволят повысить концентрацию гормонов в крови и поддержать идущие в тканях процессы синтеза. Для поддержания аэробных возможностей следует выполнять перед силовой аэробную тренировку. Таким образом, можно построить следующий микроцикл:

1 день. Интенсивность - 10% , продолжительность - 60 мин.

Интенсивность - 80-100%, продолжительность - 5 мин.

2 день. Интенсивность - 10% , продолжительность - 60 мин.

Интенсивность - 80- 100%, продолжительность - 5 мин.

3 день. Отдых.

Результат вычислений - применение данного микроцикла в течение года приведен в таблице 3. Видно, что удалось существенно увеличить массу миофибрилл и эффективно поддерживать массу эндокринной системы и уровень аэробных возможностей модели.

Подготовка стайера. Для поддержания процессов синтеза белка следует каждый день выполнять силовые упражнения, которые позволят повысить концентрацию гормонов в крови и поддержать идущие в тканях процессы синтеза. Все аэробные тренировки проводятся на уровне анаэробного порога и перед силовыми тренировками. Таким образом, можно построить следующий микроцикл:

1 день. Интенсивность - 20% , продолжительность - 90 мин.

Интенсивность - 80-100%, продолжительность - 3 мин.

2 день. Интенсивность - 20% , продолжительность - 90 мин.

Интенсивность - 80- 100%, продолжительность - 4 мин.

3 день. Интенсивность - 80- 100%, продолжительность - 1 мин.

Результат вычислений. Применение данного микроцикла в течение года приведен в таблице 4. Видно, что удалось существенно гипертрофировать массу митохондрий при поддержании массы миофибрилл и массы желез эндокринной системы.

Таким образом, математическое моделирование долгосрочных адаптационных процессов позволило:

1) обосновать эмпирически выведенные принципы физической подготовки, такие как непрерывности, специфичности, гетерохронности, цикличности, тем самым подтверждается адекватность разработанной математической модели.

2) обосновать новый принцип физической подготовки - экономии гормонов, который необходим при построении микроциклов, включающих тренировочные упражнения, направленные на развитие аэробных и силовых возможностей мышц, а также других систем организма.

3) теоретически разработать эффективные варианты микроциклов. как для оздоровительной физической культуры, так и для спорта.

4) показать важность компьютерного моделирования как для теории, так и для тренерской педагогической работы, оно позволяет в сжатые сроки изучить эффективность тысяч вариантов планирования тренировочного процесса.

Рис. 1. Наилучшие расчетные показатели изменения массы миофибрилл (МФ), митохондрий (МХ), желез эндокринной системы или адаптационного резерва (АР) при управлении интенсивностью и продолжительностью выполнения физических упражнений. Микроцикл - тренировка проводится ежедневно. Оценка дается за год применения данного микроцикла.

Рис. 2. Наилучшие расчетные показатели изменения массы миофибрилл (МФ), митохондрий (МХ), желез эндокринной системы или адаптационного резерва (АР) при управлении интенсивностью и продолжительностью выполнения физических упражнений. Микроцикл - 3 дня, один день тренировки, 2 дня - отдых. Оценка дается за год применения данного микроцикла.

Рис. 3. Наилучшие расчетные показатели изменения массы миофибрилл (МФ), митохондрий (МХ), желез эндокринной системы или адаптационного резерва (АР) при управлении интенсивностью и продолжительностью выполнения физических упражнений. Микроцикл - 4 дня, один день тренировки, три дня - отдых. Оценка дается за год применения данного микроцикла.

Рис. 4. Наилучшие расчетные показатели изменения массы миофибрилл (МФ), митохондрий (МХ), желез эндокринной системы или адаптационного резерва (АР) при управлении интенсивностью и продолжительностью выполнения физических упражнений. Микроцикл - 6 дней, один день тренировки, 5 дней - отдых. Оценка дается за год применения данного микроцикла.

1. Теория и практика применения дидактики развивающего обучения в подготовке специалистов по физическому воспитанию: Труды сотрудников проблемной научно-исследовательской лаборатории / Научный руководитель В.Н.Селуянов . - М.: Физкультура, образование и наука,1996. - 106 с.

При любом использовании данного материала ссылка на первоисточник обязательна!

Селуянов, В.Н. Исследование рационального сочетания объема и интенсивности выполнения физических упражнений в микроцикле методом математического имитационного моделирования / Селуянов В.Н., Максимова Е.Д. // Юбилейн. сб. тр. учен. РГАФК, посвящ. 80-летию акад. - М., 1997. - Т. 1. - С. 81-93.