При построении рациональных внутрисменных режимов труда и отдыха организаторы производства руководствуются следующими принципами:

1) процесс включения в работу (фаза врабатывания) занимает меньше времени при использовании специальных активирующих воздействий (вводная гимнастика, музыкальные передачи);

2) на протяжении рабочей смены необходимо устраивать микропаузы в работе и регламентированные перерывы на отдых. В зависимости от тяжести и напряженности труда время на отдых может составлять 9-10% рабочего времени;

3) регламентированные перерывы будут эффективными лишь тогда, когда они назначаются на начальных стадиях развития утомления;

4) продолжительность периодов отдыха зависит от тяжести и напряженности труда. Так, при легкой работе на конвейере длительность перерывов должна быть 5-7 мин, а при тяжелой физической работе -- 20-25 мин. При особо физически тяжелых работах 15-20 минутные периоды работы необходимо чередовать с такими же по продолжительности периодами отдыха. При работах, требующих нервного напряжения и внимания, а также точных, мелких движений пальцев в высоком темпе и в условиях повышенной монотонности, целесообразно устраивать работающим лицам частые, но короткие (5 -10 мин) перерывы;

5) чем тяжелее и напряженнее работа, тем ближе по времени к началу смены (или к обеденному перерыву для второй половины рабочего дня) должны быть введены регламентированные перерывы;

6) во второй половине рабочего дня, в связи с более выраженным утомлением, количество перерывов на отдых должно быть больше, чем в первой половине смены;

7) перерыв на обед, длительностью 40-60 мин, целесообразно предоставлять в середине рабочего дня или с отклонением от нее в пределах до одного часа;

8) характер заполнения перерыва (активный или пассивный отдых, использование физических и психостимулирующих средств рекреации) зависит от вида трудовой деятельности.

5.5.2 Физиологические принципы профилактики перенапряжений опорно-двигательного аппарата

Основными этиологическими факторами развития перенапряжений и связанных с ними заболеваний нервно-мышечного и костно-суставного аппарата человека являются чрезмерные по интенсивности физические нагрузки (количество совершаемых за смену движений пальцев рук, величины усилий развиваемых мышцами, вес поднимаемого груза) и нерациональная, вынужденная рабочая поза. Следовательно, оздоровительные мероприятия, направленные на предупреждение развития переутомления и перенапряжения, должны обеспечивать следующее:

1) ограничение верхнего предела энерготрат при глобальной, региональной или локальной мышечной работе в течение 7- 8 часов соответственно 4,2; 2,8 и 1,7 ккал/мин;

2) уменьшение числа движений пальцев рук (менее 80 000 за смену) и статических напряжений мышц (менее 15% максимальной произвольной силы);

3) снижение величин динамических напряжений мышечного аппарата при выполнении рабочих операций;

4) рациональную организацию режимов труда и отдыха с регламентированными перерывами для выполнения рекреационных процедур, ускоряющих процессы восстановления (например массаж, гидромассаж, электростимуляция мышц);

5) организацию труда в пределах оптимальной рабочей зоны для позы стоя и сидя;

6) использование рабочей мебели, соответствующей антропометрическим характеристикам человека;

7) смену рабочих поз и исключение их однообразия.

Принципы профилактики отрицательных последствий труда в условиях монотонии. Мероприятия, способствующие ограничению развития монотонии, должны быть направлены на повышение уровня активности центральной нервной системы и обеспечение работающих лиц оптимальной информационной и двигательной нагрузками. Речь идет об использовании большого комплекса организационно технических и психофизиологических мер. Среди них первостепенное значение имеют:

1) организация работ таким образом, чтобы производственные операции имели смысловую и структурную завершенность и продолжались не менее 30 с., а межоперационные микропаузы составляли не менее 15% оперативного времени;

2) внезапные ускорения темпа работы на 5-10% по 1-2 мин 2-3 раза в час;

3) периодическая смена заданного темпа и ритма работы на относительно свободный;

4) укрупнение производственных операций, освоение смежных операций и их чередование;

5) изменения скорости движения конвейера в соответствии с динамикой работоспособности человека;

(6) внедрение режимов работы и отдыха, способствующих уменьшению ощущения монотонии;

7) использование в качестве средств, повышающих уровень бодрствования, производственной гимнастики, музыкальных передач, дополнительной интересной информации;

8) профотбор и профориентация лиц для работы в условиях монотонного труда.

6. ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ И СПОРТА

Спортивная физиология -- один из разделов физиологии человека, основным содержание которого является изучение механизмов физиологических функций в процессе выполнения различных спортивных упражнений.

6.1 Классификация различных видов мышечной деятельности

При физиологической систематизации мышечной работы в качестве классификационных признаков выделяют объем активной мышечной массы, тип мышечных сокращений, силу и мощность сокращений мышц, энерготраты.

В зависимости от объема работающих мышц выделяют локальные нагрузки, при которых активируется менее 1/3 всей мышечной массы тела, регионарные, когда сокращается от 1/3 до 2/3 всей мышечной массы, и глобальные, в осуществлении которых задействовано более 2/ 3 всей мышечной массы тела. При занятиях физической культурой и спортом большее число нагрузок относится к глобальным.

В соответствии с типом сокращения основных мышц, осуществляющих выполнение заданной работы, выделяют статические (сохранение фиксированной позы, некоторые упражнения у гимнастов, стойка стрелка и др.) и динамические напряжения (ходьба, бег, езда на велосипеде, плавание и др.).

С учетом зависимости «нагрузка -- скорость укорочения мышцы» при динамической работе проявляемая сила обратно пропорциональна скорости укорочения мышцы. Это означает, что чем больше внешняя нагрузка на мышцу, тем меньше скорость движения участка (звена) тела или укорочения мышцы. По проявлению силы мощности сокращений мышц физические упражнения подразделяются на:

1) силовые;

2) скоростно-силовые;

3) упражнения на выносливость.

При мышечной деятельности силового характера основные мышцы, участвующие в работе, развивают максимальное или почти максимальное напряжение в статическом или динамическом режиме, при малой скорости движений в условиях большого внешнего сопротивления.

К скоростно-силовым относят такие виды работы, при которой ведущие мышечные группы проявляют относительно большую силу (30-50% от максимальной) и скорость сокращения (30-60% от максимальной скорости укорочения).

При работе на выносливость активные мышцы развивают не очень большие по силе и скорости сокращения, но способны выполнить их на протяжении от нескольких десятков минут до многих часов.

По показателям энерготрат работу обычно подразделяют на легкую, умеренную, тяжелую и очень тяжелую.

По мощности, развиваемой человеком во время выполнения различных видов спортивных упражнений, выделяют работу максимальной мощности (предельное время такой работы 20-30 с), субмаксимальной мощности (от 20-30 с до 3-5 мин), большой мощности (от 3-5 мин до 30-40 мин) и относительно умеренной мощности (больше 30-40 мин). Эти зоны мощности являются общими для всех циклических движений.

В зависимости от характера изменений структуры движений во времени все их виды делят на циклические и ациклические. К циклическим упражнениям относят бег, езду на велосипеде, бег на лыжах и т.д. Для циклической работы характерно многократное повторение стереотипных движений при относительно постоянной силе и скорости сокращения. При ациклических упражнениях (метания, прыжки, единоборства, гимнастические упражнения, спортивные игры и др.) постоянно меняется не только характер двигательной активности, но и мощность выполняемой работы.

6.2 Физиологическая характеристика состояний организма при спортивной деятельности

Во время тренировочных занятий или соревнований в изменениях функционального состояния организма человека выделяют три периода: предстартовый, основной (период работы) и восстановительный.

Предстартовое состояние. В предстартовом состоянии, возникающем за несколько минут или часов до начала соревнований, возрастают частота сердечных сокращений, систолический объем и минутный объем кровообращения, повышается артериальное давление, возрастают легочная вентиляция, энерготраты, температура тела.

Предстартовые изменения функций являются условно-рефлекторными реакциями. Они готовят организм в целом к предстоящей работе и ускоряют процессы врабатывания. Обусловлены эти изменения усилением деятельности симпато-адреналовой системы, о чем свидетельствует повышение концентрации норадреналина и адреналина в крови еще до начала работы.

В зависимости от характера изменений физиологических функций и эмоционального статуса спортсмена выделяют три вида предстартовых состояний: первый -- характеризуется умеренным эмоциональным возбуждением и обеспечивает высокий спортивный результат;

для второго -- характерно повышенное возбуждение центральной нервной системы, под влиянием которого работоспособность может как увеличиваться, так и уменьшаться; третий вид состояний отличается преобладанием тормозных процессов, приводящих, как правило, к снижению спортивного результата.

Изменения состояния организма при разминке. Разминка -- комплекс специальных упражнений, выполняемый перед тренировкой или соревнованием и способствующий ускорению процесса врабатывания, повышению работоспособности.

Физиологические эффекты разминки разнообразны. Она повышает возбудимость и активность сенсорных, моторных и вегетативных центров, усиливает деятельность эндокринных желез, создавая тем самым условия для более эффективной регуляции вегетативных и моторных функций при последующей работе. Повышается температура тела и, особенно, работающих мышц, благодаря чему увеличивается активность ферментов и, следовательно, скорость биохимических реакций в мышечных волокнах, возбудимость и лабильность мышц, повышается скорость их сокращения.

Разминка усиливает работу систем, обеспечивающих транспорт кислорода к работающим мышцам. Возрастают легочная вентиляция, скорость диффузии Од из альвеол в кровь, минутный объем кровообращения, расширяются артериальные сосуды скелетных мышц, увеличивается венозный возврат, повышается (благодаря увеличению температуры тела) интенсивность диссоциации оксигемоглобина в тканях.

Разминка спортсмена бывает общей и специальной. Общая разминка состоит из упражнений, способных повысить возбудимость центральной нервной системы, температуру тела, активизировать систему транспорта кислорода. Специальная часть разминки по своей структуре должна быть как можно ближе к характеру предстоящей деятельности.

Врабатывание. Постепенное увеличение работоспособности человека в начале выполнения спортивных упражнений называется врабатыванием. В это время происходит перестройка нейрогуморальных механизмов регуляции движений и вегетативных функций на новый, более напряженный режим деятельности и улучшение координации движений.

Скорость усиления деятельности физиологических систем во время врабатывания неодинакова. Двигательный аппарат, обладающий относительно высокой возбудимостью и лабильностью, на новый рабочий уровень настраивается быстрее, чем вегетативные системы. Так, например, во время интенсивного бега максимальная скорость движения достигается к 5-6 с. В то же время расширение артериальных сосудов мышц происходит за 60-90 с, а частота сердечных сокращений, систолический объем и минутный объем кровообращения достигают максимальных величин только через 1,5-2 мин. Даже при работе максимальной аэробной мощности требуемый уровень потребления кислорода достигается лишь через 2- 3 мин.

В связи с тем, что транспорт кислорода усиливается постепенно, в начале любой работы сокращение мышц осуществляется, в основном, в анаэробных условиях. Разница между потребностью организма в кислороде во время периода врабатывания и его реальным поступлением называется кислородным дефицитом. При не тяжелых нагрузках дефицит кислорода покрывается еще во время самой работы. При выполнении суб максимальных и максимальных физических упражнений возникающий дефицит кислорода ликвидируется после завершения работы, составляя часть общего кислородного долга.

Скорость изменения физиологических функций во время врабатывания зависит от интенсивности (мощности) выполняемой работы. Чем больше мощность, тем быстрее происходит усиление деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем. При одинаковых по характеру и мощности упражнениях врабатывание происходит тем быстрее, чем выше уровень тренированности человека.

Состояние физиологических функций при работе. После окончания периода врабатывания при длительной аэробной работе возникает устойчивое состояние, на протяжении которого работоспособность и показатели физиологических функций, обеспечивающих транспорт кислорода, меняются незначительно. При работе максимальной и субмаксимальной мощности период устойчивого состояния отсутствует, так как на всем ее протяжении происходит постоянное нарастание частоты сердечных сокращений, систолического объема, минутного объема кровообращения и, соответственно, потребления О2.

Различают истинное и ложное устойчивое состояние физиологических функций при работе. Истинное устойчивое состояние характеризуется высокой согласованностью работы двигательного аппарата и вегетативных систем, участвующих в ее обеспечении. Функции сердечно-сосудистой и дыхательной систем не достигают своих предельных величин. Ресинтез макроэргических фосфорных соединений происходит за счет аэробных окислительных реакций. Потребление кислорода, как правило, ниже максимально возможных для человека величин. Молочная кислота почти не накапливается в мышцах, что обеспечивает сохранение кислотно-основного равновесия в жидких средах организма.

При ложном устойчивом состоянии потребление кислорода человеком либо близко к максимально возможной для него величине, либо даже равно ей. Несмотря на это, потребность мышц в кислороде все же полностью не удовлетворяется. Постепенно в организме образуется и нарастает кислородный долг. С целью восполнения недостаточного поступления кислорода легочная вентиляция, частота сердечных сокращений и минутный объем кровообращения увеличиваются и достигают максимально возможных величин. Недостаток кислорода ведет к усилению доли анаэробных процессов в обеспечении мышц энергией. В результате этого, в мышцах и в крови возрастает концентрация молочной кислоты. Происходит сдвиг рН крови в кислую сторону. Таким образом, при ложном устойчивом состоянии относительная стабильность физиологических функций на протяжении работы обусловлена не соответствием их уровней запросам организма для обеспечения работы требуемой мощности, а невозможностью их дальнейшего усиления.

6.3 Физиологические основы спортивной тренировки

Состояние высокой работоспособности, которое достигается в результате спортивной тренировки, называется тренированностью. Различают общую тренированность и специальную -- в избранном виде спорта. Физиологическая сущность развития тренированности состоит в том, что под влиянием систематической повторной работы с постепенным увеличением ее общего объема в организме человека происходят морфологические, биохимические и физиологические изменения, приводящие к повышению его работоспособности. Все эти изменения специфичны, то есть они зависят от особенностей тренирующих нагрузок.

Повышение работоспособности в избранном виде спорта обусловлено формированием и совершенствованием необходимых двигательных навыков и развитием двигательных качеств -- силы, скорости, выносливости, ловкости.

Физиологические механизмы развития двигательных навыков. Совершенствование спортивных упражнений связано с формированием двигательных навыков. Двигательный навык представляет собой индивидуально приобретенную форму различных по сложности координации двигательных действий, образующуюся путем систематической тренировки.

Фонд двигательных навыков человека состоит, с одной стороны, из врожденных двигательных действий (сосание, глотание, сгибание и разгибание конечностей в ответ на действие раздражителей и т.д.), с другой -- из двигательных актов, формирующихся в процессе специального обучения на протяжении индивидуальной жизни. Человек рождается с крайне ограниченными по числу и сложности проявлений двигательных действий. В то же время, по наследству передается чрезвычайно важное свойство нервной системы -- пластичность, обеспечивающее хорошую тренируемость, то есть способность в процессе обучения овладевать новыми, сложными по координации, формами движений.

Физиологическим механизмом образования двигательных навыков, то есть механизмом тренируемости, благодаря которому формируются новые виды двигательной деятельности, являются условные рефлексы. Формирование новых двигательных навыков происходит на базе ранее приобретенных организмом координации. Чем больше у человека запас выработанных ранее двигательных актов, тем легче и быстрее он способен разучивать новые движения. Успешнее всего новые формы движений осваивают спортсмены, владеющие большим комплексом уже закрепленных сложных двигательных актов (гимнасты, акробаты, фигуристы).

В осуществлении новых двигательных актов важное значение имеет способность центральной нервной системы к экстраполяции. Процесс экстраполяции позволяет осуществлять как бы перенос уже имеющихся навыков и реализовать без предварительной подготовки новые координированные двигательные действия.

Двигательный навык представляет собой цепь двигательных актов, включающую несколько самостоятельных элементов (фаз, циклов), объединенных общей конечной целью. В процессе тренировки, направленной на формирование двигательного действия, отдельные компоненты движения выстраиваются в своеобразную систему последовательных двигательных актов в виде двигательного динамического стереотипа. Динамический стереотип в спортивных движениях относится только к последовательности осуществления их отдельных фаз. Временные отношения между фазами движений могут постоянно варьировать.

Формирование двигательного навыка при занятиях спортом проходит через несколько стадий. Первая стадия: объединение отдельных элементов движения в целостное действие, характеризуется иррадиацией возбуждения в моторной зоне коры с генерализацией ответных двигательных реакций и вовлечением в работу «лишних» мышц. Во второй стадии, благодаря постепенной концентрации возбуждения, происходит улучшение координации движений, усиление стереотипности двигательных актов. В третьей стадии навык закрепляется, стабилизируется, достигается высокая степень координации и стереотипности движений.

Двигательные навыки, как и другие условные рефлексы, по мере закрепления становятся все более стойкими. При этом чем они проще по своей структуре, тем прочнее. После прекращения систематической тренировки навык начинает утрачиваться. Быстрее всего разрушаются наиболее сложные в координационном плане компоненты двигательного навыка. Простые компоненты навыка могут сохраняться годами и даже десятилетиями. Так, человек, научившийся плавать, ездить на велосипеде, сохраняет эти навыки в простейшем варианте даже после больших перерывов.

Физиологические основы тренировки силы и скоростно-силовых качеств. Максимальная произвольная сила (МПС) мышц человека зависит от двух групп факторов: мышечных (периферических) и координационных (центральных).

Зависимость максимальной произвольной силы мышцы от периферических факторов связана с механическими условиями действия мышечной тяги, с исходной длиной мышцы, площадью ее поперечного сечения, с соотношением быстрых и медленных волокон в сокращающейся мышце, с внутренней ее температурой. При равенстве всех перечисленных факторов максимально возможная сила мышцы в изометрическом режиме достигается в случае активации всех двигательных единиц и при сокращении всех волокон в режиме гладкого тетануса.

Координационные факторы, определяющие максимальную произвольную силу, -- это центральные механизмы управления деятельностью мышц. Среди них выделяют механизмы внутримышечной координации (число возбуждаемых мотонейронов мышцы и синхронизацию их импульсации во времени) и межмышечные координационные механизмы (выбор необходимых для выполнения поставленной задачи мышц-синергистов и сопряженное торможение мышц-антагонистов). В естественных условиях максимальная произвольная сила всегда меньше, чем истинная максимальная сила мышцы. Последнюю определяют, раздражая у человека нерв, иннервирующий мышцу (например, трехглавую мышцу голени), импульсами электрического тока. Разница между истинной максимальной силой мышц и их максимальной произвольной силой называется силовым дефицитом.

При тренировке силы мышц происходит умеренное повышение активности нейронов сенсорных и моторных центров. Усиливаются внутрицентральные и корково-спинальные функциональные связи моторных центров, обеспечивающие при выполнении силовых упражнений максимально возможное по числу вовлечение в работу двигательных единиц. Улучшаются центральные координационные процессы управления различными мышечными группами.

В развитии максимальной силы сокращения мышцы имеют значение ее структурные особенности: общее число мышечных волокон, их ход (прямой, косой), толщина волокон, количество миофибрилл в каждом волокне. При прочих равных условиях сила мышцы зависит от ее поперечного сечения. Увеличение поперечника мышцы в результате специальной физической тренировки называется рабочей гипертрофией.

Выделяют два крайних типа рабочей гипертрофии мышечных волокон : миофибриллярную и саркоплазматическую. При миофибриллярной рабочей гипертрофии увеличение поперечных размеров волокон обусловлено ростом числа и объема миофибрилл. Миофиб-риллярная гипертрофия возникает лишь при использовании в качестве тренировочных нагрузок усилий более 75% от максимальной произвольной силы.

В основе рабочей гипертрофии лежит интенсивный синтез мышечных белков. Роль стимулятора синтеза актина и миозина, а значит и рабочей гипертрофии, выполняет креатин, содержание которого в сокращающихся мышцах растет. Под влиянием гипоталамо-гипофизарной системы повышается продукция андрогенов (тестостерона). Возрастает количество рецепторов андрогенов в ядрах и цитоплазме миоцитов. Повышается концентрация соматотропина и синтезируемых печенью соматомединов, ускоряющих утилизацию аминокислот и глюкозы мышечными клетками, синтез протеинов и развитие мышечной гипертрофии. Усиление поглощения аминокислот и глюкозы, синтеза РНК, ДНК и тканевых белков, а также увеличение количества сократительных белков актин-миозинового комплекса происходят преимущественно в быстрых волокнах. Кроме того, в процессе силовой тренировки возрастает количество белков саркоплазматического ретикулума, миозиновой АТФазы и миоглобина. Все это приводит к развитию миофибриллярной гипертрофии, в основном, быстрых гликолитических волокон, увеличению занимаемой ими площади в тренируемых мышцах и, следовательно, силы мышцы. Структурные адаптивные перестройки сопровождаются метаболическими. Имеет место локальное увеличение запасов креатинфосфата и гликогена, содержания и активности миокиназы, КФ-киназы и гликолитических ферментов, повышение мощности фосфагенной и гликолитической энергетических систем скелетных мышц.

Как и другие виды тренировки, силовая не изменяет композиции мышц, то есть соотношения в них быстрых и медленных волокон. При тренировке силовой направленности в мышце увеличивается процент быстрых гликолитических волокон и, соответственно, уменьшается процент быстрых окислительно-гликолитических.

Саркоплазматическая рабочая гипертрофия имеет место при длительной тренировке ритмическими сокращениями, в процессе которых мышцы работают в аэробных условиях. При этом типе гипертрофии увеличение размеров мышечных волокон происходит, главным образом, за счет увеличения объема саркоплазмы, а не сократительных белков. Возрастает содержание несократительных белков, гликогена, креатинфосфата, миоглобина, число митохондрий. В связи с этим мышечная сила либо не меняется, либо может даже уменьшаться. В то же время существенно возрастает аэробная выносливость таких мышц, то есть способность длительное время выполнять работу в аэробных условиях. Наиболее предрасположены к саркоплазматической гипертрофии медленные и быстрые окислительно-гликолитические волокна.

В реальной жизни гипертрофия мышечных волокон представляет собой комбинацию двух описанных типов. Преобладание миофибриллярного или саркоплазматического типа зависит от характера тренировочных нагрузок.

Физиологические основы скоростно-силовых качеств (мощности). Мощность, как ведущее качество спортсмена, необходима для выполнения многих спортивных упражнений (метания, прыжки, борьба, спринтерский бег и т.д.). Чем большую мощность развивает спортсмен, тем большую скорость он может сообщить снаряду или собственному телу. Максимальная мощность является результатом оптимального сочетания силы и скорости. Отсюда следует, что мощность можно увеличить за счет повышения либо силы, либо скорости сокращения, либо силы и скорости одновременно.

Силовой компонент мощности. В значительной мере мощность определяется максимальной силой участвующих в работе мышц. Максимальная динамическая сила, измеряемая при концентрическом сокращении мышц, меньше, чем максимальная сила в изометрическом режиме. В связи с высокой специфичностью эффектов тренировки, изометрические нагрузки мало влияют на динамическую силу, а динамические - на статическую. Отсюда следует, что для повышения динамической силы необходимо использовать, в первую очередь, динамические нагрузки.

Одной из разновидностей динамической мышечной силы является взрывная сила, характеризующая способность к быстрому проявлению мышечной силы. Взрывная сила определяет результативность метателей, прыгунов, спринтеров, борцов др. Критерием оценки и количественным показателем взрывной силы является градиент силы, то есть скорость ее нарастания. Градиент силы определяется как отношение величины максимально достигаемой силы ко времени ее нарастания.

Основными факторами, ответственными за развитие взрывной силы, являются координационные способности моторных центров и скоростные сократительные способности мышц. Среди координационных способностей центральной нервной системы основное значение имеют частота импульсации мотонейронов в начале разряда и степень синхронизации импульсации разных двигательных нейронов. Чем больше начальная частота импульсации (активации мышечных клеток), тем быстрее нарастает сила мышц.

Скоростные сократительные свойства скелетной мышцы зависят также от ее композиции, то есть соотношения числа быстрых и медленных волокон. Быстрые волокна составляют значительно большую часть мышечной массы у представителей скоростно-силовых видов спорта (спринтеры, прыгуны, метатели).

Скоростной компонент мощности, развиваемой спортсменом во время выполнения физических упражнений, определяется, во-первых, силой сокращения мышц. Согласно второму закону Ньютона, чем больше усилие прилагается к массе тела, тем больше скорость, с которой оно движется. Отсюда, чем больше сила мышц бедра, тем выше предельная скорость бега спринтера. Во-вторых, скоростными сократительными свойствами мышц. Чем больший процент быстрых волокон в мышце, тем с большей скоростью может выполняться каждое отдельное движение, тем большее количество двигательных циклов может совершаться в единицу времени. У выдающихся спринтеров процент быстрых мышечных волокон значительно выше, чем у неспортсменов. И, в-третьих, внутри -- и межмышечными координационными способностями центральной нервной системы.

Физиологические основы аэробной выносливости. Под выносливостью понимают способность человека длительное время поддерживать определенный вид деятельности. Выносливость специфична, то есть проявляется у каждого человека лишь при выполнении определенного вида деятельности. В спортивной физиологии под выносливостью понимают способность человека длительное время выполнять глобальную динамическую работу аэробного характера. Большой аэробной выносливости требуют, например, такие спортивные упражнения, как бег на дистанции 1500 м и больше, академическая гребля, лыжные гонки, шоссейные велогонки, бег на коньках на дистанциях 3000 м и более, плавание на длинные дистанции, спортивная ходьба, ориентирование.

Во всех видах спорта, требующих выносливости, спортсмены должны обладать большими аэробными возможностями: максимальной скоростью потребления кислорода и способностью длительное время поддерживать высокую скорость потребления кислорода.

Аэробные возможности человека определяются, прежде всего, максимально возможной для него скоростью потребления кислорода. Чем она больше, тем большую мощность работы может выполнять спортсмен в аэробных условиях. Чем длительнее по времени эта работа может продолжаться, тем, следовательно, выше его спортивный результат. Максимальное потребление кислорода у лиц, тренирующих выносливость, значительно выше, чем у не спортсменов того же возраста и пола. Так, например, если у нетренированных мужчин 20-29 лет максимальное потребление кислорода составляет 2,5-3,5 л/мин (или 40-50 мл/мин/кг), то у бегунов-стайеров и лыжников высокой квалификации она достигает 5-6 л/мин (или 75-80 мл/мин/кг). У нетренированных женщин максимальное потребление кислорода равно 1,5-2,5 л/мин (или 30-40 мл/мин/кг), а у спортсменок лыжниц составляет около 4 л/мин (или более 70 мл/ мин/кг).

Выделяют абсолютные показатели максимального потребления кислорода (л/мин) и относительные, то есть максимальное потребление кислорода, отнесенное к единице массы тела (мл/мин/кг). Абсолютные показатели максимального потребления кислорода находятся в прямой зависимости от размеров тела. Они наибольшие у гребцов, пловцов, конькобежцев, велосипедистов. В этих видах спорта абсолютные величины максимального потребления кислорода имеют наибольшее значение для оценки состояния тренированности.

Относительные показатели максимального потребления кислорода у высококвалифицированных спортсменов находятся в обратной зависимости от массы тела. Наибольшие величины относительных показателей характерны для лыжников и бегунов на длинные дистанции, наименьшие -- для гребцов. У спортсменов, специализирующихся в беге на длинные дистанции, в спортивной ходьбе, ориентировании, лыжных гонках, максимальные аэробные возможности и состояние тренированности оценивают по относительным величинам максимального потребления кислорода.

Уровень максимального потребления кислорода зависит от максимальных возможностей:

1) системы доставки кислорода к работающим мышцам и другим усиленно функционирующим органам;

2) системы потребления кислорода, включающей, в основном, работающие мышечные клетки.

Система доставки кислорода. Предельные возможности организма доставлять кислород к усиленно функционирующим органам и тканям определяются системами внешнего дыхания и крови, а также сердечно- сосудистой системой.

Внешнее дыхание. У спортсменов, тренирующих выносливость, максимальные величины легочной вентиляции при работе значительно больше, чем у нетренированных лиц. У бегунов-стайеров во время бега на длинные дистанции легочная вентиляция длительное время поддерживается на уровне 120- 140 л/мин. У нетренированных людей ее максимальные величины обычно не превышают 70- 100 л/ мин. Поскольку частота дыхания по мере тренировки не возрастает, прирост легочной вентиляции достигается лишь увеличением дыхательного объема. Значительное возрастание максимально возможных величин дыхательного объема у спортсменов происходит вследствие повышения на 15-25% легочных объемов и емкостей и, следовательно, жизненной емкости легких, которая у гребцов, например, достигает 8-9 л.

Другим результатом тренировки системы внешнего дыхания является повышение эффективности легочной вентиляции. Об этом свидетельствует увеличение вентиляционного эквивалента кислорода, то есть объема дыхания, затрачиваемого на один литр использованного кислорода.

В процессе тренировки значительно возрастает диффузионная способность легких как в покое, так и при физических нагрузках. У бегунов-марафонцев, например, она даже в покое почти не отличается по величине от диффузионной способности легких при максимальной работе у нетренированных лиц.

В результате тренировки повышается вентиляционный анаэробный порог, то есть мощность работы, начиная с которой легочная вентиляция растет быстрее, чем интенсивность нагрузки. Так, у нетренированных людей вентиляционный анаэробный порог соответствует мощности нагрузки в пределах 50-60%, а у хорошо тренированных спортсменов -- 80-85% от максимального потребления кислорода.

Итак, главный эффект тренировки выносливости в отношении функций внешнего дыхания состоит в увеличении предельных величин рабочей и произвольной легочной вентиляции вследствие возрастания легочных объемов и емкостей, в повышении эффективности легочной вентиляции и в увеличении диффузионной способности легких.

Система крови. Транспорт кислорода и аэробная выносливость человека зависят от объема крови и содержания в ней эритроцитов и гемоглобина. При тренировке выносливости объем крови у спортсмена значительно возрастает. С учетом массы тела у бегунов-стайеров, лыжников, велосипедистов-шоссейников он на 15-20% больше, чем у нетренированных людей. У представителей скоростно-силовых видов спорта (спринтеры, метатели, прыгуны, борцы и др.) объем крови почти не отличается от его величин у неспортсменов. Таким образом, увеличение объема крови является результатом тренировки выносливости.

Увеличение объема крови происходит, в основном, за счет повышения объема плазмы. При этом величина гематокрита, от которой в значительной мере зависит вязкость крови, у спортсменов несколько ниже, чем у нетренированных лиц. Увеличение объема плазмы у лиц, тренирующих выносливость, связано с повышением общего содержания белков в крови вследствие усиления их синтеза в печени.

Содержание эритроцитов и гемоглобина в крови определяют ее кислородную емкость, а значит и способность доставлять кислород к работающим мышцам. В связи с этим довольно неожиданно выглядит отсутствие существенной разницы в содержании эритроцитов и гемоглобина у тренированных лиц с высокой аэробной выносливостью (эритроциты -- 4,77 млн/мм3; гемоглобин -- 14,6 -- 16,0 г %) и нетренированных (эритроциты -- 4,97 млн/мм3; гемоглобин -- 15,1 г %). В то же время, из-за большего (на 15-20%) объема крови у спортсменов значительно выше общее количество эритроцитов и содержание гемоглобина в крови. Так, у тренированных на выносливость мужчин общее содержание в крови гемоглобина равно 1000-1100 г, или 13-16 г/кг массы (у женщин 700-850 г или 12 г/кг), а у нетренированных -- соответственно 700-900 г или 10-12 г/кг (у женщин 400-500 г или 7-9 г/кг). Одной из причин, стимулирующих усиленный эритропоэз и образование гемоглобина, является рабочий гемолиз, то есть разрушение эритроцитов во время интенсивных тренировочных и соревновательных нагрузок.

Как у спортсменов, так и у нетренированных лиц при нагрузках любой аэробной мощности содержание кислорода в артериальной крови по сравнению с состоянием покоя не снижается. Небольшое уменьшение насыщения гемоглобина кислородом компенсируется повышением концентрации гемоглобина в крови в результате происходящего при работе перехода жидкости за пределы сосудистого русла и увеличения гематокрита, то есть в результате рабочей гемоконцентрации.

Благодаря увеличению на 15-20% содержания 2,3 дифосфоглицерата в эритроцитах спортсменов, тренирующих выносливость, в капиллярах тканей значительно облегчается отдача гемоглобином кислорода. Этот механизм повышает эффективность работы системы транспорта кислорода кровью.

Таким образом, в отношении системы крови основные эффекты тренировки человеком аэробной выносливости состоят в существенном увеличении объема внутрисосудистой крови и общего содержания гемоглобина. Благодаря этому, возрастают суммарная кислородная емкость и общая масса циркулирующей крови, обеспечивается возможность большего увеличения минутного объема кровообращения и перераспределения его в пользу работающих мышц. Улучшаются возможности организма увеличивать кровоток в коже с целью усиления теплоотдачи во время длительной работы, усиливается скорость вымывания метаболитов (например, молочной кислоты) из интерстициального пространства.

Сердечно-сосудистая система. В процессе многолетней тренировки аэробной выносливости в сердечно-сосудистой системе происходят адаптивные изменения, существенно повышающие способность сердца подавать большее количество крови в сосуды, тем самым увеличивая объемную скорость кровотока через легкие и работающие мышцы. Поскольку кислород-транспортные возможности лимитируются в большей степени состоянием сердечно-сосудистой системы, а не внешнего дыхания, велика роль различных звеньев этой системы в развитии аэробной выносливости.

В соответствии с уравнением Фика потребление кислорода (V О2) находится в прямой зависимости от минутного объема кровообращения (МОК) и артерио-венозной разницы по кислороду (АВР О2), то есть V О2 = МОК х АВРО2. Исходя из этой закономерности, увеличение потребления кислорода, организмом и, следовательно, аэробной работоспособности человека, определяется производительностью сердца.

В условиях покоя скорость потребления кислорода и минутный объем кровообращения мало отличаются у тренированных и нетренированных людей. Однако, механизмы поддержания минутного объема кровообращения у них различны. В результате усиления парасимпатических и ослабления симпатических влияний на сердце, уменьшения выделения катехоламинов надпочечниками и снижения чувствительности сердца к этим веществам у лиц, тренирующих выносливость, значительно уменьшается частота сердечных сокращений, становясь у элитных спортсменов меньше 40 и даже 30 уд/мин.

Урежение частоты сердечных сокращений в покое у спортсменов компенсируется более высокими показателями систолического объема. Так, если у нетренированного в положении лежа частота сердечных сокращений составляет 70-75 уд/мин, а систолический объем -- 80-90 мл, то у тренированных соответственно -- 40-45 уд/ мин и 100-120 мл. Возрастание систолического объема в результате длительной тренировки является следствием увеличения объема полостей сердца и сократительной способности миокарда желудочков.

Максимальные величины деятельности сердца при выполнении аэробных физических упражнений у спортсменов также значительно больше, чем у нетренированных. В связи с тем, что максимальная частота сердечных сокращений при тренировке выносливости не возрастает, но даже несколько снижается (на 3-5 уд/ мин), существенно большие величины минутного объема кровообращения у спортсменов обусловлены исключительно повышением систолического объема. Чем больше возрастает систолический объем, тем больше повышается минутный объем кровообращения, а значит и максимальное потребление кислорода. Следовательно, увеличение систолического объема -- это основной результат тренировки выносливости для сердечно-сосудистой системы. Максимально возможный систолический объем у нетренированных мужчин обычно не превышает 110-130 мл, тогда как у хорошо тренированных он может достигать 180-210 мл.

Высокий уровень аэробной работоспособности спортсменов зависит не только от больших величин минутного объема кровообращения, но и от способности наиболее эффективного его использования. Эта способность определяется величиной артерио-венозной разницы по кислороду и совершенством механизмов перераспределения крови между активными и неактивными органами и тканями. Чем больше артерио-венозная разница по кислороду, тем более эффективно используется минутный объем кровообращения. По мере тренировки выносливости при любых нагрузках артерио-венозная разница по кислороду увеличивается. Поскольку содержание 0^ в артериальной крови у спортсменов и не спортсменов практически не отличается ни в покое, ни при аэробных нагрузках любой мощности, увеличение артерио-венозной разницы по кислороду вызывается снижением содержания О2 в смешанной венозной крови, то есть большей его утилизацией. При максимальной аэробной работе у нетренированных лиц содержание О2, снижается в среднем до 55 млО2/л крови, а у тренированных -- до 25 мл/О2/л крови. Следовательно, лица, тренирующие выносливость, более эффективно используют один и тот же объем притекающей к их мышцам крови, извлекая из него больше кислорода.

Система потребления кислорода и выносливость. Изменениям в кислород-транспортной системе, происходящим в результате тренировки выносливости, сопутствуют морфофункциональные изменения самих мышечных клеток, направленные на увеличение скорости утилизации приносимого кислорода. Чем больше в мышце медленных волокон с окислительным характером анаболизма, тем больше ее способность использовать кислород в окислительных реакциях ресинтеза АТФ. Следовательно, аэробная выносливость спортсмена зависит от композиции принимающих участие в работе мышц, то есть от процентного соотношения содержащихся в них медленных (окислительных) и быстрых (окислительно-гликолитических и гликолитических) волокон. Характерной чертой композиции мышц у выдающихся представителей видов спорта, тренирующих выносливость, является высокий (не менее 70) процент медленных волокон, приспособленных к длительной динамической работе средней интенсивности с аэробными процессами энергопродукции.

Композиция мышц, а значит и высокий процент медленных волокон у спортсменов-стайеров, предопределены генетически ("Великими стайерами не становятся, а рождаются"). Это значит, что человек уже с момента рождения, имея больше медленных волокон, чем быстрых, обладает предпосылками к достижению выдающихся результатов в видах спорта, требующих выносливости. Изменить тренировкой соотношение медленных и быстрых волокон практически невозможно. В то же время при неменяющемся соотношении числа медленных и быстрых волокон тренировка выносливости приводит к превращению быстрых гликолитических волокон в быстрые окислительно-гликолитические. Благодаря этому увеличивается общее число волокон, способных длительно работать в аэробных условиях.

В процессе тренировки выносливости происходит рабочая гипертрофия саркоплазматического типа. Помимо увеличения содержания в клетке энергетических субстратов, у высокотренированных спортсменов значительно возрастает число и плотность центральных (на 50%) и поверхностных (на 300%) митохондрий. Следствием этого является существенное увеличение утилизации мышцей приносимого кровью кислорода.

Усиление процессов утилизации кислорода в мышечных клетках происходит одновременно с ростом числа капилляров, окружающих мышечные волокна, особенно медленного типа. Так, у тренированных на выносливость лиц каждое медленное волокно окружено 6-7 капиллярами, а быстрое -- 3-4. У неспортсменов эти цифры составляют соответственно 3,5-4,5 и 2,5-3,2. Увеличение плотности капилляров, обусловленное образованием новых капилляров, происходит лишь в мышцах, тренирующих выносливость. Благодаря повышенной плотности капилляров в мышце (400-500 на 1 мм2 вместо 300-350 на 1 мм2 у нетренированных) улучшается обмен жидкостью между интерстициальным пространством и кровью, сокращается путь транспорта кислорода и других веществ от капилляра до клетки и обратно, увеличивается поверхность диффузии. Все это способствует повышению аэробной мышечной работоспособности.

Повышение выносливости в результате тренировки связано также со значительными адаптивными изменениями метаболических процессов в мышце: увеличивается содержание и активность ферментов окислительного метаболизма (в 2-3 раза), возрастает содержание миоглобина (в 1,5-2 раза), повышается содержание энергетических субстратов -- гликогена мышц и липидов (на 30-50%), усиливается способность мышц использовать гликоген и, особенно, жиры («жировой сдвиг»).

Таким образом, длительная тренировка выносливости вызывает, во-первых, значительное усиление деятельности систем захвата кислорода из окружающего воздуха, доставки его к работающим мышечным волокнам и использования клетками для нужд метаболизма. Во-вторых, способствует повышению эффективности деятельности систем дыхания, крови и кровообращения во время выполнения физических упражнений.

7. ФИЗИЧЕСКАЯ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ В ОСОБЫХ УСЛОВИЯХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

7.1 Влияние температуры и влажности воздуха на физическую работоспособность

Во время интенсивной и длительной физической работы теплопродукция в мышцах возрастает в 20-25 раз по сравнению с условиями покоя. Почти все тепло передается в кровь и переносится с нею в ядро тела, температура которого повышается до 39-40°С. При прочих равных условиях, чем выше температура окружающего воздуха, тем больше поднимается температура тела при работе. Снижение работоспособности при выполнении интенсивных физических нагрузок на фоне повышенных температуры и влажности воздуха обусловлено перегреванием тела, дегидратацией организма и уменьшением кровоснабжения работающих мышц.

Во время интенсивной физической работы скорость потообразования возрастает в десятки раз, достигая, например, во время марафонского бега 20-25 мл/мин. Потери воды за время бега могут достигать 2,5-4,5 л. Самым тяжелым последствием усиленного потоотделения является дегидратация, характеризующаяся уменьшением содержания жидкости в организме и снижением концентрации электролитов в жидких средах.

Дегидратация во время мышечной работы приводит к существенному снижению физической работоспособности. Причинами этого являются:

1) снижение эффективности регуляции температуры тела вследствие ухудшения переноса тепла от ядра к оболочке и уменьшения активности потовых желез;

2) уменьшение объема плазмы крови, приводящее к снижению объема циркулирующей крови, венозного возврата, систолического объема, а также к увеличению показателя гематокрита и вязкости крови;

3) уменьшение объема межклеточной и внутриклеточной жидкости, а также концентрации электролитов в них, приводящее к нарушению равновесия электролитов, замедлению скорости протекания биохимических процессов и вследствие этого к нарушению функции как самих мышечных клеток, так и регуляторных механизмов, управляющих их работой.

Снижение физической работоспособности в условиях повышенной температуры и влажности воздуха является также следствием уменьшения притока крови к работающим мышцам. С целью предотвращения перегревания организма система терморегуляции, не имея собственных исполнительных механизмов, использует другие системы и, в частности, кровообращение. Для усиления теплоотдачи с поверхности кожи расходуется до 20-25% минутного объема кровообращения. В результате, значительное количество крови (5-8 л/мин) не поступает к работающим мышцам. Это, в свою очередь, уменьшает доставку кислорода к мышечным клеткам и снижает их аэробную работоспособность.

7.2 Физическая работоспособность в условиях пониженного атмосферного давления (среднегорья)

Находясь на высотах выше уровня моря, спортсмен вынужден выполнять интенсивные физические нагрузки в условиях пониженного атмосферного давления (гипобарии) и сниженного парциального давления кислорода (гипоксии), то есть в условиях гипобарической гипоксии. С увеличением высоты, на которой находится человек, дефицит кислорода в атмосферном воздухе ведет к снижению парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе, уменьшению его содержания в артериальной крови и, как следствие, ухудшению снабжения тканей кислородом и снижению физической работоспособности при максимальных и субмаксимальных нагрузках. Для спортивной практики наибольший интерес представляют физиологические эффекты среднегорья, на которых часто проводятся соревнования.

При пониженном парциальном давлении кислорода у лиц, выполняющих субмаксимальные аэробные нагрузки без предварительной адаптации к высоте, происходят характерные изменения физиологических функций. Потребность в кислороде при выполнении одной и той же физической нагрузки на высоте 1500-2500 м остается такой же, как и на уровне моря. Поэтому, для того чтобы обеспечить работающий организм требуемым количеством кислорода, уменьшение его молекул в единице объема горного разреженного воздуха должно быть компенсировано соответствующим увеличением легочной вентиляции. В этом и состоит основной физиологический механизм срочной адаптации организма к гипоксическим условиям. Поэтому, если в покое, на высоте среднегорья легочная вентиляция меняется незначительно, то при выполнении мышечной работы она всегда существенно больше, чем на равнине. У одного и того же человека при одинаковой мощности работы минутный объем дыхания тем больше, чем больше высота.

Пониженное насыщение крови кислородом на высоте при выполнении субмаксимальной аэробной работы компенсируется увеличением минутного объема кровообращения, который возрастает за счет увеличения частоты сердечных сокращений при мало меняющемся систолическом объеме. Максимальные величины частоты сердечных сокращений, систолического объема и минутного объема кровообращения на высоте и на уровне моря одинаковы. Однако, при работе в гипоксических условиях предельные величины частоты сердечных сокращений и минутного объема кровообращения достигаются при меньших величинах нагрузки, чем на равнине.

Уменьшение содержания О2, в артериальной крови у человека, находящегося в среднегорье, приводит к уменьшению максимального потребления кислорода. Cущественное для спортивной практики снижение максимального потребления кислорода начинается с подъема на высоты более 1500 м. Далее оно уменьшается примерно на 1% при подъеме на каждые 100 м. Снижение максимального потребления кислорода является основной причиной уменьшения аэробной выносливости человека в условиях среднегорья.

С увеличением высоты, наряду со снижением барометрического давления, уменьшается плотность воздуха и, следовательно, его сопротивление движущемуся телу. Поэтому, в скоростно-силовых упражнения (спринтерский бег, прыжки, метания и др.) и силовых упражнениях, в отличие от упражнений на выносливость, спортивный результат в среднегорье может быть выше, чем на равнине.