Мощность в беге — начало

Что я знаю про мощность? Что-то из школьного курса по физике. То, что на моей кухне чайник — самое мощное устройство. А ещё что это основной параметр, вокруг которого строится практически всё у велогонщиков. Примерно такие первые мысли появились, когда стало известно, что компания STRYD предоставляет каналу “Бегать просто” образец для всестороннего тестирования.

Действительно, вроде бы всё просто:

Мощность = Работа /время

Работа = Сила * расстояние

Сила = масса * ускорение

итого имеем

Мощность = масса*ускорение*расстояние/время

2й закон Ньютона F=m*a

Но это для “материальной точки” (в школе у меня по физике была пятёрка)! И если велосипедист вполне себе сойдёт за такую плотную точку (формой посадки и однотипностью относительно простых движений), то любой бегун — это уже маятник или даже система маятников… и чем хуже ваша техника бега, тем больше в той системе тех маятников. “Размерами, формой, вращением и внутренней структурой которых никак нельзя пренебречь”. Собственно, это и было причиной тотального доминирования “мощемеров” в велоспорте и их полное отсутствие до недавнего момента в беге.Прежде чем начать делиться своими личными впечатлениями от устройства (а я уже какое-то время использую датчик мощности STRYD на всех своих тренировках и соревнованиях), требуется копнуть немного теоретическую базу. Приводить информацию с официального сайта компании я посчитал некорректным. Возможно, я сделаю это позже, когда буду рассказывать про свой опыт и сравнивать с тем, что обещают производители. Нужен другой источник. Поизучав интернет, я к своему великому удовольствию обнаружил, что один из моих любимейших авторов Алекс Хатчинсон (да, опять!) уже “надкусывал” идею беговых мощемеров аж в 2018 году. Статья как по заказу: подымает схожие и отвечает на некоторые мои вопросы. Я считаю, она великолепно подойдёт как “вводная часть”. Тем более там ссылаются и на датчик STRYD тоже.

Важно: скорее всего, в той статье описывается первая версия устройства STRYD, у меня же на руках уже третья. Что-то несомненно поменялось или добавилось, но для теории это непринципиально!

Итак.

Дебаты про беговую мощность в очередной раз вспыхнули с новой силой, когда техно-блогер Рей Мейкер опубликовал сравнение трех устройств: от STRYD, Garmin и runScribe, все обещали измерить, сколько “энергии” вы генерируете во время бега. “У кого-нибудь есть какие-либо идеи о том, почему люди считают, что оценка механической мощности во время бега полезна?” — спросил в Твитере Макс Донелан, профессор нейромеханики из Университета Саймона Фрейзера в Канаде. — “В отличие от езды на велосипеде, здесь почти нет чистой внешней механической работы.” Ответ от кого-то из STRYD вынесен в заголовок этого параграфа.

Алекс следил за развитием беговых устройств для измерения мощности с 2014 года, когда первый прототип от STRYD попал ему на глаза. Это действительно одно из немногих “меняющих игру” технических решений в последнее время. Подстрекаемый твитом Донелана, он потратил время на изучение вопроса практической ценности “мощеметров” и общение с обладающими экспертизой людьми. Окончательного ответа на вопрос Алекс так и не получил, но сформулировал некоторые интересные мысли о том, чем является измеритель мощности в беге.

Датчики мощности для велосипедов существуют с 1980-х годов. Они измеряют механическую работу, которую вы выполняете при вращении педалей, через измерение изгиба шатунов (или по другому, в зависимости от принципа действия используемого датчика). Если вы едете на велосипеде с мощностью 250 Вт, это означает, что вы выполняете 250 джоулей работы (или около 0,06 калории) в секунду, вращая педали, что в основном связано с преодолением сопротивления воздуха (на равнинах и спусках) или гравитации (на подъемах).

Чем это знание полезно? Это даёт вам возможность в режиме реального времени измерять, насколько усердно работает ваше тело. Если вы знаете, что способны выдерживать 250 Вт в течение часа, то можно использовать показания измерителя мощности, чтобы поддерживать свои усилия на этом уровне. Даже когда встречный ветер или холмы, и ваш темп падает, а частота сердечных сокращений растёт.

Photo by Óscar Aguilar Elías on Unsplash

Тонкое слабое место здесь — это предположение, что ватты, которые вы подаете на педали (механическая мощность), один в один соответствуют работе вашего тела в целом, точнее скорости, с которой вы сжигаете пищевую энергию (метаболическая мощность). Именно метаболическая мощность определяет, как быстро вы устанете, превышаете ли вы свой порог лактата и “капнете”. Единственный способ рассчитать метаболическую мощность — это газоанализатор: тщательно измерить кислород и углекислый газ, которые вы вдыхаете и выдыхаете. Та самая громоздкая маска и другое оборудование из спортивных клиник для теста VO2max (МПК): для расчета метаболической мощности.

Но тот же Хатчинсон в своей книге “Выносливость” пишет, что сама измеренная величина VO2max ничего не скажет нам про конечный результат на дистанции. Надо понимать, на что тратится вся эта энергия.

Эффективность человека в лучшем случае 25 процентов. Это означает, что при движении около четверти нашей метаболической энергии преобразуется в чистую механическую энергию. Остальная часть рассеивается в виде тепла. Точное соотношение зависит от типа работы ваших мышц. Концентрические сокращения (типичными такими движениями являются поднятие веса или нажатие на педаль) наиболее эффективные (~25%). Изометрические сокращения (это когда вы прилагаете усилие, но ваши мышцы не двигаются, например, “толкаете стену”) потребляют метаболическую мощность, но не выдают никакой механической мощности. Эксцентрические сокращения (все тормозящие движения, такие как опускание веса — сила прикладывается в одну сторону, а движение в противоположную) имеют отрицательную эффективность (около -120%). А ещё есть вклад от сухожилий и других соединительных тканей, которые могут накапливать энергию как пружина, а затем выдавать механическую мощность, не потребляя никакой метаболической энергии.

Если вы едете на велосипеде с мощностью 250 Вт, то невозможно точно узнать, какая у вас метаболическая мощность в данный момент (или, другими словами, сколько калорий вы сжигаете прямо сейчас). Вероятно, это где-то между 1000 и 1200 Вт. Только ваш датчик мощности на педалях не скажет вам точное число. Вот так вот всё сложно. Однако для велоспорта есть решающий нюанс — ваша метаболическая эффективность остается практически постоянной при любых условиях. Это обусловлено велосипедом: вращение педалей требует практически одного и того же паттерна движения на холмах и равнинах, гравии и асфальте, при встречном ветре и так далее. Разницы нет. Если счетчик показывает 250 Вт, это будет плюс-минус одна и та же метаболическая мощность, соотношение будет идентичным при любых условиях. Что и доказано практикой: в велоспорте мощность является хорошим показателем того, сколько энергии вы потребляете.

Измеритель мощности для бега привлекателен ровно по тем же причинам: для оценки затрачиваемых калорий в режиме реального времени. Так почему же потребовалось так много времени, чтобы мощность пришла в бег (1980s >>2010s)? Прежде всего (и я об этом догадался во вступлении) из-за сложности измерения по сравнению с ездой на велосипеде. В беге присутствует внутренняя работа (руки-ноги качаются вперед и назад) и внешняя работа (центр масс двигается вверх и вниз); есть положительная работа (отталкивание с каждым шагом) и отрицательная работа (торможение при приземлении); есть значительный вклад от упругой энергии, накопленной в ваших сухожилиях и помогающей при отталкивании (как здесь не вспомнить “карбоновый рассвет”). По некоторым оценкам накопленная и высвобожденная таким образом энергия может составлять до половины мощности, необходимой для каждого шага.

Нет ни одного единого устройства, которое могло бы учесть вклад абсолютно всех этих составляющих. Техническим прорывом здесь стало появление огромного разнообразия носимых акселерометров и других подобных датчиков. Они могут измерять ваш шаг и движение центра масс с достаточной детализацией и позволяют оценить большую часть сложных движений в общей корзине мощности. Можно сравнить показания этих счетчиков с измерениями мощности на дорогостоящих беговых дорожках лабораторного стандарта, которые стоят сотни тысяч долларов — и корреляция довольно хорошая. Что же, теперь проблема решена?

Но возражение, выдвинутое Максом Донеланом и другими биомеханиками в той дискусии, на самом деле касается не самого способа измерения мощности и возможности его реализации. Вопрос — что означает эта мощность? Основополагающее предположение по-прежнему заключается в том, что механическая мощность во время бега пропорциональна общему потреблению энергии организмом, как и при езде на велосипеде. Но это всё ещё не доказано. Как утверждается в одной из многочисленных работ на эту тему: “измерения механической работы всего тела не могут объяснить, как величина потребления метаболической энергии изменяется со скоростью перемещения или размером животного.” Или как резюмировал Донелан: “Критика использования механической мощности в беге заключается не в том, насколько хорошо современные устройства оценивают ее, а что даже идеально точные измерения не соответствуют полностью вашим усилиям в беге.”

Алгоритм датчика STRYD, как объяснила компания, использует только положительную часть механической мощности. То есть показывает, сколько энергии вы произвели, чтобы оттолкнуться от земли. На первый взгляд это кажется разумным. Лабораторные данные от STRYD показывают хорошее совпадение с измеренным общим потреблением энергии на различных скоростях.

Сравнение метаболической цены (по вертикали, потребление кислорода VO2 в мл/кг/мин) с выдаваемой мощностью (по горизонтали, Вт/кг). Датчик STRYD показывает 96% корреляцию.

Но в отличии от велоспорта здесь нюанс “проблемный” — соотношение между механической мощностью и общим потреблением метаболической энергии при беге не остается постоянным при изменении условий. При забегании в крутые холмы, вклад упругой энергии (бонус от ваших сухожилий-пружинок) становится все более незначительным. На склоне в 30 процентов у вас уже не будет никакого отскока. На спусках ваши мышцы выполняют всё меньше позитивной работы и по достижении примерно 15-процентной отметки уклона выполняют уже только негативную работу — тормозя со спуска. Концепция STRYD’a c измерением только положительной механической мощности вашего центра масс не справится с этими кейсами. Они сделали по-другому.

Во время разработки устройства тестировали бегунов на наклонных беговых дорожках: снимали показания с датчиков STRYD и одновременно измеряли газоанализатором состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. По количеству кислорода и углекислого газа рассчитывали фактические затраты энергии и использовали эти данные для корректировки алгоритма датчика, чтобы дать “правильные” ответы. Говоря проще, на ровной поверхности они измерили беговую мощность (скажем, 200 Вт) и отметили, что это соответствует заданной скорости потребления метаболической энергии (скажем, 1000 Вт). На наклонной беговой дорожке они увеличивали скорость и угол наклона полотна до тех пор, пока потребление метаболической энергии не достигло 1000 Вт, а затем, для согласованности, запрограммировали алгоритм, чтобы в таких условиях он показывал мощность 200 Вт.

С научной точки зрения число, которое показывает ваш измеритель мощности, бессмысленно. Даже на ровной поверхности “положительная внешняя механическая мощность” STRYD представляет собой неопределенную мешанину из вкладов мышц и упругого ответа сухожилий. И не является точной величиной затрачиваемой вами энергии. А на холмах вы видите “положительную внешнюю механическую мощность, которую я бы генерировал на ровной земле, если бы я сжигал энергию с той же скоростью, с которой я сжигаю в данный момент.” Алекс Хатчинсон не знает внутренних алгоритмов датчиков от Garmin или runScribe, но все сталкиваются с одной и той же дилеммой: либо вы измеряете механическую мощность, либо оцениваете текущую метаболическую мощность, и то, и другое одновременно — невозможно .

С практической же точки зрения, а важно ли это на самом деле? По сути показания датчика от STRYD или его аналогов — это оценка потребления метаболической энергии в реальном времени, счетчик калорий, оптимизированный для бега. Практически эквивалентный возможности носить с собой на любую тренировку лабораторию по измерению VO2max. В отличие от пульсометров он мгновенно реагирует на изменения скорости. В отличие от темпа на ваших GPS-часах он отражает изменение ваших усилий при подъеме и спуске с холмов. В отличие от вашего внутреннего чувства оно не обманывает.

Рассмотрим данные, собранные Хансом ван Дейком, голландским ученым, который в соавторстве написал книгу The Secret of Running. Он и его коллеги попробовали привнести в бег методику велосипедистов, которые используют мощность как инструмент для регулирования своей посадки для повышения эффективности. Учёные попросили группу бегунов целенаправленно увеличивать или уменьшать частоту шагов (примерно на десять шагов в минуту в плюс или в минус от их привычного каденса). Они измеряли эффективность двумя различными способами: снимая кислород и углекислый газ газоанализатором для расчета потребления энергии и измеряя мощность с помощью STRYD.

Синяя линия — газоанализатор, красная — STRYD. По горизонтали: низкий, привычный и высокий каденс. По вертикали: изменение по сравнению с нормой.

Газоанализатор показывает ожидаемую картину: бегуны были наиболее эффективны в привычном им режиме бега; принудительное увеличение или уменьшение частоты шагов (на 10 шагов в минуту) заставляло их потреблять больше энергии в том же темпе.

Но красная кривая, рассчитанная по данным с датчика мощности STRYD, показывает иную картину: увеличение частоты шагов снижает энергопотребление и экономит энергию. Специалисты, с которыми Алекс обсудил эти данные, объяснили это как артефакт неспособности датчика мощности учитывать накопленную и высвобождаемую сухожилиями упругую энергию. Высокий каденс уменьшает движения вверх и вниз в каждом вашем шаге, поэтому мощеметр считает, что вы становитесь более эффективными. Но не понимает, что вы теряете вклад “бесплатной” энергии, возвращаемой вашими сухожилиями.

Как и обещал, Алекс Хатчинсон не делает однозначных выводов. Лично он считает (я с ним в этом солидарен), что внутренний счётчик, чувство бега и темпа остаётся самым важным прибором, что у нас есть. Однако наличие объективных данных как дополнительной метрики, которая поможет мгновенно откалибровать своё внутреннее ощущение — это дополнительная приятная опция, которой глупо не пользоваться. Особенно в непривычных условиях, где чувства могут подвести. Особенно новичкам, которые ещё не сформировали “чувство бега” (а это может занять годы). Так же мощность поможет объективно сравнить свои результаты с плоского асфальтового марафона и дождливого трейла в горах.

Настоящим учёным по-прежнему будет резать ухо, что эту метрику называют “мощностью” — термином, что несет в себе ранее существовавшее значение. Например, Nike назвала схожую метрику “NikeFuel”, а не мощность. Это ясно дает понять, что она предназначена для отслеживания калорий в реальном времени. Но кто вспомнит о таком занудстве, когда STRYD в конечном итоге “решит реальные проблемы спортсменов”.

Приступаю к тесту

Продолжение следует…

Run Eat Sleep Repeat