Математическогоимитационного моделирования

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 РГАФК бы­ла разработана компьютерная мате­матическая модель, имитирующая долговременные адаптационные про­цессы. 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, массы желез эндокринной системы, костного мозга, концентрации анти­генов в крови.

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 стало целью специаль­ного исследования.

Исследование выполнялось с по­мощью математической модели, имитирующей долговременные адаптационные процессы в организ­ме человека (МИДА). Расчеты выполнялись на ЭВМ IBM (286-й и 386-й моделей). 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 порога - 20%. Наиболее адекватными средствами для имита­ции являются 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). Расчеты показывают, что всего надо было рассчитать 10 • 9 • 7=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).

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

 

 

 

 

На рис. 7 представлены графи­ки изменения масс миофибрилл (МФ), митохондрий (MX) и эндок­ринной железы - адаптационный ре­зерв (АР) организма. Данные на этих графиках представляют ре­зультат вычисления годичной трени­ровки спортсмена с достаточно вы­соким уровнем физической подгото­вленности, примерно II разряд по легкой атлетике. Причем данные графиков были выбраны из множе­ства других вычислений при задан­ной интенсивности и разной продол­жительности, а именно от 2 до 240 мин. На рис. 7 наносились значе­ния, соответствующие наивысшему эффекту по сохранению или увеличению адаптационного резерва ор­ганизма.

После нанесения на рис. 7 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 пока­зывают, 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 мин выра­жают суммарный итог той части от­дельных упражнений, которые вы­звали существенный стресс и выход большого количества гормонов в кровь/

 

 

 

 

На рис. 8 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 мин. 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%, замедляется и при выполнении физической нагрузки продолжительностью 8-3 мин сни­жается всего лишь на 3%.

 

 

 

На рис. 9 представлены дан­ные расчетов для микроцикла из одного дня тренировки и трех дней отдыха. В этом случае рост адап­тационных возможностей орга низма 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 мин.

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 продолжительности вы­полнения физических упражнений 90 мин. 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 мин.

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

 

 

 

 

На рис. 10 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 мин.

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

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 в на­шем примере увеличивается 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 имеющегося за­паса 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 I-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 поддержа­ния 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 достижения все более высоких спортивных результатов. 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 стре­миться 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.