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.