Как усилие, необходимое для похода или бега, зависит от величины набора высоты?

Если я совершу определенный поход или пробежку, это потребует определенных усилий, которые можно измерить количеством сжигаемых калорий. Как это усилие зависит от количества восхождений? Есть ли коэффициент пересчета, например определенное количество калорий на 100 метров подъема?

Связанный с этим вопрос, заданный в отношении конкретного похода, звучал так: « Сколько калорий сжигается при походе? »

Я помню такой вопрос по алгебре. Я посмотрю!

Ответы (3)

Предыдущий вопрос побудил меня более глубоко изучить этот вопрос и написать некоторое программное обеспечение с открытым исходным кодом для выполнения соответствующих расчетов, а также научную статью , проверяющую результаты на большом объеме реальных данных от людей, участвующих в гонках. Попутно я узнал, что многое из того, что люди думают об этом предмете, кажется неверным.

Традиционно люди пытались количественно оценить такие вещи, используя два числа, которые можно довольно легко оценить по бумажной топографической карте: расстояние по горизонтали и общий прирост высоты, т. е. сумму всех приращений высоты, не считая ни одной уменьшается. Так, например, если мы начнем с уровня моря, поднимемся на вершину горы высотой 3000 метров, а затем вернемся к нашей исходной точке, общий выигрыш не равен нулю (потому что мы не считаем спуск). , и больше или равно 3000 метров. Это может быть больше, потому что вы можете делать что-то вверх-вниз-вверх-вниз, а не просто неуклонно подниматься на вершину, а затем неуклонно спускаться обратно вниз.

Использование горизонтального расстояния имеет смысл, поскольку лабораторные исследования людей, бегающих и идущих по беговым дорожкам, показывают, что расстояние является чрезвычайно важным фактором. Просто требуется энергия, чтобы поставить одну ногу перед другой.

Но общий прирост оказывается очень плохой мерой расхода энергии. Энергетические затраты на бег или ходьбу действительно зависят от наклона i, но для значений i, обычно встречающихся в реальном мире, эта зависимость от наклона не очень велика. Даже тропа, которую люди воспринимают как очень крутую, обычно имеет уклон всего около 0,03, т. е. 3 метра подъема на каждые 100 метров горизонтального перемещения. Кроме того, большинство пешеходных и беговых маршрутов представляют собой петли или извилистые пути, так что вы окажетесь на той же высоте, с которой начали. За исключением чрезвычайно крутых спусков, спуск болееэффективнее, чем ходьба по ровной поверхности. В результате эффекты любого подъема и спуска имеют тенденцию уравновешиваться, если только местность не является достаточно крутой. С математической точки зрения затраты энергии на метр горизонтального перемещения представляют собой функцию E(i), где i — уклон, и хотя эта функция имеет некоторую кривизну, кривизна не очень сильная, поэтому в большинстве случаев среднее значение E(i) i) и E(-i) довольно близко к E(0) — стоимости плоского похода.

Когда я изучал данные о гонках, я обнаружил, что данные беговой дорожки обычно обеспечивают гораздо лучший прогноз времени людей, чем правило традиционного стиля, в котором набор высоты является единственным фактором. Однако эффективность скоростного спуска в реальных условиях, измеряемая временем забега, оказалась далеко не такой эффективной, как можно было бы подумать, основываясь на измерениях энергии в экспериментах на беговой дорожке. Это может быть связано с такими факторами, как безопасность и этикет. Из-за этого я придумал модель, которая, кажется, лучше соответствует данным. Эта модель включена в код по умолчанию.

Вот три показательных примера выхода модели на человека весом 66 кг:

  • А . Пробежать 20 км по ровной местности. Стоимость: 1130 калорий.

  • Б . Пробегите 10 км вверх по устойчивому склону, набрав 500 метров высоты, а затем снова бегите вниз, общая дистанция 20 км. Стоимость: 1224 калории.

  • С . Пробегите 1 км вверх по холму высотой 500 метров, затем вниз по задней части холма, еще 1 км. (Подъем и спуск оба стабильны.). Пробегите еще 18 км по ровной поверхности, на общую дистанцию ​​20 км и общий прирост 500 метров, как в примере Б. Стоимость: 1478 калорий.

  • Д . Пробегите 20 км вверх по устойчивому склону, набрав 500 метров высоты. Ехать домой на машине. Стоимость: 1286 калорий.

Если мы описываем эти забеги традиционным способом, то A — это 20 км без прибавки, а B, C и D — по 20 км с 500-метровым прибавкой. Однако энергетические затраты B, C и D различны. Я попытался найти простую статистику, которая помогла бы людям более точно охарактеризовать, насколько тяжелым будет определенный бег или поход. То, что я придумал, было тем, что я называю «фактор набора высоты» или CF. Он определяется как доля вашей энергии, которая была потрачена на лазание. Например, если вы сравните прогоны A и C выше, CF для прогона C будет (1478-1130)/1478, или около 24%. Изучая статистику одной из моих любимых трасс рядом с моим домом, которую я считаю довольно холмистой, я был деморализован, узнав, что ее CF составляет всего 3%.

использованная литература

Баумель, Боб, «Эффект Хилла второго порядка», Measurement News, январь 1989 г., № 33, с. 36, http://www.runscore.com/coursemeasurement/MeasurementNews/033_89a.pdf

Баумель, Боб и Джонс, Алан, «В ​​гору, спуск и Бостонский марафон», Measurement News, март 1990 г., № 40, с. 15, http://www.runscore.com/coursemeasurement/MeasurementNews/040_90a.pdf

Кроуэлл, «От беговой дорожки к бегу: прогнозирование результатов бегунов», https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.04.03.438339v1 , doi:10.1101/2021.04.03.438339.

Луни и др., «Оценка расхода энергии при ходьбе по ровной поверхности, в гору и под гору, Медицина и наука в спорте и упражнениях», 2019 г., doi:10.1249/mss.00000000000002002

Минетти и др. «Затраты энергии на ходьбу и бег на экстремальных подъемах и спусках», J. Applied Physiology 93 (2002) 1039, http://jap.physiology.org/content/93/3/1039.full

Очень интересно, я обязательно должен попробовать ваш инструмент и посмотреть на эту статью. Один вопрос о C: действительно ли это 1000 м прироста высоты на 1 км горизонтального расстояния, то есть уклон 45 градусов? Это очень круто, вы вряд ли когда-нибудь пойдете по нему прямо, а начнете зигзагами и, конечно, не побежите по нему. Это похоже на пограничный случай, с которым нельзя обращаться так же, как с другими.
@imsodin: Ой, спасибо, это была ошибка. Я изменил и исправил пример.
Мне интересно, повлияли ли на это недавние исследования высокоинтенсивных тренировок? Я знаю, что для ВИТ было обнаружено, что короткий период тренировки очень высокой интенсивности (например, подъем по крутому склону в течение короткого периода) может сжечь столько же (если не больше) калорий, чем длительный период упражнений умеренной интенсивности. Насколько я понимаю, речь идет о периоде «после выгорания». Где ваше тело потребляет большое количество калорий после тренировки.
Прирост на 10%, а затем снижение с разницей в калориях менее 0,3% кажется мне небольшим.
@Liam: То, что Минетти измерил, было энергией, сожженной в четырехминутном испытании, во время самого испытания. Для ходьбы они систематически искали наиболее эффективный темп, а затем собирали данные в этом темпе. Для бега они обнаружили, что затраты энергии на единицу расстояния не зависят от скорости. Если бы был эффект «дожигания», то они бы его не увидели, потому что они не снимали данные после того, как испытуемый сошёл с беговой дорожки.
@Paparazzi: Да, это нелогично.
@BenCrowell Это не просто нелогично, это не соответствует моим предполагаемым усилиям.
Это, безусловно, интересно (+1), и выводы Минетти выглядят хорошо. Интересно, есть ли одна проблема со спуском по сравнению с восприятием на открытом воздухе - это рельеф/сцепление/воздействие: типичная беговая дорожка имеет очень хорошее сцепление, совершенно предсказуемую поверхность и немного пружинит. Типичный след не делает. Постановка ног становится ключевым моментом, что означает, что при ходьбе тратится больше усилий (обратите внимание, что изометрические упражнения по-прежнему требуют усилий). Даже спуск по хорошо покрытой, но влажной дороге требует большей устойчивости, чем на сухой беговой дорожке.
... Рис. 4 Минетти намекает на нечто подобное - по мере того, как спуск становится круче, кривая, показывающая максимальную скорость для данного усилия, переключается с облегчения на усложнение, причем довольно резко. Я подозреваю, что на трассе пик ниже и смещен к нулевому уклону с более быстрым спадом при больших отрицательных значениях. Это соответствует воспринимаемому усилию @paparazzo, даже до того, как вы подумаете, насколько сложно связать воспринимаемое усилие для контролируемого опускания с усилием для подъема (в данном случае веса тела с использованием ног).
@ChrisH: Да, я абсолютно согласен с тем, что качество поверхности имеет значение на спусках, и что это вообще не отражено в данных Минетти. Я подозреваю, что их данные дают довольно хорошее представление о том, что произойдет на крутом спуске в гонке по асфальтовой дороге, но, вероятно, они гораздо менее полезны, если экстраполировать их на бег по пересеченной местности.
@ Бен, это все еще, вероятно, намного лучше в большинстве ситуаций, чем грубый подход, который был бы в значительной степени эквивалентен Нейсмиту, умноженному на постоянную скорость сжигания калорий, хотя очень пересеченная местность может начать приближаться к последнему. К сожалению, данные реального мира трудно получить, и они будут беспорядочными.
Это кажется мне очень сомнительным в отношении A и B. Фактически нулевой эффект от подъема, а затем опускания создает впечатление, что, возвращаясь вниз, вы возвращаете свои калории. Когда все тонкие аргументы исчерпаны, вот к чему все сводится. И на самом деле, посмотрите на D, где вы не опускаетесь вниз, и у вас есть дополнительные 800 калорий. Но вы не получаете обратно калории, потому что мышцы животных не являются гравитационными накопителями, такими как перекачка воды в гору, и даже они не работают почти со 100% эффективностью, как предполагает B.
@ItalianPhilosophers4Monica: Никто не утверждает, что тело накапливает энергию таким образом. Это просто результаты экспериментов с беговыми дорожками. Если вы не верите документам Минетти и Луни, скажите нам, почему. Если вы им верите, но считаете, что они не всегда могут быть реалистичными для таких условий, как неровные трассы, то я с вами согласен.
3 метра выигрыша на 100 метров пути? Немногие тропы здесь такие плоские. И хотя я не могу считать калории, я обнаружил, что поход по тропе с большим перепадом высот занимает больше времени.
Должен согласиться с Лореном, наклон 0,03 мы бы считали плоским...
@LorenPechtel фактор времени хорошо известен; различные оценки были сделаны за эти годы. Я также ожидаю, что бег и пеший туризм в какой-то момент будут расходиться как по крутизне, так и по неровностям - участвуя в гонке, вы можете работать с постоянным усилием и не останавливаться; походы, как правило, поддерживают почти постоянную скорость движения и, вполне вероятно, останавливаются на подъемах, но не настолько, чтобы восстановить среднее потребление калорий.
@ItalianPhilosophers4Моника Минетти не говорит, что вы все вернете, но бег под гору требует меньше энергии, чем бег по ровной поверхности. И это изначально имеет смысл - на ровной поверхности с каждым шагом вы запускаете себя вверх, а на спуске это усилие запуска больше направлено вперед, поэтому, чтобы получить такой же шаг, вам не нужно сильно отталкиваться. Для оптимального спуска по асфальту скорость ограничивается сцеплением при посадке IME - спуск, который я, скорее всего, проеду, склонен к скользкости и составляет -5-10%; это разрушает интервальную сессию, так как быстрый темп = усилие восстановления, но тяжелое усилие слишком быстро
Мне нужно перечитать Минетти и хорошенько подумать, но их способ поиска и выборки лучших усилий может оставить некоторое пространство для восстановления, которое не учитывается (эквивалентно тому, когда я еду на велосипеде в гору и не восстанавливаю свою скорость, когда как только он сгладится, потому что субъективное усилие должно соответствовать изменению наклона)
Интересно, что рис. 4. Минетти имеет мимолетное сходство с функцией пешего туризма Тоблера , отмечая, что различные единицы Y могут быть преобразованы, предполагая постоянное усилие. Пик эффективности Минетти смещается на более крутой спуск, но он смотрит на бег, а не на пеший туризм; это кажется разумным IME
@ChrisH Почти постоянная скорость движения во время похода? Это совершенно чуждо моему опыту, если есть какой-то заметный наклон. Правда, я живу в явно не ровном районе. Я не могу придумать стандартный поход здесь с набором высоты менее 500 футов, я бы сказал, что средний показатель для зимних походов составляет более 1000 футов, а летом - более 2000 футов.
@ChrisH Ваша точка зрения о трении, я думаю, имеет существенное значение. Мой опыт почти 100% на местности, где рыхлая скала является проблемой. Я знаю людей, которые убегают туда, и я также знаю людей, которые оказались в больнице, потому что камень соскользнул, когда они наступили на него. Двигаясь достаточно медленно для безопасности, я считаю, что спускаться по склону немного легче, чем по ровной поверхности.
@Loren Возможно, я пропустил предположение о походах по тропам, где вы можете поддерживать ритмичный шаг. Если они не крутые, то движение с той же скоростью кажется правильным, хотя средняя скорость падает с отдыхом. Наступает момент, когда скорость движения падает, но это имеет тенденцию быть довольно крутым на ровном пути, в меньшей степени на пересеченной местности, что может объяснить разницу. Ступенчатые пути или схватки, очевидно, намного медленнее. Кажется, что данных о пересеченной местности практически нет, но, безусловно, утомительно пробираться вниз по рыхлому материалу.
@ChrisH Я определенно согласен с достаточно пересеченной местностью. Как только дело доходит до того, что мне нужно искать хорошую опору (вместо того, чтобы просто не наступать на плохую опору), уровень усилий резко падает. Помимо этого, я думаю, у нас есть проблема с точным определением «крутой». Обратите внимание, что некоторые из нас находят 3 метра из 100 в основном плоскими.
@Loren в условиях, к которым я привык, эти 3% будут заметны в усилии, но не в скорости для меня и групп, с которыми я обычно хожу. К тому времени, когда вы доберетесь до 10%, это будет тяжелая работа и медленнее. Но я не уверен, что стал бы использовать безоговорочное «крутой» даже в этом случае. У нас здесь нет высоких гор, но наши горные хребты, как правило, достигают 15% + почти на любом маршруте вверх.
@ChrisH 10% больше подходит для большинства вещей здесь, и я, конечно, не чувствую, что восстанавливаю энергию - по крайней мере, я чувствую, что трачу немного, чтобы бороться с гравитацией и не выходить из-под контроля. Небольшой наклон вниз дает энергию, но это довольно редкое явление.
@LorenPechtel Я думаю, что мы с тобой здесь довольно близки; Minetti идет немного дальше с улучшенной эффективностью примерно до -20%, измеренной на самых гладких поверхностях - вам даже не нужно смотреть, куда вы ставите ноги на беговой дорожке. Я только что заметил, что выше на рис. 4 Минетти говорит, что при уклоне -0,25 вертикальная составляющая скорости составляет 2,1 м/с. Это очень быстро падает, что маловероятно для реальной местности, за исключением того, что это делают бегуны по осыпям (видео) . Я пробовал это много лет назад, без усилий, весело, очень страшно
... Поправка Ленгмюра к Нейсмиту является приблизительной, но говорит, что между -5 ° и -12 ° вы быстрее (поход), круче, чем -12 °, вы медленнее. 12° составляет около 21%. Это прерывисто, так что это явно неправильно, даже если использовать полезное эмпирическое правило: на 11,9° вы быстрее, чем на плоскости, на 12,1° медленнее! Разница в высоте камешка на шаг. Должен быть плавный переход между более быстрым и более медленным режимами спуска. Это также будет зависеть от нагрузки: походы с тяжелым рюкзаком против сверхлегкого влияют на технику спуска.
Процитируйте примечание 15 в статье Википедии о предпочтительной скорости ходьбы , которая может быть особенно уместной: Стоимость ходьбы вниз по склону: является ли предпочтительная походка энергетически оптимальной? . Здесь обсуждается устойчивость (рельеф) при спуске. (Извините, @BenCrowell, за такое обсуждение вашего ответа, но я думаю, что это актуально, а не самостоятельный ответ)

Короткий ответ: каждые 100 м подъема требуют столько же усилий, сколько 0,8 км бега (в пересчете на калории). В зависимости от скорости, рельефа местности, наклона, эффективности набора высоты и т. д., это может быть эквивалентно бегу/ходьбе на 0,4 км.

Длинный ответ:

Согласно нескольким калькуляторам походов, каждые 100 м подъема прибавляют 0,4 км к вашему походу: Пример:

  • 10 км + 250 м набор высоты: 10 км + 2,5 (100 м) * 0,4 км = 11 км

Другими словами: дополнительные 250 м подъема равны калориям дополнительного 1 км.

Кажется, что при беге увеличение высоты требует больше усилий. Высококвалифицированные спортсмены-горные бегуны утверждают, что в среднем горном полумарафоне каждая 1000 м подъема добавляет от 30 до 50 минут времени (скажем, в среднем 40 минут). Этот «штраф» рассчитывается как эквивалент добавления 0,8 км на каждые 100 км подъема к вашему пробегу следующим образом:

Активность с выносливостью-VO2max Dist./ Elev. / Время / Скорость

  1. Полумарафон (с закруглением) без высоты: 20 км / 0 часов / 90 минут / 13 км/ч
  2. Полумарафон на высоте 1000м: 20км / 1000ч / 130мин / 9,2км/ч
  3. Продолжительный бег на полумарафонской скорости: 28,2 км / 0 ч / 130 мин / 13 км/ч

==> Утверждается, что спортсмен может продолжать бежать со своей лучшей полумарафонской скоростью 13 км/ч в течение 90 минут, а также в течение 130 минут, пока он ровный (и сжигать такое же количество калорий на километр, пока он бежит по прямой). плоский).

Пример: 10 км + 250 м набора высоты: 10 км + 2,5 (100 м) * 0,8 км = 12 км Другими словами: дополнительные 250 м набора высоты равны калориям дополнительных 2 км.

Дальнейшее чтение:

Привет -- Добро пожаловать на outdoors.SE! Мне жаль приветствовать вас отрицательным голосом, но ваша наука просто неверна. Вы даете в конце четыре ссылки, из которых только одна приводит какие-либо доказательства, научная статья Looney et al. Луни воспроизводит результаты Минетти, как указано в моем собственном ответе. Эти данные противоречат утверждениям в вашем ответе. Данные показывают, что общий расход энергии на замкнутом круге (как в вашем примере с полумарафоном) является сильно нелинейной функцией уклона. Это означает, что его нельзя смоделировать с помощью простого линейного правила, как вы предлагаете.

Давайте применим другой подход и посмотрим на физическое число перемещения человека массой 66 кг на высоту 1000 м.

Уравнение для расхода энергии: сила х расстояние или, в данном случае, масса х ускорение х расстояние. Подставляя числа 66 x 9,8 x 1000, вы получаете

646800 Джоулей .

Ух ты! Это много. Однако это не калории, а энергетические затраты на нагрев 1 г воды на 1 градус . А на самом деле пищевая калория - это килокалория

По историческим причинам широко используются два основных определения калорийности. Малая калория или граммовая калория (обычно обозначаемая как кал) — это количество тепловой энергии, необходимое для повышения температуры одного грамма воды на один градус Цельсия (или один кельвин). 1 Большая калория, пищевая калория или килокалория (Cal, калория или ккал), наиболее широко используемая в питании, 4 представляет собой количество тепла, необходимое для того, чтобы вызвать такое же увеличение в одном килограмме воды. 5 Таким образом, 1 килокалория (ккал) = 1000 калорий (кал). По соглашению в пищевой науке большую калорию обычно называют калорией (некоторые авторы используют заглавную букву C, чтобы отличить ее от меньшей единицы). 6В большинстве стран на этикетках промышленных пищевых продуктов требуется указывать пищевую ценность в (килограммах или больших) калориях на порцию или на вес.

Калорийность относится непосредственно к метрической системе и, следовательно, к системе СИ. В научном сообществе он считается устаревшим с момента принятия системы СИ, но все еще используется. 4 Единицей энергии в системе СИ является джоуль. Одна калория определяется как ровно 4,184 Дж, а одна калория (килокалория) равна 4184 Дж.

Итак, 646800 Дж / 4184 => 154 калории при 100% термодинамическом КПД необходимо, чтобы поднять 66 кг массы на высоту 1000 м.
Это не зависит от горизонтального расстояния, поэтому его отношение к ходьбе, бегу или скалолазанию на Эль -Капитане неясно . Но он дает базовые данные о порядке величины прилагаемых усилий .

А как насчет 100% эффективности? Что ж, оказывается, эффективность человеческих мышц в основном составляет около 20% .

Или...

ЭффективностьЭффективность человеческих мышц была измерена (в контексте гребли и езды на велосипеде) от 18% до 26%. Эффективность определяется как отношение объема механической работы к общей стоимости метаболизма, которую можно рассчитать по потреблению кислорода. Эта низкая эффективность является результатом около 40% эффективности производства АТФ из энергии пищи, потерь при преобразовании энергии АТФ в механическую работу внутри мышц и механических потерь внутри тела. Последние две потери зависят от типа упражнений и типа используемых мышечных волокон (быстро сокращающиеся или медленно сокращающиеся). При общем КПД 20 процентов один ватт механической мощности эквивалентен 4,3 ккал в час. Например, один производитель гребного снаряжения калибрует свой гребной эргометр для подсчета сожженных калорий, в четыре раза превышающего фактическую механическую работу. плюс 300 ккал в час,[18] это составляет около 20 процентов эффективности при механической мощности 250 Вт. Выход механической энергии циклического сокращения может зависеть от многих факторов, включая время активации, траекторию напряжения мышц и скорость нарастания и спада силы. Их можно синтезировать экспериментально, используя анализ рабочего цикла.

Таким образом, вы можете приблизительно оценить, что 150 (К) кал полезной работы требует 750 К (кал) затрат энергии.

Или, возвращаясь к исходному вопросу, если бы вы весили 66 кг, можно было бы ожидать, что вы будете сжигать порядка 75 дополнительных калорий на каждые 100 м перепада высот. С, и я признаю, что это предположение, относительно ограниченный эффект от падения, а не остановки на вершине.

Сравните это теперь с ответом A vs D Бена. 1130 для 20к без подъема, 1876 для 20к с набором высоты 1000м. 1876 ​​- 1130 => 746 тыс. кал.

Принимая во внимание, насколько пропорционально важен чисто физический компонент перемещения массы вверх в этих расчетах, я весьма сомневаюсь в каких-либо выводах, сообщающих о почти нулевом эффекте расхода калорий от нулевых схем увеличения высоты.

Это потребовало бы использования исключительно накопленной энергии, чтобы вернуться вниз, и это интуитивно имеет очень мало смысла в контексте мышечного усилия. В отличие от, скажем, закачки воды в плотину, которую иногда рассматривают для хранения энергии из возобновляемых источников.

Ваша теория правдоподобна, но она противоречит экспериментальным данным Минетти, которые также были воспроизведены Луни и др. Когда теория расходится с экспериментом, отбрасывается именно теория. Минетти и Луни не утверждают, как и я, что спуск всегда отменяет подъем. Компенсация считается хорошим приближением только тогда, когда наклон относительно мал. Тот факт, что компенсация является хорошим приближением для малых наклонов, сохраняется просто потому, что график зависимости энергии от наклона дифференцируем около нуля.
Этот ответ выиграет от сравнения с усилием, используемым для горизонтального перемещения. Без этого контекста мы не знаем, составляет ли скалолазание малую или большую долю прилагаемых усилий. Если бы подъем был небольшой долей, изменения эффективности в основной массе движения вперед из-за спуска могли бы легко противодействовать этому. Проблема интересна именно потому, что мы часто не можем сделать такое предположение.
Как усилие, необходимое для похода или бега, зависит от величины набора высоты?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v