СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ КАРДИОРЕСПИРАТОРИКИ И ТЕПЛОГЕНЕРАЦИИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НИЗКИХ ПЛЮСОВЫХ И МИНУСОВЫХ ТЕМПЕРАТУР ВОДНО-ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ В СТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЯХ ЛЕДЯНОГО БАССЕЙНА ВО ВРЕМЯ КРУГЛОГОДИЧНЫХ ЗАНЯТИЙ И СОРЕВНОВАНИЙ АТЛЕТИЧЕСКИХ ПЛОВЦОВ Российский патент 2005 года по МПК A61H1/00 A63B22/00 

Изобретение относится к способу регулирования устойчивости кардиореспираторики и теплогенерации организма человека при воздействии на него низких плюсовых и минусовых температур водно-воздушной среды, а также определения температурных градаций водной среды и учета энерготрат на массу тела по Формуле Орлова при круглогодичном атлетическом плавании в стационарных условиях Ледяного Бассейна, и может использоваться в физической культуре и спорте как принудительно-рефлекторное противостояние экстремальным температурным факторам водно-воздушной среды.

Из уровня техники известен способ круглогодичного комплексного закаливания и ледяной бассейн с отделениями русской бани и финской сауны, фитоблоком и ультрафиолетовыми источниками для его методичного осуществления (пат. РФ №2116097 А 63 В 2/00, Е 04 НЗ /16), принятый в качестве наиболее близкого аналога.

Способ включает осуществление занятий с проведением закаливающих тренингов, выполнение упражнений при воздействии разнообразной (заданной) водно-воздушной среды, плавание, проведение физиопроцедур, воздействие ультрафиолетового излучения с индивидуальным подбором, оказание помощи по преодолению "холодовой" боязни, регулирование контрастных температур водно-воздушной среды до экстремальных значений и использование фитосреды с индивидуальным подбором ее состава, использование тренажеров в стационарных условиях; применение фитосреды, последующее прохождение зеркальных воздушно-адаптационных гротов с различной низкой температурой и различной степенью ультрафиолетового излучения в каждом из них и последующее купание в Ледяном Бассейне; посещение русской бани с применением фитосреды и последующее купание в Ледяном Бассейне; посещение финской сауны с применением фитоингаляционных процедур и последующий закаливающий бег по беговым дорожкам; проведение занятий и соревнований "моржей" по зимнему плаванию независимо от сезона с использованием разнообразных тренинговых дисциплин.

Недостатком известного способа является то, что при осуществлении комплексного закаливания, включая занятия и соревнования "моржей" по зимнему (низкоамплидудному - как правило, кроль или брасс) плаванию, противостояние температурному фактору водно-воздушной среды (гипотермии) достигается в основном за счет методичных тренировок круглый год, а не за счет воздействия на устойчивость кардиореспираторики и теплогенерации организма человека путем активного перераспределения кровотока и принудительно-рефлекторного производства тепла с помощью атлетического (высокоамплидудного) плавания и сопутствующих упражнений на суше на спортивных устройствах и тренажерах с периодическим изменением от вертикального до горизонтального положения тела пловца, а также не за счет спецэкипировки и спецпитания при необходимости, с применением разрешенных медикоментозных препаратов и средств.

Также недостатком известного способа является и тот факт, что при проведении занятий и соревнований "моржей" по зимнему плаванию в стационарных условиях Ледяного Бассейна полностью отсутствует система учета энерготрат на массу тела по принципу сопряженного расчета теплообмена.

К недостаткам известного способа относится и то, что в закал-тренинговых дисциплинах, включая занятия и соревнования "моржей" по зимнему плаванию, используются условные температурные градации водной среды, такие как ледяная и студеная вода, имея под собой лишь литературные толкования, как то [1, стр.674]: "Ледяной - 3. Очень холодный. Ледяной ветер. 4. Ледяные пальцы...", вместо научного обоснования или физико-математических расчетов низких температурных границ; в довершение ко всему, существует алогизация в употреблении словосочетания "зимнее плавание", тогда как занятия и соревнования проходят круглый год независимо от сезона в стационарных условиях Ледяного Бассейна, и такое несоответствие отрицательным образом сказывается на психофизике занимающихся и, как следствие, на их результатах.

Задачей изобретения является создание способа противостояния экстремальным температурным факторам водно-воздушной среды путем регулирования устойчивости кардиореспираторики и теплогенерации организма человека активным перераспределением кровотока и принудительно-рефлекторным производством тепла с помощью атлетического плавания и сопутствующих упражнений на суше с периодическим изменением от вертикального до горизонтального положения тела пловца с применением разнообразных спецсредств и предшествующим расчетом энергетических возможностей.

Технический результат, заключающийся в устранении указанных недостатков в способе, содержащем проведение занятий и соревнований "моржей" по зимнему плаванию независимо от сезона в стационарных условиях Ледяного Бассейна с отделениями русской бани и финской сауны с применением ультрафиолетового и фитоингаляционного подборов, а также с применением разнообразных тренингов, достигается за счет того, что он включает атлетическое плавание с высокоамплитудным - от вертикального до горизонтального - изменением положения тела пловца, а именно, попеременным баттерфляй-кроль-баттерфляй... стилем плавания, причем плавание сопровождается обязательным выдохом в воду с целью гипервентиляции легких, с возможным применением очков, термозащитных перчаток, шапочки, тапочек, плавок и плавательных костюмов с целью защиты слабых энергетических зон, а также сопутствующие упражнения на суше с периодическим изменением от вертикального до горизонтального положения тела пловца на спортивных устройствах и тренажерах, спецпитания по необходимости, с применением разрешенных медикаментозных препаратов и средств в стационарных условиях Ледяного Бассейна, а возможности атлетических пловцов определяются по Формуле Орлова с учетом энерготрат на массу тела по принципу сопряженного расчета теплообмена.

Кроме того, технический результат достигается тем, что при определении энерготрат на массу тела по Формуле Орлова физико-математическим расчетом устанавливаются температурные границы водной среды: ледяная вода -от -3°С (морская или подсоленная вода) до +1°С, и студеная вода -от +1°С до +5°С.

Кроме того, технический результат достигается и тем, что приводится в соответствие и само название нового способа, вместо "зимнего плавания" "моржей" - "атлетическое плавание" атлетических пловцов в стационарных условиях Ледяного Бассейна.

Сущность изобретения заключается в следующем.

При преодолении водной дистанции с выполнением сопутствующих упражнений на суше в экстремальных условиях водно-воздушной среды Ледяного Бассейна возникает опасность критического переохлаждения организма человека [гипотермии], особенно при пассивном пребывании в воде или однообразном низкоамплитудном стиле плавания. В первую очередь начинают замерзать конечности ног и рук, так как имеют очень незначительную мышечную массу, и, кроме того, кровь начинает циркулировать по малому кругу, снабжая кислородом в первую очередь мозг, легкие, печень и центральную нервную систему. "...При замерзании учащаются дыхание и пульс, ... а вследствие периодического рефлекторного расширения кожных сосудов возникает ощущение тепла. Но это ощущение обманчиво, т.к. расширение кожных сосудов способствует потере тепла организмом и приводит к еще более сильному охлаждению..." [2, стр.210]. "При пассивном пребывании в холодной воде теплогенерация сначала растет, а потом резко падает, что связано в основном с переориентированием кровотока с большого круга на малый..." [3]. Другими словами, возникает острая необходимость "аварийного" перераспределения обогащенного кислородом кровотока во всем теле, т.е. поддержания устойчивости кардиореспираторики и принудительно-рефлекторной теплогенерации как основных факторов, противостоящих гипотермии. Предлагаемый нами способ позволяет усилить рефлекторную теплогенерацию и повысить адаптационные возможности организма, что связано с более рациональным использованием энергетических запасов и возможностей организма, основываясь на данных [3] по интенсивности основного обмена (ИОО) и изменения его при различных, в том числе и тепловых, нагрузках.

Согласно данным по физиологии человека [3] существует два типа веществ, составляющих его энергетический ресурс. К первому типу относят быстро разложимые вещества, ответственные за рост термогенеза в первые моменты различного рода нагрузок. Они примерно одинаковы для всех людей: это АТФ (энергетический запас 4 кДж) и креатинфосфат (15 кДж). Второй тип запасов расходуется при продолжительной нагрузке или истощении и пропорционален массе тела: это гликоген (4,6 МДж) и жиры (300 МДж). Заметим, что при охлаждении организма жиры практически не расходуются. Возможность же расходования гликогена и определяет степень адаптации человека к холодовым нагрузкам.

Для повышения адаптационных характеристик требуется знать, каков механизм реакций организма на термические нагрузки. Кровеносные сосуды непосредственно реагируют на разность температур тела и окружающей среды под действием кожных холодовых рецепторов [3]. Характерная реакция - увеличение толщины поверхностного слоя, через который происходит теплообмен с окружающей средой, и холодовое периодическое расширение сосудов, обогреваемых потоками крови. Однако защитное действие такого расширения проявляется только у людей, адаптированных к холоду [3], что проявляется в развитии у них недрожательного термогенеза и росте бурой жировой ткани, а также в повышении интенсивности основного обмена /ИОО/. У неподготовленных людей эта реакция при продолжительном холодовом воздействии приводит к увеличению теплоотдачи и усилению гипотермии.

Режимы теплоотдачи и допустимое энергетическое истощение организма определяются как энергетическими запасами, так и условием того, что дыхательная и сердечная мышцы должны всегда находиться в состоянии выше уровня готовности. Согласно данным [3], мышцы потребляют 26% ИОО, печень - также 26%, мозг - 18%, сердце - 9%, почки - 7%. При мышечной работе полезное усилие (к. п.д. клетки) составляет 25%, 60% идет непосредственно на нагрев крови, а остальные 15% расходуются на поддержание работы ЦНС и внутренних органов, согласно вышеприведенным пропорциям. В частности, в покое теплопродукция человека в зоне комфорта составляет в среднем 250 кДж/ч или 70 Вт, а общая интенсивность метаболизма - 110 Вт (для мужчин). При плавании же со скоростью 0.5 м/с общий уровень метаболизма составляет 460 Вт [3], из которых 70+0.6·(460-110)=280 Вт дают вклад в термогенез. Таким образом, правильно спланированная физическая активность, при которой термогенез увеличивается быстрее, чем теплоотдача, способствует повышению ректальной температуры тела и, как следствие, усиливает способность организма противостоять экстремальным холодовым нагрузкам.

Биомеханически принудительно-рефлекторную теплогенерацию возможно осуществить посредством атлетического плавания, которое представляет собой синтез таких стилей как "баттерфляй" и "кроль" с периодическим изменением от вертикального до горизонтального положения тела пловца, задействуя с активно-динамической амплитудой максимальное количество мышц, дополнительно активизируемых сегментов тела, обеспечивая тем самым принудительно-рефлекторную теплогенерацию, мощность которой прямо пропорциональна массе работающих мышц, и повышает интенсивность кровотока во всем теле от пальцев ног и до пальцев рук.

Вместе с этим, осуществляя обязательный выдох в воду при атлетическом плавании, пловец стабилизирует сбившееся дыхание и производит гипервентиляцию легких, чтобы избежать кислородной недостаточности сердечной мышцы и мышц тела.

Аналогичный механизм (принцип) воздействия на кардиореспираторику и теплогенерацию физиологически целесообразно обоснован на суше, когда после произвольной разминки выполняются сопутствующие изменению положения тела атлетического пловца и регуляции устойчивости кардиореспираторики упражнения с периодическим изменением от вертикального до горизонтального положения тела пловца при вращении тела вокруг поперечной оси, например, качания на спине в группировке вперед-назад, кувырки через голову вперед-назад, подъем переворотом на гимнастической перекладине с задержкой ног в верхней фазе, а также педалирование на велотренажере для профилактики насморка (пат. Великобритании №2116097), что, наряду с формированием спортивного настроя, усиления общефизического тонуса, разогрева мышц до появления первого пота, способствует рационально ускоренному перераспределению кровотока во всем теле, так как после таких комбинаций теплоприлив чувствуется во всех конечностях и во всем теле.

Все это вместе взятое, а также применение спецэкипировки - очков, термозащитных перчаток, шапочки, тапочек и плавок (плавательных костюмов) с целью защиты слабых энергетических зон, включая спецпитание и применение разрешенных медикаментозных препаратов и средств, в частности, АТФ с целью компенсации разложения "быстрых" энергетических запасов организма, способствуют регулированию устойчивости кардиореспираторики и теплогенерации организма атлетического пловца в экстремальных водно-воздушных условиях Ледяного Бассейна.

При этом необходимо учесть, что уровень и продолжительность теплогенерации атлетического пловца зависят не только от его физической подготовленности, амплитуды движения и скорости, но и от массы тела и расхода килокалорий на килограмм массы тела с учетом экспериментальных данных по интенсивности основного обмена (фиг.1) в различных (установленных) температурных диапазонах экстремальной водной (воздушной) среды, определяющихся по Формуле Орлова с учетом энерготрат на массу тела по принципу сопряженного расчета теплообмена во время круглогодичных занятий и соревнований по атлетическому плаванию в стационарных условиях Ледяного Бассейна. Формула Орлова определения теплогенерации и теплоотдачи атлетического пловца в зависимости от массы тела, пола, возраста и роста, а также от температурного диапазона водной (воздушной) среды и относительной скорости движения пловца состоит из следующих уравнений:

В этих выражениях приняты обозначения: q_in - тепловой поток на внутреннюю поверхность пойкилотермной зоны вследствие теплогенерации, [Вт/см²]; m, f индексируют соответственно мужчин и женщин; М - масса тела атлетического пловца [кг], А - его возраст [лет], Н - рост [см], w - относительная скорость пловца и водной среды [м/сек]; Т - температура окружающей водной среды [°С]; α - безразмерный коэффициент теплоотдачи (т.н. число Нуссельта [4]), α₀ - число Нуссельта в зоне нормотермии, α_F - коэффициент теплоотдачи при плавании со скоростью w; ξ - толщина пойкилотермной зоны в единицах радиуса R эквивалентного цилиндра, моделирующего тело пловца.

В результате проведения физико-математических расчетов нами установлено, что температурный диапазон экстремальной водной среды имеет свои границы: вода с температурой от -3°С до +1°С считается ледяной, а вода от +1°С до +5°С - студеной. Граница +1°С объясняется физическими свойствами воды: ниже этой температуры ее структура становится близкой к кристаллической структуре льда [5], что изменяет как теплоотдачу, так и механическое воздействие воды на тело пловца. Граница +5°С определяется из условия, что пловец, преодолевающий дистанцию 100 метров со средней скоростью 0,5 метров в секунду (приблизительно за 3 минуты 20 секунд), расходует практически весь основной запас АТФ [3], а внутренняя температура пойкилотермной зоны его тела отвечает состоянию средней гипотермии [3, 6] (не опускается ниже +30°С). Решение нестационарного уравнения теплопроводности [7] в оболочке полого цилиндра, условно моделирующего пойкилотермную зону пловца (фиг.2), толщина которой и граничные условия теплоотдачи и источник теплогенерации определяются по Формуле Орлова, позволяет определить температуру окружающей среды, при которой выполняется вышеуказанное требование отсутствия тяжелой степени гипотермии. Эта температура, оказывающаяся равной +5°С, отделяет диапазон экстремально холодной температурной нагрузки водной среды от остального диапазона просто холодной воды, который определяется на основе физиологических данных о резком снижении теплоотдачи организма с понижением температуры окружающей водной среды и перестройке циркуляции кровотока с большого круга на малый в области +17° - +19°С. Выше этого диапазона температуры теплоотдача организма растет, а теплогенерация уменьшается, приближенно по линейному закону с ростом температуры среды вплоть до зоны комфорта (+33°С). Метод решения уравнения теплопроводности в области с движущейся внутренней границей с учетом сопряженного условия внешнего теплообмена и внутренней теплогенерации основан на представлении искомой температуры тела (как функции времени и расстояния от поверхности тела) на малом отрезке времени, в течение которого теплоотдачу можно приближенно считать постоянной, в виде функционального ряда [8] по собственным функциям соответствующей стационарной краевой задачи с последующим решением нестационарной задачи известными численными методами [9] применительно к уравнениям математической физики т.н. параболического типа [7]. Принцип сопряженного расчета имеет две основные позиции: во-первых, тепловой поток с поверхности тела пропорционален разности температур тела и среды, причем сама температура тела меняется в процессе теплоотдачи, и, во-вторых, режим теплогенерации зависит от меняющейся с охлаждением организма толщины пойкилотермной зоны, внутренняя поверхность которой имеет температуру не ниже минимально допустимой (+30°С). Таким образом, Формула Орлова является неотъемлемой частью изобретения и обеспечивает корректное осуществление способа в экстремальной водно-воздушной среде Ледяного Бассейна.

Способ регулирования устойчивости кардиореспираторики и теплогенерации при воздействии низких плюсовых и минусовых температур водно-воздушной среды и Формула Орлова по определению температурных градаций водной среды и учету энерготрат на массу тела по принципу сопряженного расчета теплообмена в стационарных условиях Ледяного Бассейна во время круглогодичных занятий и соревнований атлетических пловцов осуществляется (применяется) следующим образом:

1. Предварительно проводится врачебно-физкультурное обследование атлетического пловца и выявляется его физическая подготовленность;

2. По рефлекторно-рецепторной реакции тела (кожи) и общим ощущениям судят о степени адаптации сосудисто-двигательного центра к температурным факторам водно-воздушной среды;

3. Атлетические пловцы разбиваются на группы по совокупности признаков, обусловливающих одинаковую скорость охлаждения организма в установленных температурных градациях водной среды по Формуле Орлова с учетом собственного веса пловца, его возраста и пола, роста, а также средней скорости, которую имеет пловец относительно водной среды. В частности, атлетический пловец, масса тела которого равна 75 кг, рост - 175 см, возраст 30 лет, имеет теплоотдачу в зоне нормотермии α₀=0.049, в студеной воде с температурой 4°С - α_c=0.005, в ледяной - α_л=0.001. Если пловец плывет со скоростью 0.5 м/с, то его теплоотдача в студеной воде возрастает до величины 0.114, а в ледяной - до 0.065. Тем самым по Формуле Орлова определяются граничные условия и источник тепла в уравнении теплопроводности, которым описывается изменение температуры пойкилотермной зоны тела пловца. Численное решение этого уравнения, получаемое известными методами [7-9], дает охлаждение внешней оболочки тела пловца до +30°С при пассивном пребывании в студеной воде за 2 минуты и за 3.5 минуты при атлетическом плавании. Приблизительно такое же время требуется для указанного пассивного охлаждения и для юноши 18 лет весом 66 кг при росте 172 см. Таким образом, эти атлетические пловцы объединяются в одну спортивную категорию. В то же время мужчина возраста 40 лет весом 90 кг и ростом 160 см охлаждается в аналогичных условиях до состояния средней гипотермии за 4 минуты, что в два раза больше, чем в вышеприведенных примерах, и потому он должен быть отнесен к другой спортивной категории атлетического плавания;

4. Объясняется назначение атлетического стиля плавания, а также сопутствующих упражнений на суше как главных составляющих способа в сочетании с применением спецпитания, медикоментозных препаратов и спецэкипировки;

5. Атлетический пловец на тренировочных занятиях при необходимости употребляет спецпитание и разрешенные медикоментозные препараты и средства, и после разогревающих упражнений выполняет сопутствующие упражнения на суше на спортивных устройствах и тренажерах с последующим применением спецэкипировки в заплывах атлетическим плаванием с периодическим изменением от вертикального до горизонтального положения тела с учетом индивидуальных особенностей;

6. Атлетический пловец во время соревнований, после разогревающих упражнений, выполняет сопутствующие упражнения на суше на спортивных устройствах и тренажерах с последующим применением спецэкипировки в финишных заплывах атлетическим плаванием с периодическим изменением от вертикального до горизонтального положения тела с учетом регламента соревнований.

Новизна изобретения характеризуется совокупностью атлетического плавания как способа регулирования кардиореспираторики и теплогенерации и Формулы Орлова определения теплоотдачи и теплогенерации по принципу сопряженного расчета теплообмена в экстремальных условиях водно-воздушной среды Ледяного Бассейна.

Все это способствует наиболее рациональному использованию энергетических возможностей организма при осуществлении способа регулирования устойчивости кардиореспираторики и теплогенерации в экстремальных условиях водно-воздушной среды Ледяного Бассейна и в целом повышению адаптационного ресурса человека.

Литература.

1. Ожегов С.И. Словарь русского языка. Изд.16-е испр. М.: Русский язык, 1984.

2. Популярная медицинская энциклопедия. Изд.2-е переработ, и дополн. М.: Советская энциклопедия, 1988.

3. Физиология человека в 3 т. под ред. Р.Шмидта и Г.Тевса. М.: Мир, 1996.

4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.VI. Гидродинамика. М.: Наука, 1988.

5. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. Издательство Московского Университета, 1998.

6. Малая медицинская энциклопедия. М.: Медицинская Энциклопедия, 1991.

7. Владимиров B.C. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1967.

8. Справочник по линейным уравнениям математической физики.

9. Федоренко Р.П. Введение в вычислительную физику. М.: Изд. Московского физико-технического института, 1994.

Изобретение относится к медицине, в частности к спортивной медицине, и может быть использовано для регулирования устойчивости кардиореспираторики и теплогенерации. Способ включает закаливание, включающее проведение занятий и соревнований по плаванию независимо от сезона с использованием различных тренинговых дисциплин. Проводят атлетическое плавание в ледяной или студеной воде, причем ледяная вода определяется как имеющая температуру от -3°С до +1°С, а студеная вода - как имеющая температуру от выше +1°С до +5°С. Плавают попеременно баттерфляем-кролем-баттерфляем с периодическим изменением от вертикального до горизонтального положения тела атлетического пловца с обязательным выдохом в воду, с использованием термозащитной и водонепроницаемой экипировки. Кроме того, выполняют упражнения на суше на спортивных устройствах и тренажерах с периодическим изменением от вертикального до горизонтального положения тела. Способ позволяет регулировать устойчивость кардиореспираторики и теплогенерации при воздействии низких плюсовых и минусовых температур водно-воздушной среды в стационарных условиях ледяного бассейна во время круглогодичных занятий и соревнований атлетических пловцов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ регулирования устойчивости кардиореспираторной системы и теплогенерации при воздействии низких плюсовых и минусовых температур водно-воздушной среды в условиях бассейна во время круглогодичных занятий и соревнований атлетических пловцов, содержащий комплексное закаливание, включающее проведение занятий и соревнований по плаванию независимо от сезона с использованием различных тренинговых дисциплин, отличающийся тем, что способ включает атлетическое плавание в ледяной или студеной воде, причем ледяная вода определяется как имеющая температуру от -3 до +1°С, а студеная вода - как имеющая температуру от выше +1 до +5°С, включающий плавание попеременно баттерфляем-кролем-баттерфляем с периодическим изменением от вертикального до горизонтального положения тела атлетического пловца с обязательным выдохом в воду, с использованием термозащитной и водонепроницаемой экипировки и выполнением упражнений на суше на спортивных устройствах и тренажерах с периодическим изменением от вертикального до горизонтального положения тела.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что применяют медикаментозные препараты.