不同體重人群爬樓梯過程中能量消耗的測定

1 前言

近年來，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對體力活動(dòng)和身體健康的重視程度不斷提升。如何科學(xué)的監(jiān)控和指導(dǎo)大眾健身成為當(dāng)前的一個(gè)熱門課題。目前，國內(nèi)國民體質(zhì)方面的研究主要側(cè)重于國民體質(zhì)測量和健康狀況的測試，針對國民日常生活當(dāng)中的能量消耗的研究較少。國內(nèi)的人體能量消耗方面的研究還處于起步階段，該方面的科研數(shù)據(jù)多數(shù)參考國外的人體能量消耗標(biāo)準(zhǔn)制定，由于人種的差異，這一數(shù)據(jù)存在較大的誤差，無法很好地監(jiān)控和指導(dǎo)大眾健身。如何根據(jù)我國國民體力能量消耗特點(diǎn)，尋找適合我國國民目前體力能量消耗測試的方式方法，制定適合現(xiàn)階段國民體力活動(dòng)能量消耗的測量標(biāo)準(zhǔn)，提出不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的能量消耗推薦量，成為目前亟待解決的問題。

隨著城市人口密度不斷加大，城市里高層建筑不斷增多，爬樓梯成了人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷囊环N健身方式。本研究選取具有代表性的城市高層建筑樓梯為測試場地，采用心肺功能測試系統(tǒng)測試不同體重人群爬樓梯的能量消耗。通過對比不同性別、不同體重人群爬樓梯過程中的能量消耗，尋找人體爬樓梯的能量消耗特點(diǎn)。

能量代謝的變化在人體所進(jìn)行的新陳代謝過程分為兩方面：一方面，是人從環(huán)境中獲得氧氣與食物，食物在身體細(xì)胞內(nèi)由簡單的有機(jī)物質(zhì)合成為復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)的過程稱為組成代謝，包括身體組織的建設(shè)和修補(bǔ)及能量來源的儲(chǔ)藏；另一方面，是身體細(xì)胞內(nèi)的復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)，經(jīng)過氧化作用分解成為簡單的有機(jī)物質(zhì)的過程，稱為分解代謝，包括組織的分解和能量原料的分解［5］。人體能量消耗的測定方法主要有兩種，一是直接卡計(jì)測量法，二是呼吸商及間接卡計(jì)測量方法。第一種方法測試起來較為困難，第二種方法測試誤差稍大，但可操作性較強(qiáng)，適于進(jìn)行大批量測試和日常健身指導(dǎo)。本研究采用第二種能耗測量方法，選用心肺功能測試系統(tǒng)測試受試者吸入的氧氣和呼出的二氧化碳，間接計(jì)算出人體能量消耗。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

有研究結(jié)果表明，同性別20歲年齡組人群爬樓梯所消耗的能量明顯大于50歲年齡組人群，兩者有顯著性差異，20～50歲之間年齡組人群爬樓梯所消耗的能量沒有明顯差異［3］。而日常參加爬樓梯運(yùn)動(dòng)的人群多為中青年人群，故本次試驗(yàn)選取年齡在20～45歲之間的健康人群作為測試對象。測試對象選取高校非體育專業(yè)學(xué)生、教師及工勤人員150人，其中，男性75人，女性75人。研究對象的身高范圍：男性：164～190 cm，女性：152～170 cm。體重范圍：男性55～88 kg，女性47～72 kg。按性別、體重分為6類樣本，男性分為65 kg以下男（M1）、65～75 kg男（M2）和75 kg以上男（M3）；女性分為55 kg以下女（F1）、55～65 kg女（F2）和65 kg以上女（F3）。受試者均知情同意，志愿參與本實(shí)驗(yàn)。

表1 本研究受試者基本信息一覽表

2.2 場地、環(huán)境選擇

本研究測試場地選用15層高樓的樓梯間，每層17級臺(tái)階，每級臺(tái)階高度16 cm，共255級臺(tái)階。每個(gè)樓層建有一個(gè)平臺(tái)（約3 m2）。室內(nèi)測試溫度為15℃～25℃。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

經(jīng)過實(shí)際觀察和相關(guān)文獻(xiàn)研究，100步／min的爬樓梯頻率更能代表日常生活中的典型負(fù)荷［9］，故本次實(shí)驗(yàn)選用100步／min的步速作為正式實(shí)驗(yàn)爬樓梯的步速。受試者爬樓梯時(shí)要求步法輕快平穩(wěn)，節(jié)奏連續(xù)，不允許連上兩級，不允許跑步或者停止。通過節(jié)拍器和報(bào)話機(jī)調(diào)節(jié)控制受試者的爬樓梯頻率。測試開始前受試者佩戴好心肺功能測試儀器后先在樓下安靜5min，然后以100步／min的步速上到15層，原地休息5min后以同樣的速度下到樓底。整個(gè)測試流程如圖1所示。

圖1 本實(shí)驗(yàn)測試流程示意圖

2.4 測量儀器與指標(biāo)

通過德國CORTEX MetaMax 3B便攜式心肺功能儀測試受試者的能耗、心率、耗氧量、通氣量、呼吸商、氧脈搏等指標(biāo)。

2.5 測試統(tǒng)計(jì)方法

在安靜和非極限運(yùn)動(dòng)情況下，人體所消耗的能量主要來自于糖和脂肪的氧化，心肺功能儀采用測量安靜和運(yùn)動(dòng)過程中糖和脂肪氧化消耗的O2和產(chǎn)生的CO2量，推算出運(yùn)動(dòng)過程中消耗的能量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 11.5進(jìn)行處理，計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)差（±SD），采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)均值間差異，顯著性水平定為P＜0.05，較顯著性水平定為P＜0.01，非常顯著性水平定位P＜0.001。

3 結(jié)果

3.1 上下樓梯能量相關(guān)指標(biāo)波動(dòng)變化曲線

圖2為爬樓梯過程中心肺功能測試儀記錄的耗氧量、CO2呼出量及每分通氣量相關(guān)數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況，測試過程中每秒鐘描計(jì)一個(gè)測量點(diǎn)，從波動(dòng)情況可以看出，上樓過程能量消耗大于下樓過程，基本為下樓能耗的1倍左右。為了準(zhǔn)確起見，安靜時(shí)和原地休息時(shí)的數(shù)據(jù)選取最后1min數(shù)據(jù)。

圖2 爬樓梯過程中心肺功能儀記錄的消氧量、CO2呼出量及每分通氣量波動(dòng)曲線圖

3.2 不同體重男性爬樓梯能量消耗和單位體重能量消耗

如圖3所示，經(jīng)過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該打磨機(jī)器人從端口最低點(diǎn)出發(fā)，在沿端口周向轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行打磨的過程中會(huì)發(fā)生打滑失效，尤其在的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)明顯存在一個(gè)打滑失效區(qū)。發(fā)生打滑失效的原因是壓緊力過小，也就是說，施加的預(yù)緊力在垂直方向的分力小于摩擦力和重力在該方向的合力，機(jī)器人在慣性的作用下發(fā)生打滑失效，這說明機(jī)器人發(fā)生打滑失效與預(yù)緊力、摩擦力及其自身重力等因素有關(guān)。

不同體重男性以勻速爬樓梯能量消耗情況如表2所示。人體在安靜狀態(tài)下的能量消耗主要為人體基礎(chǔ)代謝所消耗的能量。根據(jù)測試結(jié)果看，安靜狀況下男性能量消耗隨著體重增加逐漸增大，但不同體重安靜狀態(tài)下的能量消耗沒有顯著性差異。從表2可以看出，男性上樓梯的能量消耗基本為安靜時(shí)能量消耗的3～4倍，隨著體重的增加，男性上樓梯所消耗的能量逐漸增加。M1與M3相比有較顯著性差異（P＜0.01），M2與M3相比有較顯著性差異（P＜0.01）。途中休息時(shí)能量消耗基本恢復(fù)到安靜時(shí)的水平，不同體重能量消耗沒有顯著性差異。男性下樓梯時(shí)能量消耗隨體重增加而逐漸增大。M1與M3相比有較顯著性差異（P＜0.01），M2與M3相比有較顯著性差異（P＜0.01）。男性下樓梯時(shí)消耗的能量基本為上樓時(shí)的一半，為安靜時(shí)能量消耗的1倍左右。

不同體重男性以勻速爬樓梯時(shí)單位體重能量消耗情況如表3所示。安靜狀態(tài)下，男性單位體重能量消耗量隨體重增加逐漸下降，但不同體重安靜狀態(tài)下的單位體重能量消耗沒有顯著性差異。男性上樓梯所消耗的單位體重能量基本為安靜時(shí)的3～4倍，隨著體重的增加，男性上樓梯所消耗的單位體重能量逐漸減少。M1與M2相比有較顯著性差異（P＜0.01），M1與M3相比有較顯著性差異（P＜0.01），M2與M3相比有較顯著性差異（P＜0.01）。途中休息時(shí)單位體重能量消耗基本恢復(fù)至安靜水平，不同體重沒有顯著性差異。男性下樓梯時(shí)單位體重能量消耗隨體重增加逐漸減少。M1與M2相比有較顯著性差異（P＜0.01），M1與M3相比有較顯著性差異（P＜0.01）。男性下樓時(shí)消耗的單位體重能量基本為上樓時(shí)的一半，為安靜時(shí)能量消耗的1倍左右。

表2 本研究不同體重男性爬樓梯能量消耗一覽表（kcal／d）

表3 本研究不同體重男性爬樓梯單位體重能量消耗一覽表 （kcal／d／kg）

3.3 不同體重女性爬樓梯能量消耗和單位體重能量消耗

不同體重女性以勻速爬樓梯能量消耗情況如表4所示。根據(jù)測試結(jié)果來看，安靜狀況下女性能量消耗隨著體重增加逐漸增大，但不同體重安靜狀態(tài)下的能量消耗沒有顯著性差異。從表4可以看出，女性上樓梯的能量消耗基本為安靜時(shí)能量消耗的3～4倍，隨著體重的增加，女性上樓梯所消耗的能量逐漸增加。F1與F2相比有較顯著性差異（P＜0.01），F(xiàn)1與F3相比有較顯著性差異（P＜0.01），F(xiàn)2與F3相比有顯著性差異（P＜0.05）。途中休息時(shí)能量消耗基本恢復(fù)到安靜水平，不同體重能量消耗沒有顯著性差異。女性下樓梯時(shí)能量消耗隨體重增加而逐漸增大。F1與F2相比有較顯著性差異（P＜0.01），F(xiàn)1與F3相比有較顯著性差異（P＜0.01）。女性下樓梯時(shí)消耗的能量基本為上樓梯時(shí)的一半，為安靜時(shí)能量消耗的1倍左右。

不同體重女性以勻速爬樓梯單位體重能量消耗情況如表5所示。安靜狀態(tài)下，女性單位體重能量消耗隨體重增加逐漸下降，但不同體重安靜狀態(tài)下的單位體重能量消耗沒有顯著性差異。女性上樓梯所消耗的單位體重能量基本為安靜時(shí)的3～4倍，隨著體重的增加，女性上樓梯所消耗的單位體重能量逐漸減少。F1與F3相比有較顯著性差異（P＜0.01），F(xiàn)2與F3相比有顯著性差異（P＜0.05）。途中休息時(shí)單位體重能量消耗基本恢復(fù)安靜水平，不同體重沒有顯著性差異。女性下樓梯時(shí)單位體重能量消耗隨體重增加逐漸減少。F1與F3相比有顯著性差異（P＜0.05）。女性下樓梯時(shí)消耗的單位體重能量基本為上樓梯時(shí)的一半，為安靜時(shí)能量消耗的1倍左右。

表4 本研究不同體重女性爬樓梯能量消耗一覽表（kcal／d）

表5 本研究不同體重女性爬樓梯單位體重能量消耗一覽表 （kcal／d／kg）

3.4 男、女爬樓梯單位體重能量消耗

從表6可以看出，安靜狀態(tài)下男、女單位體重能量消耗沒有顯著性差異。上樓梯和下樓梯時(shí)男、女單位體重能量消耗有顯著性差異，女性的單位體重能耗明顯低于男性。

表6 本研究男、女爬樓梯單位體重能量消耗一覽表 （kcal／d／kg）

4 討論

4.1 體重與能量消耗

本研究結(jié)果顯示，不論是男性還是女性，隨著體重的增加，其安靜狀態(tài)下的能量消耗總量逐漸增大，其增大的幅度沒有顯著性差異。男性上樓梯時(shí)能量消耗隨體重增大而逐漸增大，不同體重男性上樓梯時(shí)的能量消耗有顯著性差異。女性上樓梯時(shí)能量消耗隨體重增大而逐漸增大，F(xiàn)2與F1相比有顯著性差異，F(xiàn)3與F2相比有較顯著性差異，提示，上樓梯時(shí)隨著女性體重的增大，能量消耗增加的幅度逐漸減小。男性下樓梯時(shí)能量消耗隨體重增大而逐漸減小，不同體重男性下樓梯時(shí)的能量消耗有顯著性差異。女性下樓梯時(shí)能量消耗隨體重增大而逐漸增大，F(xiàn)2與F1相比有顯著性差異，F(xiàn)3與F2比有較顯著性差異，提示，下樓梯時(shí)隨著女性體重的增大，能量消耗增加的幅度逐漸減小。

不論是男性還是女性，隨著體重的增加，在安靜狀態(tài)下其單位體重能量消耗逐漸減小，其減小幅度沒有顯著性差異。男性上樓梯時(shí)單位體重能量消耗隨體重增大而逐減小，單位體重能耗減少的幅度有顯著性差異。女性上樓梯時(shí)單位體重能量消耗隨體重增大而減小，F(xiàn)1與F3相比有較顯著性差異，F(xiàn)2與F3相比有顯著性差異，提示，上樓梯時(shí)隨著女性體重的增大，單位體重能量消耗的降幅逐漸增大。男性下樓梯時(shí)單位體重能量消耗隨體重增大而減小，M2與M1相比有顯著性差異，M3與M2相比沒有顯著性差異，提示，隨著男性體重的增大，單位體重能量消耗的降幅逐漸減小。女性下樓梯時(shí)單位體重能量消耗隨體重增大而減小，其相鄰體重間減小的幅度沒有顯著性差異。

4.2 性別與能量消耗

在安靜狀態(tài)下，男性單位體重能量消耗大于女性，這可能是由于男、女之間肌肉含量、激素水平以及代謝狀態(tài)的差異決定的。無論是上樓梯還是下樓梯，男性單位體重能量消耗均大于女性，二者有顯著性差異。

4.3 上下樓與能量消耗

在日常鍛煉過程中，按照100步／min的勻速爬樓梯，其上樓梯所消耗的能量基本為下樓梯消耗能量的1倍左右。這主要由于上樓梯過程中人體需要克服自身重量做功，而下樓梯時(shí)人體自身重量參與做功。

5 結(jié)論

在日常生活中，爬樓梯的頻率、臺(tái)階的高度、樓層的高度、受試者的年齡、性別、身體狀態(tài)等均是影響能量消耗測量的因素。測試過程中必須根據(jù)測試目的，排除這些因素的干擾。本研究選取的實(shí)驗(yàn)場地為日常生活中較常見的高層住宅樓梯，選取的受試人群為適合選擇爬樓梯為鍛煉手段的健康人群，測試的結(jié)果對指導(dǎo)大眾健身具有一定的指導(dǎo)意義。

本研究結(jié)果顯示，隨著體重的增大，男、女上下樓梯能量消耗均增大，單位體重能量消耗呈下降趨勢。爬樓梯時(shí)，隨著體重的增大，男性能量消耗增大的幅度越明顯，女性能量消耗增大的幅度越不明顯。隨著體重的增大，男性單位體重能量消耗明顯減小，女性單位體重能量消耗減小不明顯。在同一狀態(tài)下，男、女之間單位體重能量消耗男性均大于女性，且有顯著性差異。上樓梯過程能量消耗是下樓梯時(shí)的1倍左右。

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