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，隨著社會的不斷發(fā)展，人們對體力活動和身體健康的重視程度不斷提升。如何科學的監(jiān)控和指導大眾健身成為當前的一個熱門課題。目前，國內國民體質方面的研究主要側重于國民體質測量和健康狀況的測試，針對國民日常生活當中的能量消耗的研究較少。國內的人體能量消耗方面的研究還處于起步階段，該方面的科研數據多數參考國外的人體能量消耗標準制定，由于人種的差異，這一數據存在較大的誤差，無法很好地監(jiān)控和指導大眾健身。如何根據我國國民體力能量消耗特點，尋找適合我國國民目前體力能量消耗測試的方式方法，制定適合現階段國民體力活動能量消耗的測量標準，提出不同運動狀態(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，爬樓梯成了人們日常生活中最常見的一種健身方式。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。

能量代謝的變化在人體所進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，食物在身體細胞內由簡單的有機物質合成為復雜的有機物質的過程稱為組成代謝，包括身體組織的建設和修補及能量來源的儲藏；另一方面，是身體細胞內的復雜有機物質，經過氧化作用分解成為簡單的有機物質的過程，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，一是直接卡計測量法，二是呼吸商及間接卡計測量方法。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，適于進行大批量測試和日常健身指導。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動的人群多為中青年人群，故本次試驗選取年齡在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，志愿參與本實驗。

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級臺階，每級臺階高度16 cm，共255級臺階。每個樓層建有一個平臺（約3 m2）。室內測試溫度為15℃～25℃。

2.3 實驗方法

經過實際觀察和相關文獻研究，100步／min的爬樓梯頻率更能代表日常生活中的典型負荷［9］，故本次實驗選用100步／min的步速作為正式實驗爬樓梯的步速。受試者爬樓梯時要求步法輕快平穩(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)拍器和報話機調節(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。整個測試流程如圖1所示。

圖1 本實驗測試流程示意圖

2.4 測量儀器與指標

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。

2.5 測試統(tǒng)計方法

在安靜和非極限運動情況下，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動過程中糖和脂肪氧化消耗的O2和產生的CO2量，推算出運動過程中消耗的能量。實驗數據用SPSS 11.5進行處理，計算均值和標準差（±SD），采用獨立樣本t檢驗均值間差異，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 結果

3.1 上下樓梯能量相關指標波動變化曲線

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數據的波動情況，測試過程中每秒鐘描計一個測量點，從波動情況可以看出，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。為了準確起見，安靜時和原地休息時的數據選取最后1min數據。

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，經過多次試驗發(fā)現，該打磨機器人從端口最低點出發(fā)，在沿端口周向轉動進行打磨的過程中會發(fā)生打滑失效，尤其在的轉角范圍內明顯存在一個打滑失效區(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，機器人在慣性的作用下發(fā)生打滑失效，這說明機器人發(fā)生打滑失效與預緊力、摩擦力及其自身重力等因素有關。

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代謝所消耗的能量。根據測試結果看，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）。途中休息時能量消耗基本恢復到安靜時的水平，不同體重能量消耗沒有顯著性差異。男性下樓梯時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）。男性下樓梯時消耗的能量基本為上樓時的一半，為安靜時能量消耗的1倍左右。

不同體重男性以勻速爬樓梯時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）。途中休息時單位體重能量消耗基本恢復至安靜水平，不同體重沒有顯著性差異。男性下樓梯時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）。男性下樓時消耗的單位體重能量基本為上樓時的一半，為安靜時能量消耗的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。根據測試結果來看，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），F1與F3相比有較顯著性差異（P＜0.01），F2與F3相比有顯著性差異（P＜0.05）。途中休息時能量消耗基本恢復到安靜水平，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），F1與F3相比有較顯著性差異（P＜0.01）。女性下樓梯時消耗的能量基本為上樓梯時的一半，為安靜時能量消耗的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），F2與F3相比有顯著性差異（P＜0.05）。途中休息時單位體重能量消耗基本恢復安靜水平，不同體重沒有顯著性差異。女性下樓梯時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）。女性下樓梯時消耗的單位體重能量基本為上樓梯時的一半，為安靜時能量消耗的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。男性上樓梯時能量消耗隨體重增大而逐漸增大，不同體重男性上樓梯時的能量消耗有顯著性差異。女性上樓梯時能量消耗隨體重增大而逐漸增大，F2與F1相比有顯著性差異，F3與F2相比有較顯著性差異，提示，上樓梯時隨著女性體重的增大，能量消耗增加的幅度逐漸減小。男性下樓梯時能量消耗隨體重增大而逐漸減小，不同體重男性下樓梯時的能量消耗有顯著性差異。女性下樓梯時能量消耗隨體重增大而逐漸增大，F2與F1相比有顯著性差異，F3與F2比有較顯著性差異，提示，下樓梯時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。女性上樓梯時單位體重能量消耗隨體重增大而減小，F1與F3相比有較顯著性差異，F2與F3相比有顯著性差異，提示，上樓梯時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，而下樓梯時人體自身重量參與做功。

5 結論

在日常生活中，爬樓梯的頻率、臺階的高度、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測試目的，排除這些因素的干擾。本研究選取的實驗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，測試的結果對指導大眾健身具有一定的指導意義。

本研究結果顯示，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，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的1倍左右。

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