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1、第六章 身体活动的能量消耗及其营养,第一节 测量能量消耗的方法,直接热量测定 间接热量测定,直接热量测定,受试者在一间特殊结构的测验室里进行运动，测验室与外界隔热，并有水在墙的内外两层之间流动。水由受试者释放的热量加热，这样通过计算流经测验室的水的体积和流入流出时的温度差，就可以得出受试者的产热量。受试者通过皮肤和呼吸道蒸发水分还会丢失一部分的热量。这部分热量可以通过收集这些水分而算出，并加到运动总能耗当中去。,直 接 测 热 法,例如，一个人在测验室里进行台阶运动，上下频率为30次/分钟，台阶高度为20cm。流过测验室墙间的水流为20L/分钟，水的流入流出的温度差为0.5。因为使1L水的温度
2、升高1约需要1Kcal的热量，这样能量消耗大约为：20L/分钟1Kcal/0.510Kcal/分钟。,直接热量测定,间接热量测定,在封闭循环测试中，受试者通常从呼吸测量计中吸取100纯氧，呼出气体中的二氧化碳则通过化学方法吸收。随着时间推移，呼吸测量计中的氧因被消耗而出现含量的下降，这样就可以计算出每分钟的氧消耗量。由于CO2被吸收，呼吸交换率就不能计算，因此把氧热价在4.82kcal/L作为碳水化合物、蛋白质、脂肪三者都被用于供能的标志。封闭循环测试最常用于测量基础代谢率。,封闭循环式呼吸测量法,开放循环式呼吸测量法,使用开放循环式的呼吸测量法来测量氧耗量和二氧化碳产生量是最常用的间接热能测
3、试技术。在测量时，氧耗量由吸入气体中的氧量减去呼出气体中的氧量而得出，这一差值是由于组织对氧的摄取或氧的消耗产生的。二氧化碳产生量通过相同的方法计算。这样就可以计算呼吸交换率（R）；也就可以推知在运动中主要是由碳水化合物还是主要由脂肪供给的能量。,间接热量测定,机体每消耗1L氧所能够产生的热量，称为氧热价。,碳水化合物 蛋白质 脂肪产热量 4.0 9.0 4.0氧热价 5.0 4.7 4.5呼吸商 1.0 0.7 0.8,如果一个人在运动中分别由等量的碳水化合物和脂肪供能，则氧热价接近4.85kcal/L，也就是二者的平均值。,第二节 表示能量消耗的方法,计算运动时能量需要的基础是受试者在运动
4、过程中被测得的氧摄取的稳定状态。一旦氧摄取达到稳定状态，肌肉的能量供应就从有氧代谢转入多种方式共存。这样测得的氧摄取量就可以通过不同的方式来表示能量的消耗。,表示能量消耗的方法,1、氧摄取量（VO2，单位为L/min）2、Kcal/min3、单位体重氧摄取量（VO2，单位为ml/min/kg）4、梅脱（MET）5、千卡/千克体重/小时（Kcal/kg/hr）,.,.,1、氧摄取量（VO2，单位为L/min）其计算方法为吸入气体中的氧含量减呼出气体中的氧含量的浓度差乘以每分通气量。,.,例如，一个体重80kg的人在跑台上跑步30min，其氧摄取量为2.4L/min，总能耗为：2.4L/min5k
5、cal/L30 min360kcal,例如，一个体重80kg的人在跑台上跑步30min，其氧摄取量为2.4L/min该受试者的单位体重氧摄取量为：2.4L/min80kg30 ml/min/kg,4、梅脱（MET）基础代谢率氧摄取量约为 3.5ml/min/kg。这称为1个MET。运动量用MET的倍数表示。,例如，一个体重80kg的人在跑台上跑步30min，其氧摄取量为2.4L/min该受试者的单位体重氧摄取量为：2.4L/min80kg30 ml/min/kg其运动的梅脱值为：30 ml/min/kg3.5 ml/min/kg8.6MET,5、千卡/千克体重/小时（Kcal/kg/hr）梅脱
6、单位还可以显示受试者每公斤体重每小时产热量的千卡数。,例如，一个体重80kg的人在跑台上跑步30min，其氧摄取量为2.4L/min受试者运动的梅脱值为8.6，当以小时为单位计算，该数值乘以60，得氧摄取量为1800ml/hr/kg，或1.8L/hr/kg。如果该个体此时为碳水化合物和脂肪混合供能，那么产热量等于氧摄取量和氧热价的乘积，为4.85kcal/L O21.8L/hr/kg8.7kcal/hr/kg,第三节 估算运动时能量消耗的公式,在二十世纪七十年代的中期，美国运动医学会（ACSM）就通过分级负荷运动试验（GXTs）的方法确认了一些简单的公式来估算诸如步行、登台阶、跑步、骑自行车等
7、常见运动在达到稳定状态时的能量需求。,为了更为准确地表示某一运动所需的氧耗量，目前将总氧耗量划分为 净的运动氧耗量 和 维持基础代谢的氧耗量（1MET）两部分。并在计算时加以区分。,各项运动的能量需求（一）步行的氧消耗量（二）慢跑和快速跑的氧耗量（三）步行或跑步1英里的氧耗量（四）骑自行车测功计时的氧耗量（五）登台阶的氧耗量（六）其他运动的能量需求,1、在水平面上步行2、在斜坡面上步行3、在不同速度下步行,1、在水平面上步行,估算以50100m/min的速度在水平面上步行时的能量消耗。每分钟每米的氧耗量公式为：氧耗量0.1 ml/kg/min 3.5 ml/kg/min,举例1：,一个人以90
8、m/min的速度步行，那么其总氧耗量计算值为：90m/min0.1 ml/kg/min/m/min3.5 ml/kg/min 12.5 ml/kg/min梅脱值 12.5 ml/kg/min3.5 ml/kg/min 3.6,举例2：某一不能承受标准GXTs的受试者被告知需要以11.5 ml/kg/min的氧耗量来达到适当的运动强度，那么其步行速度应该计算如下：11.5 ml/kg/minX0.1 ml/kg/min/m/min3.5 ml/kg/minX80 m/min即步行速度应该为80 m/min。,2、在斜坡面上坡步行,此时的氧耗量是水平面步行的氧耗量加垂直分量的氧耗量加基础代谢氧耗量
9、三部分的和。研究已证明，以1m/min的速度进行垂直向上移动其氧耗量为1.8 ml/kg/min。垂直分量的计算是以坡度（以百分数表示）乘以移动速度（m/min）。,一人在10的斜坡上进行速度为80m/min的上坡步行，就等于以8m/min的速度进行垂直向上的步行。在斜坡面上步行的氧耗量计算公式为：氧耗量0.1 ml/kg/min水平速度 1.8 ml/kg/min垂直速度 3.5 ml/kg/min,某人以90m/min的速度在12斜坡面上进行上坡步行，其氧耗量计算为：氧耗量0.12(坡度)90m/min1.8 ml/kg/min/m/min0.1 ml/kg/min/m/min90m/mi
10、n3.5 ml/kg/min 31.9 ml/kg/min，或者 9.1 MET。,举例1：,设定一个向上的坡度，使以60m/min的速度在其上步行时能量消耗达到 6MET。计算为：6MET约为21.0 ml/kg/min。21.0 ml/kg/minX60m/min1.8 ml/kg/min/m/min0.1 ml/kg/min/m/min60m/min3.5 ml/kg/min X0.106，即坡度为10.6。,举例2：,3、在不同速度下步行,前述的公式适用范围是步行的速度在50100m/min之间。超出了这一范围，步行的氧耗量就会以曲线的方式增加。,用千卡/分钟的计算方法来表示步行的能耗
11、也是比较常用。步行时，不仅随速度的增加增加能耗，而且随速度的增加能耗增加的速率也在加大。因此，从无运动经历者可以通过较低的步行速度达到适当的运动量，而体质相对较好的人则可以提高速度来使能耗迅速增加，产生足够的训练效果。而当锻炼者的体重有所下降，同样速度的步行能耗就降低，因此应以增加运动时间或者提高速度来弥补。,步行时的能量消耗（kcal/min）千米/小时体重（kg）3 4 5 5.5 6.5 7 850.0 2.1 2.4 2.8 3.1 4.1 5.2 6.654.5 2.3 2.6 3.0 3.4 4.4 5.6 7.259.1 2.5 2.6 3.0 3.4 4.4 5.6 7.263
12、.6 2.7 3.1 3.5 3.9 5.2 6.6 8.468.2 2.8 3.3 3.7 4.2 5.6 7.0 9.072.7 3.0 3.5 4.0 4.5 5.9 7.5 9.677.3 3.2 3.7 4.2 4.8 6.3 8.0 10.281.8 3.4 4.0 4.5 5.0 6.7 8.4 10.886.4 3.6 4.2 4.7 5.3 7.0 8.9 11.490.9 3.8 4.4 5.0 5.6 7.4 9.4 12.095.4 4.0 4.6 5.2 5.9 7.8 9.9 12.6100 4.2 4.8 5.5 6.2 8.2 10.3 13.2注：将查表所得值
13、乘以运动持续时间即为总能耗。,慢跑和跑步,是健康人进行健身锻炼最为常用的运动形式。当速度在130350m/min之间时，用ACSM的公式可以估计运动的氧耗量。,1、在水平面上慢跑和跑步 2、在斜坡面上慢跑和跑步 3、不同速度的慢跑和跑步,1、在水平面上慢跑和跑步,以1m/min的速度在水平面上慢跑和跑步的净氧耗量接近步行时的两倍。为0.2ml/kg/min/m/min。值得注意的是，该公式的适用对象是普通人群，训练有素的跑步者在跑时与普通人相比出现能量节省化，而且这种跑的经济性有一定范围的变动。,计算跑的过程中氧耗量的公式为：氧耗量0.2 ml/kg/min/m/min跑速3.5 ml/kg/
14、min例如，在跑道上以60分钟跑完10千米需要消耗的氧量计算为：10000m60min167m/min 氧耗量167m/min0.2 ml/kg/min/m/min 3.5 ml/kg/min 36.9 ml/kg/min/或者 10.5MET,该公式也可以推算产生所需要的能量消耗的适宜运动强度。例如，一位20岁的女子长跑选手，其最大吸氧量是50ml/kg/min/，现在需要以90的强度进行跑步，那么她的跑速应该是多少？计算为：90最大吸氧量0.950 ml/kg/min/45 ml/kg/min/45 ml/kg/min/X 0.2 ml/kg/min/m/min 3.5 ml/kg/min
15、 X207m/min 即，她应该以207m/min的速度跑步以达到需要的能耗量,2、在斜坡面上慢跑和跑步,上坡跑的氧耗量大约为步行上坡的一半。因为奔跑时的腾空动作在一定程度上抵消了上坡的负荷，从而使垂直工作的净氧耗量降低。上坡跑的垂直分量计算为坡度乘以跑的速度。,上坡跑的氧耗量计算公式为：氧耗量0.2 ml/kg/min跑速0.9 ml/kg/min跑速3.5 ml/kg/min 例如，以150m/min的速度在10的斜坡面上坡跑的氧耗量。计算为：氧耗量150m/min0.2 ml/kg/min/m/min 150m/min10%0.9 ml/kg/min/m/min 3.5 ml/kg/mi
16、n 47 ml/kg/min,计算需要的坡度：例如：在平面上以350m/min的速度跑步时氧耗量约为73.5 ml/kg/min。若速度固定为150m/min，那么达到相同的氧耗量需要的坡度为：73.5 ml/kg/min150m/min0.2 ml/kg/min/m/min150m/minX0.9 ml/kg/min/m/min3.5 ml/kg/minX0.34，即所需的坡度为34%,例如：如果同一人以161m/min的速度跑1英里，那么10分钟就能完成。计算为：氧耗量161m/min0.2 ml/kg/min/m/min3.50ml/kg/min35.7 ml/kg/min 总的运动氧耗
17、（毫升/英里）35.7 ml/kg/min70kg10min/min25000ml/mi 以5kcal/LO2计算，总的热量消耗约为125kcal。若扣除基础代谢而计算净的运动热量消耗，则减去 3.50ml/kg/min70kg10min10005kcal/L12kcal，而得净的运动热量消耗为113kcal。接近1英里步行时热量消耗的两倍。,3、不同速度的慢跑和跑步,例如一个体重70kg的人以80m/min的速度步行，那么他用20分钟就走完1英里。其热量消耗为：氧耗量 80m/min0.1 ml/kg/min/m/min3.50ml/kg/min 11.5 ml/kg/min 总的运动氧耗（
18、毫升/英里）11.5 ml/kg/min70kg20min/mi16100ml/mi 以5kcal/LO2计算，总的热量消耗约为80.5kcal。若扣除基础代谢而计算净的运动热量消耗，则减去3.50ml/kg/min20min70kg10005kcal/L24.5kcal，而得净的运动热量消耗为56kcal。,不同速度和坡度的慢跑和跑步时的能量需求,跑速（米/分钟）坡度 80 107 134 161 188 215 241 2680 5.6 7.1 8.7 10.2 11.7 13.3 14.8 16.31 5.8 7.4 9.0 10.6 12.2 13.8 15.4 17.02 6.0 7
19、.7 9.3 11.0 12.7 14.4 16.0 17.73 6.2 7.9 9.7 11.4 13.2 14.9 16.6 18.44 6.4 8.2 10.0 11.9 13.7 15.5 17.3 19.15 6.6 8.5 10.4 12.3 14.2 16.1 17.9 19.86 6.8 8.8 10.7 12.7 14.6 16.6 18.5 20.47 7.0 9.0 11.0 13.1 15.1 17.1 19.1 21.18 7.2 9.3 11.4 13.5 15.6 17.7 19.7 21.89 7.4 9.6 11.7 13.9 16.1 18.3 20.3 2
20、2.510 7.6 9.9 12.1 14.3 16.6 18.8 21.0 23.2,慢跑和跑步时的能量消耗(kcal/min),跑速（米/分钟）体重 80 107 134 161 188 215 241 26850.0 4.7 5.9 7.2 8.5 9.8 11.1 12.3 13.654.5 5.1 6.4 7.9 9.3 10.6 12.1 13.4 14.859.1 5.5 7.0 8.6 10.0 11.5 13.1 14.6 16.163.6 5.9 7.5 9.2 10.8 12.4 14.1 15.7 17.368.2 6.4 8.1 9.9 11.6 13.3 15.1
21、16.8 18.572.7 6.8 8.6 10.5 12.4 14.2 16.1 17.9 19.877.3 7.2 9.1 11.2 13.1 15.1 17.1 19.1 21.081.8 7.6 9.7 11.8 13.9 15.9 18.1 20.2 22.286.4 8.1 10.2 12.5 14.7 16.8 19.1 21.3 23.590.9 8.5 10.8 13.2 15.4 17.7 20.1 22.4 24.795.4 8.9 11.3 13.8 16.2 18.6 21.1 23.5 25.9100 9.3 11.8 14.5 17.0 19.5 22.2 24.
22、7 27.2注：将查表所得值乘以运动持续时间即为总能耗,当以中等速度（55-80m/min）移动时，步行1英里消耗的热量是慢跑或跑步的一半左右。这意味着一个人同样以80m/min的速度进行慢跑要比走的新陈代谢率更高，心率当然也更快。很多人的步行速度都在这一水平，但即使提高步行速度（如达到134m/min）其净的运动能耗仍然少于同距离的跑。,骑自行车,骑自行车运动形式的好处在于，对比跑步而言，骑自行车能够完成同样的能量消耗而较少引起髋、膝、踝关节的损伤。自行车测功计最常用腿进行蹬骑，但少数情况下也有放在桌上用上肢摇动的。此处分析用腿进行蹬骑自行车测功计的能量消耗的计算。,在步行、慢跑和跑步时，运
23、动者要承载自身体重，因此其能耗自然和体重成比例。但骑自行车时没有这一问题。运动负荷主要是由轮子的阻力和蹬踏板的转速决定的，不同体型的人在骑自行车完成同样运动量的时候其氧耗量几乎相同。因此，完成相同运动量时体重较轻者的相对氧耗量或梅脱值更高。,在使用最为广泛的Monark功率自行车上，踏板每旋转1周车轮转过6米。那么脚踏板以50转/分钟的转速相当于车轮行过300米/分钟。如果对车轮施加1kg的阻力（1kp），那么负荷量为300kpm/min。负荷量也可以用瓦特（Watt）为单位来表示，6.1kpm/min1W，300kpm/min近似等于50W。可以通过增加对车轮的阻力或变动脚踏板蹬骑速度来改变
24、负荷量的大小。,进行1kpm负荷运动时的氧耗量为1.8ml。在蹬骑自行车时，克服自行车各部分的摩擦阻力还需要消耗一部分能量，大约为运动能耗的10左右，因此计为0.2ml/kpm。故自行车测功计运动时对车轮施加1kg的阻力引起总的能量消耗计为2.0ml/kpm。在ACSM的计算公式中，坐在自行车测功计上（即静息时）的氧耗量预设为3.5ml/kg/min。当负荷量在1501200kpm/min之间时，通过负荷量估算氧耗量的公式如下：氧耗量（ml/min）负荷量（kpm/min）2ml O2/kpm3.5ml/kg/min体重或者，氧耗量（ml/min）负荷量（Watt）12ml O2/W3.5ml
25、/kg/min体重,例如：两个体重分别为50kg和100kg的人在自行车测功计上进行600 kpm/min负荷的运动，他们的氧耗量分别是：体重50kg者：氧耗量12003.5mi/kg/min50k 1375 ml/min 用公斤体重表达，为27.5ml/min/kg。或者7.9MET。体重100kg者：氧耗量12003.5ml/kg/min100kg 1550 ml/min 用公斤体重表达，为15.5ml/min/kg。或者4.4MET,就像结果显示的那样，氧耗量用L/min表示，则体重差异很大的人并无明显区别（1.375 vs 1.55L/min）；而用除以体重后的相对值表达，则差异很大（
26、7.9 vs 4.4METs）,例如，一个体重70kg者的运动计划设定为步行时能耗达到6METs，如果他在自行车测功计上以50转/分钟的速度运动，应设定的阻力负荷计算如下：6METs63.5ml/kg/min70kg1470ml/min 1470X2ml O2/kpm3.5ml/kg/min70kg X612 kpm/min。612 kpm/min50转/分6米/转阻力 阻力2.04，或近似为2kp。即对车轮施加2kg的阻力,登 台 阶,登台阶是非常简便经济的运动形式之一。并且运动量很容易掌握，仅通过增加台阶的高度或上下台阶的频率就可以方便地调节。登台阶的氧耗量是以下三者的总和：a.上台阶、b
27、.下台阶、c.上下台阶期间在水平方向的前后移动。根据研究，上台阶的氧耗量为1.8ml/kg/min每m/min，与步行相同；下台阶的氧耗量是上台阶的1/3，因此，上下台阶的氧耗量的和为上台阶氧耗量的1.33倍。每分钟上下台阶的移动距离计算为每分钟登台阶次数和台阶高度的乘积。例如，台阶高20cm，上下频率为27次/分钟，那么每分钟上下总距离为5.4米。,上下台阶期间在水平方向的前后移动的氧耗量与上下频率成比例。基本上，水平方向的前后移动的氧耗量用梅脱表示可以计算为上下频率值除以10。或以体积值表示为0.35上下频率值ml/kg/min。登台阶的氧耗量计算公式为：氧耗量台阶高度（米）每分钟上台阶次
28、数1.331.8ml/kg/min上下频率0.35ml/kg/min例如，以20次/分钟的频率上下20cm台阶，其氧耗量计算为：氧耗量0.2m20次1.331.8ml/kg/min/m/min200.35ml/kg/min16.6ml/kg/min，或4.7MET,不同负荷登台阶的能量消耗值（MET）,台阶高度 每分钟登台次数(cm)12 18 24 300 1.2 1.8 2.4 3.04 1.5 2.3 3.1 3.88 1.9 2.8 3.7 4.612 2.2 3.3 4.4 5.516 2.5 3.8 5.0 6.320 2.8 4.3 5.7 7.124 3.2 4.8 6.3 7
29、.928 3.5 5.2 7.0 8.732 3.8 5.7 7.7 9.636 4.1 6.2 8.3 10.440 4.5 6.7 9.0 11.2,在设计运动计划的时候，有许多形式的运动可供选择。包括韵律操、游泳、以及众多项目的比赛等。毫无疑问，这些活动的能量消耗计算起来比走或跑更为困难，其中许多运动的能耗取决于参加者的技术水平和积极性与主动性。1、韵律操 2、游泳,1、韵 律 操,韵律操在动作上与走或跑有某些类似。其能量需要取决于动作设计的紧凑或舒缓；动作力度的大小；是否手持重物等。一个刚开始练习的人也许动作的幅度、力度等都并不到位，而一个熟练的人可能每一个动作都做得完整有力，这样他们
30、的能量消耗就不相同。同一套韵律操对于一般性完成动作的初学者和完成动作准确有力的熟练者而言，其能量消耗范围从4MET到10MET不等。而且韵律操动作中包含一些小肌群和一些静力性的肌肉收缩动作，因此其运动中心率要高于进行相同氧摄取量的走或跑。下表概括了在以低、中、高的强度进行韵律操练习时的热量消耗。,韵律操练习时的总热量消耗(kcal/min),体重（kg）低强度 中等强度 高强度50.0 3.3 5.8 8.354.5 3.6 6.4 9.159.1 3.9 6.9 9.863.6 4.2 7.4 10.668.2 4.5 7.9 11.372.7 4.8 8.5 12.177.3 5.1 9.
31、0 12.881.8 5.4 9.5 13.686.4 5.7 10.1 14.390.9 6.0 10.6 15.195.4 6.3 11.1 15.9100.0 6.6 11.7 16.7,2、游 泳,对很多人来说，游泳是一项很理想的运动形式，它是大肌群的动力性活动，并且极少发生关节损伤。但最大的限制在于需要能方便地使用游泳池和具备游泳技术。游泳时的能量需要取决于移动速度和划水方式，也受到技术熟练性的影响。熟练的游泳者在运动中出现能量节省化，因此与不甚熟练的游泳者相比，要消耗同样的能量必须游过更远的距离。,在只进行踩水动作时的能量消耗大约为1.5L/min(7.5kcal/min)。优秀的
32、游泳运动员可以以同样的能耗游出36m/min的速度，而不熟练的游泳者要维持相同的速度需消耗约2倍的能量。已经估算出，游泳1英里的净热量消耗可以超过400kcal，这个值4倍于跑步，8倍于步行。但是，实际的游泳过程中热量消耗变异很大，受到诸如技术和性别的影响。下表是由Holmer提出的男子和女子游泳的能量消耗,自由泳1英里的热量消耗（kcal/min）,技术水平 女 子 男 子竞技运动员 180 280熟练游泳者 260 360一般人 300 440不熟练者 360 560技术拙劣者 440 720注：依I.Holmer“男子游泳生理学”,第三节 不用公式估算能量消耗,一般来说，为了达到提高并维持心肺机能的目的，锻炼者所进行的运动强度应该是在6080个人最大吸氧量之间。因此，就可以依据个人的最大吸氧量作为基础，估算其在运动中的能量消耗。,例如，一个人的最大吸氧量是10METs，那么其运动时的能量消耗可以估算如下：10METs换算为热量表示为10kcal/kg/hr。如果个人要以目标心率的下限进行运动，也就是运动强度要超过6METs。如果这个人体重70kg，则其以该强度进行运动时的能量消耗为70kg6kcal/kg/hr420kcal/hr。若运动半小时则能量消耗约为210kcal。这种简单计算方法的前提是受试者以大肌肉群进行活动。,
