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2019年5月13日 星期一

運動界的難解之謎:阻力訓練運動量計算


在前兩篇(第一篇第二篇)中,我們分別用不同的角度來評估有氧運動的運動量,也絞盡腦汁運用數學公式來推導不同類型有氧運動所造成的熱量消耗(好像回到遙遠的學生時代)。今天,就讓我們把目光轉向阻力訓練,來看看目前有哪些方式可用來評估訓練量的大小吧!

目前較為常見的阻力訓練量計算方式有三個面向:總訓練重量、總做功、總熱量消耗。其中,前兩個是較直觀、標準化、容易計算,也較廣為使用的,所以已成為運動科學領域教科書中的標準內容。但對於想要知道熱量消耗的族群(如有減重需求者),這兩個面向就比較派不上用場。因此,利用熱量消耗計算來評估阻力訓練量(類似有氧訓練)的方式便應運而生。

總熱量消耗計算雖然較為個人化,然而牽涉的因子較多,使得測量與計算方式雖然百家爭鳴,但尚未有一統天下的計算方式,其精確度與方便性仍有許多討論空間。


以訓練重量分析

以訓練重量作為評估訓練量,可以分為總訓練重量(volume load)與訓練量指數(volume index)兩種方式。前者顯示的是絕對數值,後者顯示的是個別運動者的相對數值。

總訓練重量(volume load

總訓練重量顧名思義,就是一次訓練課程所舉起的重量總和,用數學式表示如下:
單次舉起重量(公斤或磅)X一組舉起次數X組數

例題:
隔壁老王(又上場了~)今天做了三組槓鈴深蹲,一組8下,重量60公斤,接著又做了三組槓鈴臥推,一組10下,重量30公斤,請問他今天的總訓練量是多少公斤?

解法:
深蹲部分:3 X 8 X 60 kg = 1440 kg
臥推部分:3 X 10 X 30 kg = 900 kg
總和:1440 + 900 = 2340 kg

訓練量指數(volume index

總訓練重量雖然淺顯易懂容易使用,但卻忽略了個體間的差異。理論上,要舉起相同重量,對體重較輕的人而言是比較辛苦的(想想你我和俠客歐尼爾的差距),所以,將總訓練重量除以運動者的體重,算出每公斤體重所舉起的訓練重量,是個較為量身定做的計算標準。用數學計算式表示的話,會長成以下這樣子:
訓練量指數(volume index)=總訓練重量(volume load/ 體重(kg

例題:
隔壁老王體重60公斤,今天做了三組槓鈴深蹲,一組8下,重量60公斤,接著又做了三組槓鈴臥推,一組10下,重量30公斤,請問他今天的訓練量指數是多少?

解法:
深蹲部分:3 X 8 X 60 kg = 1440 kg
臥推部分:3 X 10 X 30 kg = 900 kg
總和:1440 + 900 = 2340 kg
訓練量指數=2340 kg / 60 kg = 39

利用總訓練重量與訓練量指數計算阻力訓練的訓練量,比較適用於有組數、次數的反覆性運動(如臥推、深蹲、硬舉、肩推、臀推等),對於負重移動類的阻力訓練(如農夫走路、推雪橇、爬竿等)則無法計算。

另一個限制是並未將完成訓練所花的時間考慮在內,在這種算法中,10分鐘完成與10小時完成同樣課表,其訓練總量是被視為相同的,但實際上對肌肉的刺激與疲勞程度是不同的。


以總做功分析

做功,是我們把一個重量移動一段距離所花費的力量。物理學上定義將1牛頓重的物體水平或垂直移動1公尺稱為1牛頓・米(Nm)或1焦耳(J),這就是功的單位。而一公斤=9.8牛頓,也就是說,把1公斤物體水平或垂直移動1公尺所做的功等於9.8 Nm9.8 J

功率,代表每秒鐘做了多少功,意思是我們每秒能把一個重量移動多遠。舉例來說,如果花費1秒將1牛頓重的物體水平或垂直移動1公尺,功率等於1牛頓・米/秒(Nm/s)或1焦耳/秒(J/s),單位定義為1瓦特(W)。同樣道理,若在一秒中將1公斤物體水平或垂直移動1公尺,所需要的功率為9.8 Nm/s9.8 J/s,等於9.8 W

因此,在計算一些移動性的阻力訓練(如推雪橇、農夫走路、爬竿等)時,我們可以用總做功或總功率來計算訓練量。

總做功

例題:
隔壁老王推雪橇,雪橇重50公斤,他推了20公尺,請問他做了多少功?
解法:
50 kg X 9.8 (kg/N) X 20 m = 9800 Nm,即9800 J

功率

例題:
隔壁老王推雪橇,雪橇重50公斤,他花了10秒推了20公尺,請問他推雪橇的功率是多少?
解法:
50 kg X 9.8 (kg/N) X 20 m/10 s = 980 Nm/s980 J/s,即980 W

如果是反覆性的運動(如深蹲、硬舉、臥推等),該怎麼計算做功或功率呢?這時候,我們應該將舉起與放下的距離相加。以槓鈴深蹲為例,我們要把蹲下移動的距離 + 站起時移動的距離,才等於一次動作的總位移。利用這樣的位移總和,我們即可乘以重量算出總做功,再除以運動時間即可算出功率。


總熱量消耗

有鑒於上述兩種計算方式(總訓練重量、總做功)適用運動種類的限制,以及納入考量的變數不足(沒有考慮到不同訓練經驗者對動作的熟練度與運動經濟性,也沒有考慮到完成整個訓練流程所花費時間的差異,另外也忽略不同部位(如全身性vs. 下肢vs.上肢)舉起相同重量對身體影響的差別),類似計算有氧運動訓練量的方法(參考這篇),如能量消耗便應運而生。

根據近年來許多運動科學機構的研究,當前最具公信力的熱量消耗測量方式,當屬測量訓練期間氧氣的消耗量(VO2,單位ml),再將測得的氧氣消耗量,乘以消耗每ml 氧氣所需熱量(0.005大卡/ml O2,計算方式參考這篇),即可算出一個阻力訓練課程所消耗的熱量。這種方式已廣泛使用在多種有氧訓練中(如跑步、自行車等),實際操作可參考以下短片
看到這裡,也許有人會問,我們剛剛在計算總做功時,不是已經算出運動時所做的功是多少焦耳(J)了嗎?根據化學公式,1卡約=4.2焦耳,1大卡約=4200焦耳,那麼只要把訓練所造成的功除以4200,不就能算出消耗多少大卡熱量了嗎?啊這樣不是好棒棒?

可惜世界上許多事情並非那麼簡單(畢竟專家學者還要靠研究這個吃飯~),阻力訓練造成的能量消耗除了來自舉起的重量本身,還與使用的肌群(全身性、上肢,還是下肢),舉重的速度、無氧醣解(anaerobic glycolysis)產生的能量、運動時消耗的氧氣,以及運動後燃作用(excess post-exercise oxygen consumption)消耗的能量。

正因為牽涉的變數太多,所以不同的論文根據研究結論,提出各種計算公式試圖解決這個問題。根據研究所提出的計算公式,可歸類為以下三種:

1.利用每分鐘消耗熱量X訓練時間

2.根據做一組訓練所消耗熱量X組數
3.利用轉換公式將運動做功換算成能量消耗

雖然公式看來種類繁多,看來讓人眼花撩亂,不過“站出來一整排,能打的沒一個“,至今仍未出現一個“一統天下“的完美公式。

為了減少大家燒腦的痛苦與算不出答案的失落,這裡提供一個阻力訓練熱量消耗線上計算機,讓各位動動小手便能計算出幾種常見阻力訓練的熱量消耗,雖不完美,但至少簡便堪用。


在期待更精準好用的阻力訓練運動量計算方式的同時,我們長達三堂的運動小學堂在此也告一段落(終於~)。謝謝各位的耐心,也相信各位經由這陣子的磨(ㄘㄨㄟ)練(ㄘㄢˊ),能夠更精確計算與追蹤自己的運動量,掌握自己的訓練進度,早日達成自己的訓練目標!


延伸閱讀

1.ACSMs Resources for the Personal Trainer, 5th edition
2.Quantifying Workloads in Resistance Training: A Brief Review
3.PLOS ONE: Energy cost of isolated resistance exercises across low- to high-intensities
4.Total energy costs-aerobic and anaerobic exercise and recovery-of five resistance exercise
5. 阻力訓練熱量消耗線上計算機
6. 量再大,都不怕-這三招,讓你輕鬆算出運動量
7. 燃燒吧!火鳥!不燒腦,算出有氧運動熱量消耗
8. 懶得動腦懶人包  有氧運動量怎麼算?
https://martinhucsmu.blogspot.com/2019/05/blog-post_18.html
9. 懶得動腦懶人包  阻力訓練量怎麼算?
https://martinhucsmu.blogspot.com/2019/05/blog-post_25.html