Pubblicato il 14/07/2021
Il Bilancio Energetico nelle Ultracycling - parte prima
scritto da M. Zeppegno, P. Baldissera, S. Roatta*
Passeremo in rassegna una serie di prove su lunghe-lunghissime distanze (tra cui 24 ore in pista e la Race Across America), le competizioni ultracycling che durano da 1 a più giorni e che si svolgono in modo continuativo o con soste intermedie (anche una corsa ciclistica a tappe può essere fatta rientrare in quest’ultima tipologia). Di esse illustreremo le caratteristiche che influenzano il dispendio energetico. In particolare, per le prestazioni di eccellenza metteremo a confronto il consumo giornaliero di energia con la capacità dell’organismo di rimpiazzarla, assumendone di nuova con l’alimentazione, giungendo ad interessanti conclusioni, ad esempio che un corridore non può vincere, nello stesso anno, tutte e tre le principali corse a tappe (Giro, Tour e Vuelta), come mai avvenuto del resto.
Innanzitutto è bene chiarire alcuni concetti. In prove di questo genere assume molta importanza il Dispendio Energetico EE (Energy Expenditure). Alcuni metodi che consentono di risalire ad esso non sono applicabili “in campo” per la complessità dei procedimenti che li rendono applicabili solo in laboratorio, ad esempio quello basato sulla misura diretta dell’ossigeno O2 attraverso i gas respiratori. Altri forniscono risultati controversi, ad esempio quello basato sulla frequenza cardiaca HR Heart Rate che non distingue gli effetti “emozionali” che innalzano l’HR, da cui ne deriva un consumo maggiorato dell’ O2 con conseguente sovrastima dell’EE.
Nico Valsesia RAAM (credit Dino Bonelli)
Il metodo che si fonda sul calcolo della potenza sostenuta richiede, se applicato a prove su strada, una conoscenza molto accurata del profilo altimetrico, e non tiene conto delle condizioni ambientali, che giocano spesso un ruolo importante nelle prove di lunga durata. Inoltre richiede una stima degli extra-costi energetici (relativi al cosiddetto “resting“, o metabolismo a riposo), che concorrono al dispendio energetico e che hanno una incidenza che può arrivare al 50% della EE giornaliera durante la competizione. Questo metodo, tuttavia, verrà utilizzato per analizzare i dati raccolti “in campo” e trovati nella bibliografia, nonché per fornirne una “chiave” di lettura.
I metodi più diretti di rilevamento dell’EE oggi adottati sono sostanzialmente tre:
1. Il primo fa ricorso al powermeter. Presenta però un certo grado di incertezza nel passaggio dal lavoro meccanico (misurato) all’energia metabolica (calcolata). Ha tuttavia una buona validità nelle prove che si svolgono in pista, dove il “motore umano” funziona ad un regime abbastanza stazionario, caratterizzato, quindi, da parametri “standard”.
2. Il secondo è detto Bilancio dell’Energia EB (Energy Balance) e consiste nel calcolare l’EE secondo la formula:
EE = energia contenuta nei componenti alimentari somministrati durante la prova EI (Energy Intake) ± variazione del peso, trasformata in energia
Il metodo è piuttosto macchinoso perché implica la tenuta di un “diario” in cui annotare tutto ciò che viene ingerito dall’atleta durante la competizione per risalire all’energia introdotta nell’organismo, nonché l’assunzione di un valore energetico da attribuire alla massa corporea persa o guadagnata.
3. Il terzo, infine, è il sistema più diffuso e riconosciuto come il più adatto per determinare il dispendio energetico nell’arco di un’intera giornata. È chiamato Acqua a Doppia Marcatura DLW (Doubly Labelled Water). Il metodo è stato inventato negli anni ’50 del secolo scorso, ma si è consolidato solo nel 2000: il soggetto ingerisce una quantità nota di acqua marcata con 2 isotopi (che sono “doppioni” di elementi chimici, aventi però, rispetto ad essi, un diverso peso atomico):
- il 2H (2 indica il peso atomico dell’isotopo, in questo caso doppio rispetto a quello dell’idrogeno H e chiamato anche deuterio) e- il 18O (peso atomico 18 anziché 16 dell’ossigeno O),
da cui il termine di acqua a doppia marcatura. Il deuterio viene eliminato dall’organismo solo attraverso l’acqua, mentre il 18O sia con l’acqua che con l’anidride carbonica CO2 prodotta dal metabolismo. Dal dosaggio di questi isotopi nei liquidi corporei (saliva, urina, sangue) a distanza di intervalli di tempo, è possibile valutare la produzione di CO2 e da questa stimare il consumo energetico.
Giro Italia 2021 (credit Getty Images)
1) Nota per il lettore “curioso” a capire come viene convertita la CO2 in EE. Si adotta il principio secondo cui il rapporto tra la CO2 prodotta e l’O2 consumato dall’organismo, o quoziente respiratorio RQ, è un numero abbastanza preciso che dipende dagli alimenti che assumiamo. In base alla percentuale di carboidrati contenuti negli alimenti si risale ad RQ e da esso all’energia consumata per ogni litro di O2 secondo la relazione in fig.1. In assenza di una rilevazione specifica sugli alimenti, si ipotizza che vengano consumati carboidrati nella misura del 50% (l’altro 50% è rappresentato dai grassi), il che equivale ad assumere RQ = 0,85. In questo caso si hanno 4,86 kcal per litro di O2, ossia 4,86/0,85 = 5,72 kcal per litro di CO2, essendo quest’ultimo il valore che solitamente si trova in letteratura.
Figura 1 − Relazione tra RQ, energia prodotta e tipologia degli alimenti
Si può aggiungere che il diagramma di Figura 1 trova applicazione soprattutto in laboratorio, ove è possibile effettuare la misura “alla bocca” dei gas respiratori (O2 e CO2) durante l’esecuzione dell’esercizio, ad esempio, su un ciclo-ergometro. Dal valore di RQ che ne risulta, è allora immediato risalire all’energia prodotta.
Un altro parametro interessante che emerge dagli studi condotti su queste prove estreme, e qui arriviamo al “dunque”, è il Dispendio Energetico Sostenibile MS (Metabolic Scope), che è la massima capacità dell’organismo di metabolizzare gli alimenti nell’arco della prova, cioè di assimilarli trasformandoli nei loro componenti elementari carboidrati, grassi e proteine, pronti per essere convertiti in energia.
L’EE può essere maggiore del MS quando l’organismo consuma più energia di quanta non ne riesca ad incamerare. In tal caso, però, vengono intaccate le riserve energetiche del corpo, con conseguente riduzione della massa dei tessuti che costituiscono queste riserve e perdita di peso.
Il requisito affinché venga sfruttata tutta l’energia che il corpo è in grado di mettere a disposizione durante una prova di ultracycling è che il dispendio energetico effettivo non sia inferiore di quello sostenibile, cioè che EE ≥ MS. Anzi, per un atleta della classe élite è questa la condizione perché la prova venga etichettata come tale.
Sono interessanti la formula e il grafico relativo, in Figura 2, tratti da [2] e applicabili a prove estreme di locomozione terrestre a propulsione muscolare, quindi anche al ciclismo, di durata 1 giorno o superiore. Il MS è riportato in rapporto al BMR (Basal Metabolic Rate), valore energetico del metabolismo basale, costituito dall’insieme dei processi che avvengono nell’organismo in condizioni di “assoluto” riposo. BMR, più basso del metabolismo a riposo (resting) riferito all’intera durata della prova, viene qui posto uguale a 1 kcal/h x kg−1, cioè 1680 kcal/giorno per un atleta di 70 kg. Dal grafico della Figura 2 si osserva che il rapporto MS/BMR ha un valore massimo attorno a 9 per prove di 1 giorno, diminuisce all’aumentare della durata della prova, e si mantiene comunque sopra 2,5 per una prova che dura diversi mesi, quale potrebbe essere l’intera stagione di attività di un corridore.
In parole semplici, la capacità dell’organismo di metabolizzare gli alimenti per produrre energia diminuisce con l’aumentare della durata della prova. Per dei soggetti che abbiano un BMR, ad esempio, di 1700 kcal/giorno, è di 15000 kcal/giorno in una prova che dura 1 giorno, si abbassa a 10000 kcal/giorno se la prova dura 10 giorni, e scende ulteriormente aumentando i giorni della prova.
Il significato pratico del MS è quello di fornire, in funzione della durata della prova e del metabolismo basale del soggetto, un valore di riferimento in base al quale deve essere dosata l’EE giornaliera per ottenere prestazioni ottimali.
Figura 2 − Andamento del Dispendio Energetico Sostenibile MS rapportato al Metabolismo Basale BMR in funzione della durata della prova.
Nella figura sono anche indicati i punti che rappresentano il Dispendio Energetico EE, anch’esso rapportato al BMR, di alcune prove.
Come primo esempio di applicazione della Figura 2, analizziamo una prova ciclistica in pista della durata continuativa di 24 h con i dati da [3], riferiti al record di distanza percorsa ottenuto nel 2017. I km sono stati 941,9 alla velocità media di 39,2 km/h, con una potenza media sostenuta (rilevata mediante powermeter) di 214 W. L’EE può essere ricavata dalla potenza, EE = 214 x 24 x 0,86/0,25 + 2400 di extra-costi energetici (stimati in 100 kcal/h) = 20068 kcal, dove 0,86 è il coefficiente di conversione tra i Wh e le kcal e 0,25 è il rendimento aerobico η (rapporto tra il lavoro meccanico utile e l’energia metabolica consumata per compiere questo lavoro) che si attribuisce al ciclismo.
Si può allora calcolare che EE/BMR = 20068 / 1680 = 11,94, assumendo 1680 kcal/giorno come metabolismo basale. Utilizzando la formula o il grafico di fig. 2 si ottiene MS/BMR = 8,78. E’ quindi EE > MS. Questa prova rientra perciò a pieno titolo tra le ultracycling.
Quanto all’energia introdotta con gli alimenti, in [3] si indica un EI = 10800 kcal. Risulta quindi un deficit di energia di 20068 − 10800 = 9268 kcal. Verosimilmente, essendo il consumo di energia prevalentemente a carico dei grassi, nella prova il soggetto avrà perso poco più di 1 kg (essendo di circa 9000 kcal/kg il contenuto energetico dei grassi), valore del tutto accettabile.
Mathilde Gros (credit Emmanuel Bournot)
* L’articolo è proprietà riservata degli Autori
M.Zeppegno: ingegnere, ex-direttore R & D di un’importante azienda energetica
P.Baldissera: ingegnere, coordinatore tecnico del team studentesco Policumbent e co-fondatore di Gregario srl
S.Roatta: professore associato di Fisiologia, Università di Torino
Bibliografia consultata:
[1] Wilmore J.H. & Costill D.L. Fisiologia dell'esercizio fisico e dello sport (2005 − Ed. Calzetti - Mariucci)
[2] Thurber C., Dugas L.R., Ocobock C., Carlson B., Speakman J. R., Pontzer H. Extreme events reveal an alimentary limit on sustained maximal human energy expenditure − Science Advances, 2019; 5(6) DOI: 10.1126
[3] Knechtle B., Rosemann T., Nikolaidis P.T. Self-Selected Pacing during a 24 h Track Cycling World Record − Intern. Journal of Environmental Research and Public Health − Aug. 2019