心拍数と運動強度について

よく「脂肪を燃焼させるためには最大心拍数の60%の心拍数で運動すれば良い」などと耳にするように、心拍数は運動強度を示す指標として用いられています。

そこで今回は心拍数と運動強度について解説致します。

●酸素摂取量について
心拍数と運動強度の関係について理解するためには酸素摂取量について理解する必要があります。そこでまず、酸素摂取量とは何かについて説明していきましょう。

私たちが運動のみならず全ての生命活動を行なう上では骨格筋が収縮する(筋肉を動かす)必要があります。骨格筋が収縮する(筋肉を動かす)ためにはATP(アデノシン3リン酸)ADP(アデノシン2リン酸)Pi(リン酸)に分解される際に発生する化学エネルギーが必要であり、私たちの身体は常にATPの分解と産生(再合成)を繰り返しています。そして、私たちの身体にはATPを産生するためのシステムが大きく分けて2つ(無酸素的エネルギー供給機構=ATP-CP系&解糖系有酸素的エネルギー供給機構=酸化系)あり、ほとんどの運動を行なう時には酸素を使ってATPを産生する酸化系が働いています。一見すると酸化系とは無縁のような100m全力走時でさえ、酸化系によるATPの供給が全体の約17%を占めるといわれています。

従って、私たちが行なうほとんどの運動には酸素が必要であり、酸素を体内に取り込む必要性があるという訳です。

参考:エネルギー供給機構については以下の記事も参照下さい。

ところで、私たちは呼吸によって酸素を体内に取り込んでいます。呼吸によって取り込まれた酸素はまず肺で血液中のヘモグロビンと結合し、心臓の拍動によって筋肉などの各組織に送られます。筋肉などの各組織にたどり着いたヘモグロビンは、そこで酸素を離し、ATPを産生する過程で生じた二酸化炭素と結合して、肺へと戻ってきます。肺まで戻ってきたヘモグロビンは、二酸化炭素を離し再び酸素と結合し筋肉などの各組織に送られています。

このように私たちの身体の中では肺と筋肉などの各組織において酸素と二酸化炭素の交換が行なわれているのです。

安静時に心臓から送り出される血液、つまり動脈血1デシリットル中にはおよそ20ミリリットルの酸素が含まれており、筋肉などの各組織から心臓に戻ってくる血液、つまり静脈血1デシリットル中には、およそ15ミリリットルの酸素が含まれているといわれています。この動脈血に含まれる酸素量と静脈血に含まれる酸素量の差のことを動静脈酸素較差と呼んでいますが、この動静脈酸素較差は、筋肉などの各組織で取り込まれた酸素の量を表していることになります。

従って、心臓から送り出された血液の量が分かれば、全身でどれだけの酸素が取り込まれたかを把握することが出来る訳です。

この全身で取り込まれた酸素量のことを酸素摂取量と呼んでいますが、心臓から1分間に送り出される血液量のことを心拍出量と呼び心拍出量は

一回拍出量×心拍数

という式で表すことが出来ますので酸素摂取量は

一回拍出量×心拍数×動静脈酸素較差

という式で表すことが出来ます。

運動が激しくなれば激しくなるほど多くのATPが必要となり、より多くの酸素が必要となることから、その運動中の酸素摂取量は増加しますが、酸素摂取量には各個人に限界点があります。この酸素摂取量の最大限界のことを最大酸素摂取量と呼んでいます。

●最大酸素摂取量
最大酸素摂取量は、各個人が体内に取り込むことが出来る酸素量の最大限界のことです。

酸素摂取量は、一回拍出量、心拍数、動静脈酸素較差から求めることからも分かるように、最大酸素摂取量は、心臓の機能や筋肉の機能によって決定されるといえます。いい換えると、心臓や筋肉の機能が優れている人の方が最大酸素摂取量が高い値を示すということです。特に心拍出量が最大酸素摂取量を決定する要因であり、持久系能力に優れている人ほど心拍出量も大きいことが知られています。

このような背景から、最大酸素摂取量は持久系能力の評価を行なうための指標として用いられ、最大酸素摂取量は個人の持つ持久力の限界点=最大持久力であるともいえることから最大酸素摂取量が運動強度を決定するための基準として用いられています。すなわち、最大酸素摂取量を基準にその何%に相当する運動強度であるかを設定・評価し効率の良い持久系トレーニングが実行できるようにしているという訳です。

しかしながら、最大酸素摂取量は研究機関等で専用の機器を用いて測定しなければならないため誰もが簡単に測定することは出来ません。そこで、心拍数と酸素摂取量の関係を利用して心拍数によって運動強度の設定・評価を行うのです。

●心拍数と酸素摂取量の関係
酸素摂取量は、一回拍出量×心拍数×動静脈酸素較差という式で表されることは既に述べました。

この時、一回拍出量は運動開始と共に上昇しますが、運動中ある一定の量で落着くことが知られています。また、動静脈酸素較差についても、個人の中である一定範囲内に留まるといわれています(もちろん、どちらも持久系トレーニングによっては向上します。)。従って、運動(強度)に対して一番敏感な反応を示すのは心拍数であることが知られています。

実際に、徐々に運動強度を増加させていくような運動を行なっている時の心拍数と酸素摂取量との間には比例関係がみられます。そして、徐々に運動強度を増加させていくような運動を行なう時には、運動強度の増加に伴い心拍数は上昇し最高心拍数に達します。最高心拍数に達するような最大強度付近まで運動強度が増加すると心拍数は上昇するのにも関わらず、酸素摂取量はそれ以上増加しない現象がみられることもありますが(すなわち、この時の値が最大酸素摂取量です)、最大強度以下の運動強度であれば心拍数と酸素摂取量は直線関係を保って増加するのです。

この直線比例関係は、最大酸素摂取量に対する相対値と最高心拍数に対する相対値はほぼ等しい関係にあるということを示していますが、実際には安静状態から最大に至るまでの変動範囲に対する相対値がほぼ等しい関係にあるとされています。

このような生理学的背景を利用して、最大酸素摂取量の何%強度に相当する運動であるかを心拍数を用いて設定・評価する訳です。

●心拍数を利用した運動強度の設定
心拍数を用いて運動強度を設定・評価できる背景については理解できたと思いますので、具体的な設定・評価方法について触れていきたいと思います。

運動強度の指標となる最大酸素摂取量に対する相対値=%VO2maxを心拍数を用いて設定するためには、安静状態から最大状態に至るまでの変動範囲=予備能(予備心拍数= Heart Rate Reserve:HRR)を考慮することが重要になります。

私たち人間は当然、安静時にも心臓が拍動し筋肉などの各組織に酸素を供給していますので、安静状態から最大状態に至るまでの変動範囲=予備心拍数を考慮しないと過大評価(過大な運動強度設定)に陥る可能性があるとされているからです。

実際に、最大酸素摂取量に対する相対値(%VO2max)と予備心拍数に対する相対値(%HRR)は等しいことが明らかにされています。

これらのことから心拍数を用いて運動強度を設定・評価するには、まず安静時の心拍数(安静時心拍数)と最大心拍数を把握し予備心拍数を求めなければなりません。安静時心拍数ならびに最大心拍数ともに厳密(正確)に測定するにこしたことはないのですが、なかなか難しいというのも事実です。可能であれば、安静時心拍数は30分間の座位安静を保った後に測定したものを、最大心拍数は最大限の運動を行なった時に得られたものを利用するようにします。最大心拍数については220−年齢という簡便式で求めても問題はありませんが、個人差があり、この式によって得られた値が必ずしも本人の最大心拍数であるとは限らないということを認識しておいて下さい。

予備心拍数=最大心拍数(220-年齢)-安静時心拍数

例:年齢30歳、安静時心拍数60拍/分の人の予備心拍数

(220-30)-60=130

予備心拍数を求めた後に以下の式を用いてターゲットとする運動強度(%VO2max)の心拍数(目標心拍数)を求めます。

予備心拍数(最大心拍数−安静時心拍数)×目標運動強度(%)+安静時心拍数

*この式によって目標心拍数を求める方法をカルボーネン法と呼んでいます。

上記の例を参考に目標運動強度を60%VO2maxに設定し、その目標心拍数を求める場合は以下の通りとなります。

130(予備心拍数)×0.6(60%)+60 = 138拍/分

しかしながら、心拍数は、さまざまな影響を受けて変動することが知られていますので、あくまでも推定値であるということを十分に認識することが重要です。

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野口克彦

マラソン/トライアスロン

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