Calorie, joule e dispendio energetico nel ciclismo

Calorie, joule e dispendio energetico nel ciclismo

Molti atleti pensano all’energia solo come sostegno per gli sforzi durante gli allenamenti. In una giornata, l’energia è richiesta allo stesso modo per costruire i tessuti, digerire il cibo, e creare enzimi ed ormoni. Il corpo umano non è molto efficiente nell’utilizzare l’energia che produce: circa l’80-85% dell’energia prodotta viene alla fine convertita (dispersa?) invece in calore. Per questo, il metabolismo e la produzione di calore del corpo sono visti tipicamente dalla stessa prospettiva.

Per decenni, l’unità di base dell’energia è stata la Caloria (cal), ossia la quantità di calore richiesta per incrementare la temperatura di un chilo di acqua distillata di 1 °C.

Il SI, Sistema internazionale, ha poi prospettato come unità il Joule (J) . La conversione fra le due unità di misura è semplice, 1 kcal equivale a 4,186 Kj.

Qualche ricercatore usa anche riportare il lavoro in un’unità di Watt, anche se il W è un’unità di potenza (J/sec) . Un W equivale a circa un Joule per secondo, quindi se generiamo 200 W stiamo generando 200 joule di energia meccanica per ogni secondo, ossia 720 KJ per ogni ora. I misuratori di potenzanon riescono a quantificare il dispendio energetico totale del corpo, ma solo quello meccanico; il corpo invece non è efficiente al 100% nel convertire metabolicamente l’energia stoccata coi carboidrati, grassi e proteine in energia meccanica; la maggior parte dell’energia viene convertita in calore, e il corpo umano è efficiente solo in una percentuale che varia tra il 18 e il 26%. (25% di efficienza per 720kj= 2880 kj per un’ora di esercizio). Solo (approssimativamente) 1 caloria su 4 bruciate dal corpo è disponibile per il lavoro meccanico; l’efficienza (vedasi sotto) varia nella popolazione ed è fortemente influenzata dal rapporto delle fibre a contrazione lenta e veloce (nell’ordine: tipo I > tipo IIb > tipo 2x).

Nel “bruciare” energie, la quota derivata dalla completa combustione di ogni macronutriente è differente. Igrassi producono molte energie per ciascun grammo, siamo a 9,4 kcal o 39,3 kj per grammo; le proteineproducono circa 5,65 kcal o 23,7 kj/g, mentre i carboidrati producono solo 4,3 kcal o 18 kj per grammo. Ilmetabolismo umano non è molto efficiente nell’assimilare i vari substrati, nella pratica comune la produzione di carboidrati e proteine è “arrotondata” intorno alle 4 kcal per ogni grammo, ossia 17 kj per ogni grammo, i grassi a 9 kcal per grammo o 37 Kj/gr.

Nello stimare il consumo di un’uscita in bici, la conversione tra Kcal e KJoule -come si può vedere anche tramite alcuni software, in ambito wellness- può essere fatta con una proporzione 1:1 (1kcal= 4,186 kj, ma il corpo brucia il 75% delle energie, approssimativamente un quarto, e le proporzioni si equilibrano. Se il mio misuratore segna 1000 kj, l’equivalente Kcal sarebbe 239 Kcal (1000 kjoule / 4.186), ossia l’energia meccanica trasmessa nella pedalata, non l’energia complessiva consumata dal corpo. Se il corpo avesse un’efficienza pari al 100%, allora tutta l’energia metabolica prodotta dal corpo sarebbe convertita in lavoro meccanico.

In realtà, l’efficienza si attesta tra il 18 ed il 26%, quindi dei nostri 1000 Kj solo 180-260 Kcal in realtà sono destinati allo sforzo sui pedali, il restante dispendio energetico viene dissipato per assolvere altre funzioni a livello organico. Esistono appositi test in laboratorio per ottenere una valutazione dell’efficienza meccanica di ciascun atleta; atleti molto efficienti hanno fattori di conversione di 1,05 Kcal per Kjoule, altri meno dotati circa 1,15. Secondo il Dr. Lim, noto fisiologo,

% efficienza – conversione Kcal per KJ

Principiante:

18 – 1,33

19 – 1,26

Amatore

20- 1,19

21 – 1,14

Under23/ Pro

22 – 1,09

23 – 1,04

Pro/Vincitore grandi giri

24 – 1,00

25 – 0,96

26 – 0,92

Garmin per esempio utilizzano sia la misurazione del lavoro meccanico in KiloJoule (se collegati al powermeter via ANT+), sia una stima delle KCal consumate durante l’uscita (mediante un algoritmo che combina sesso, altezza, peso e classe di fitness, fc della fascia). Questo spiega la differenza fra la misurazione del lavoro meccanico (campo Kj) che lo strumento rileva, rispetto al consumo “metabolico” rilevato in altro modo, tramite la seconda generazione dell’algoritmo Firstbeat (con una buona precisione, del 10% circa, rispetto alla concorrenza).

Per stimare il numero di Kcal bruciate, partendo dal lavoro svolto in bici, si può moltiplicare i KJoule di lavoro “meccanico” svolto in bici (da powermeter) per 1 – 1,1 oppure basta aggiungere +10 di ogni 100 kjoule di lavoro svolto.

Un allenamento di 2 ore ad una potenza media di 220 W può significare circa 2000 Kjoule di lavoro svolto e 2200 Kcal bruciate; la ripartizione % dei macronutrienti verrà determinata dalle capacità del soggetto. Assumiamo arbitrariamente che per Ftp=270w, a 220w avg ci sia un consumo derivante per l’80% da carboidrati, con Ftp=330w alla stessa intensità un apporto del 50% circa da cho. Nel caso invece di una cronoscalata di 45′ totali (FTP= circa il 100% durante lo sforzo), la quota energetica a carico dei carboidrati si aggirerebbe tra il 95 e il 100% rispetto alla richiesta energetica totale a carico dell’organismo.

Sotto: notare come la linea rossa (% di carboidrati utilizzati durante lo sforzo) cresca con il crescere dell’intensità (asse X), a scapito dei grassi (linea gialla) che con l’aumentare dello sforzo assumono una quota sempre meno rilevante (dal 70% allo 0).

È importante sottolineare che però non tutte le calorie ingerite siano utilizzabili per ripristinare la bilancia energetica dopo uno sforzo in allenamento; il processo di digestione ed assorbimento, così come l’assimilazione di substrati nel fegato (proteine e glicogeno) dopo il pasto, richiedono essi stessi energia, allo stesso modo. Questi processi sono del 65- 95% efficienti, a seconda del tipo di pasto. A riposo, ben il5-30% delle calorie vengono utilizzate nella termogenesi indotta dalla digestione, e la termogenesi stessa varia a seconda dei substrati; i carboidrati aumentano il dispendio energetico a riposo del 4-5%, i grassi solo del 2% circa, le proteine del 20 o 30%.

Un pasto tipico potrebbe incrementare questo dispendio del 5-10%, e la termogenesi ha un picco un’ora circa dopo il termine del pasto stesso. Se la cena è ricca di proteine, la termogenesi può durare da 3 a 5 ore, dipende dal tipo di alimentazione piuttosto che dall’introito calorico complessivo (ingerire quattro tipi di alimenti produce un più elevato incremento nella termogenesi, rispetto ad una solo cibo con nello stesso contenuto in termini di calorie).

Negli sportivi di endurance, la termogenesi indotta dall’alimentazione è più bassa rispetto a quanto si può verificare in soggetti non allenati, e questa ridotta termogenesi potrebbe aiutare a conservare energia durante periodi di intensa attività fisica. Altre determinanti sono la genetica, la caffeina, la nicotina, e disturbi come diabete mellito per un discorso insulinico.

La spesa energetica totale di una giornata completa può essere stimata sommando Il fabbisogno di energia del soggetto, ossia il suo metabolismo basale, e le attività giornaliere comuni con l’attività sportiva a cui viene sottoposto. Stimando i requisiti energetici per ogni giorno, sia che ci si alleni in maniera intensa sia che si tratti di un giorno di riposo assoluto, l’allenatore o il nutrizionista possono poi combinare le informazioni con l’introito calorico, per ottenere una bilancia energetica adeguata per ogni giorno della settimana.

Una bilancia calorica negativa, in cui vi sia un leggero squilibrio a favore dei consumi piuttosto che delle entrate, di tre giorni o più di metà settimana, può avere un impatto sull’abilità nell’eseguire gli allenamenti programmati o gareggiare in maniera efficace, specialmente per gli atleti di endurance come il ciclismo. Di converso, un bilancio positivo può permettere all’atleta di ottimizzare il suo allenamento settimanale e sul lungo periodo di ottenere delle performance positive.

Sotto: utilizzo di Cho (zuccheri, curva blu) e Fat (grassi, curva rossa) a intensità del 20, 60 e 80 % circa rispetto al massimale)

È opinione generale in letteratura che atleti molto allenati abbiano una grandissima efficienza energetica rispetto agli atleti che muovono i primi passi in una disciplina di resistenza. Questo è vero, perché atleti molto ben allenati come i maratoneti possiedono decisamente una richiesta in termini di consumo di ossigeno molto minore a X passo, rispetto ad atleti di livello inferiore. È interessante notare che questo non sembri essere vero nel ciclismo; nonostante si pensi che l’efficienza ciclistica non cambi o cambi poco, esiste un caso di studio che coinvolge un texano vincitore del Tour (…) che riporta cambiamenti nella prestazione ciclistica dovuti a modificazioni nell’efficienza, con una potenziale transizione nel tipo di fibre muscolari. Per l’efficienza energetica, la quantità e la qualità di mitocondririsulta importante allo stesso modo; lo sport di endurance incrementa la densità mitocondriale, uno dei primi e più importanti adattamenti indotti dall’allenamento nello sport di durata. Un incremento della quantità di mitocondri conduce a un incremento dell’efficienza nell’energia prodotta (meno glicolitica, più aerobica). E forse ad un incremento nell’uso dei substrati lipidici. Comunque, il carboidrato è ancora la fonte energetica più efficiente, e data una intensità relativa di esercizio, il carboidrato è usato nella stessa percentuale indifferentemente tra soggetti molto allenati e soggetti non allenati.

Se le scorte di carboidrati e glicogeno epatico si esauriscono (e ciò dipende dal livello di allenamento del soggetto, dalla sua dieta e dallo sport svolto), viene parimenti compromessa la capacità di un atleta di mantenere un’ intensità medio-alta (% del Vo2max, che dipende dall’efficienza di qui sopra) per un periodo prolungato di tempo.

Le ricerche relative a casi di obesità e sovrappeso indicano che il corpo cerchi di proteggere e mantenere il peso quando affronta un caso di bilancia energetica negativa, anche se come questo concetto venga applicato agli atleti non è ancora così chiaro in letteratura. Comunque sia, sembra che i disordini mestruali associati all’esercizio fisico nelle atlete possono derivare proprio da meccanismi di conservazione dell’energia.

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