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運動時の筋肉/心臓/肺の関係性について解説!

以前からちょこちょこ書いていますが、自分がスピードアップをしたこの機会に、より詳しくスポーツ科学、運動生理学などを勉強しはじめています。専門書を10冊程度読み込んでおり、だんだんと詳しくなってきました。

ということで、このページではその学習した内容を図などを交えて、わかりやく解説していきたいと思っています!専門書の内容をそのまま書いても難しすぎるので、できるだけ実体験にもとづきながら、わかりやすく解説していく予定です!
まず初めに、タイトルの通り、運動エネルギーは一体どこからきているのか?筋肉/心臓/肺はどういった役割をもっているのかの概論について、説明したいと思います!
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筋肉/心臓/肺のそれぞれの役割

まず初めに、筋肉/心臓/肺がどのような役割を持つかを説明します。簡単には、下記の図のように各々が連動して動いています。
図1

筋肉の役割

筋肉の役割は、単純に「運動を行う」です。走るのであれ、球を投げるのであれ、全ては筋肉によってエネルギーが生み出されます。力のアウトプットは常にこの「筋肉」になるわけです。では、この筋肉でエネルギーを生み出すのには、どうすればいいかというと、、、この生成方法にはいくつか種類があります。簡単に分けると、無酸素的な回路と有酸素的な回路の二つです。無酸素的な回路でもエネルギーを生み出すことは可能なのですが、短期的にしか使用できません。そのため、中長距離走になってくるとほとんどが有酸素回路からエネルギーを取得。そこで必要になってくるのが酸素です。酸素がないと、いくらエネルギー資源(グリコーゲンや脂肪)があってもエネルギーを生み出せないのです。この酸素が全身の筋肉で必要になるため、上図のように、私たちの身体には全身に血液が張り巡らされて、絶えず循環しているわけです。そして、その循環をおこなっているのが心臓の役割です。

心臓の役割

心臓の役割は、全身の筋肉や内臓で必要となる酸素を届けるために、血液を循環させるために、血を押し流すことです。そのために心臓は、通常1分あたり60~70回と、かなりの頻度で血液を押し流しているわけです。心臓一回あたりの拍出で、70ml程度の血液が出力されるそうです。なので1分間には4200~4900mlの血液が心臓から押し流されているわけですね!人間の血液は体重にもよりますが、大体5リットルと言われているので、1分間で血液を1周させてしまうぐらいの速度で循環させて、酸素が常に筋肉に行き届くようにしているわけです。もしこれが1分間でも止まったら、、、筋肉や脳など様々な器官が死んでしまうわけです。怖すぎる、、、、
また、血液に酸素をのせて全身に送り届けるわけですが、そのときに血液中のヘモグロビンを使用します。このヘモグロビンが酸素を運んだり、あるいは筋肉から排出された二酸化炭素を拾って心臓まで運んできたりするわけです。

肺の役割

では、心臓で送っている酸素はどこからくるかというと、、、もちろん肺です。肺の役割はいたって簡単ですね。必要になる酸素を空気中から取り込み、筋肉から排出された不必要な二酸化炭素を身体の外の出しているわけです。毎分通常は、12~18回程度の呼吸を行い、6~10リットル程度の空気を取り込み、酸素と二酸化炭素の交換をおこなっています。全身から使い古した二酸化炭素濃度が高い血液を受け付けて、心臓は肺動脈から肺にその血液を送り出します。そして、肺でその二酸化炭素を新鮮な酸素と交換し、肺静脈を通じて心臓に戻っていき、また全身に酸素を届けられるようにしているわけです。

筋肉/心臓/肺の運動時の変化

では、これらの筋肉/心臓/肺で運動時にはどのような変化がおきるのでしょうか。それを解説したのが下図です。
図2

筋肉の変化

まず運動力が増加するということは、それだけ筋肉に力が必要になります。例えば、脚を動かすのでも、速く走るためには、1)脚の可動範囲を広げる、2)脚をより高速に動かすのどちらかが必要になります。そしてどちらであれ、より多くのエネルギーが必要になります。そのためには、上図の通り、全身に蓄えてあるグリコーゲン(糖)や脂肪を分解して、エネルギーに高速に変換しなければならないのです。しかし、その分解には酸素が必要になります。そのため、全身の筋肉で強い運動が発生した瞬間に、心臓に「もっと酸素が必要だ!」という指令を送ります。これにより、心臓にも変化が起きるわけです。

心臓の変化

運動が発生して、筋肉により多くのエネルギーが必要だと分かった場合には、すぐに心臓はその心拍回数/拍出量を増やそうとします。これが所謂、心拍数の増加ですね。皆さんも心拍数の増加具合を見たことあるかと思いますが、運動をおこなうと一瞬で増加します。それぐらい筋肉と心臓は密に連携しあっているんですね。というよりそうじゃないと、筋肉ですぐにエネルギーが枯渇してしまい、動けなくなってしまいます。
この心臓の変化はすごいです。心拍数は通常60程度だったのが、最大で180~200程度まで増加します。これにより、より多くの血液が送れるようになるわけです。さらに、一回あたりの拍出量も増加するため、総合的に供給できる酸素は、安静時の10倍以上にふくれあがらせることができます。安静時は体重1kgあたり3.5ml程度の酸素しか取り込めないのですが、運動を行うと最大で50ml以上も酸素を取り込めるようになります(人によりますが)。この、どの程度の酸素を取り込めるかという値は人によって違い、最大酸素摂取量と呼ばれています。そして、この最大酸素摂取量によって、マラソンのタイムは決まるといっていいぐらい、重要なものとなっています。一般人は35ml程度しかありませんが、プロのマラソン選手は80ml程度あるそうです。
ちなみに、この安静時の3.5mlという酸素でできる行動を1とした時に、どの程度各運動で酸素が必要になるかを示したのがMETSという指標です。また、酸素の摂取量がわかれば、消費するエネルギーにも換算できるので、このMETSという値はカロリー計算には非常に便利なものとなっています。

肺の変化

心臓で必要な酸素な量が増えると、自動的に呼吸の量も増えていきます。これも、心臓からの指令で、無意識的に連動して呼吸の一回当たりの空気量や、1分間あたりの呼吸回数も多くなっていきます。ただ、こちらの反応は筋肉を動かしたらすぐに肺が活発になるというより、血液中の酸素濃度の低下が起こり始めたら、自動的に苦しくなって肺が活発になりだすようなイメージでしょうか。所謂、「バテ」ですよね。
今回は概論として、筋肉/心臓/肺の役割を簡単に説明しました。今後は筋肉、心臓、肺それぞれに焦点をあてて詳しく説明していこうと思っています!


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