Development and evaluation of metabolic and mechanical determinants of swimming performance

Die Schwimm-Performance, also die höchste im Wettkampf erreichte Durchschnittsgeschwindigkeit, wird durch ein komplexes Zusammenspiel aus maximaler metabolischer Leistung, einschließlich anaerober und aerober Energiebeiträge, und minimalem Energieaufwand (C) bestimmt, welcher von mechanischen Parametern, wie anthropometrischen, neuromuskulären und technischen Eigenschaften, beeinflusst wird. Da Wettkämpfe von ~20 s (50 m Freistil) bis zu ~2 h (10 km Freiwasser) dauern können, sind die verschiedenen Disziplinen durch unterschiedliche Beiträge der einzelnen Determinanten gekennzeichnet. Im Vergleich zu Sportarten an Land, wie dem Laufen, wird beim Schwimmen ein noch geringerer Anteil der metabolischen Leistung in Vortrieb umgewandelt, da zusätzlich Energie in Form von kinetischer Energie auf das Wasser übertragen wird, ohne zum Vortrieb beizutragen. Zudem ist der Widerstand aufgrund der hohen Dichte des Wassers (> 800-fache Dichte der Luft) grundsätzlich erhöht. Infolgedessen ist das Spektrum (sub-)maximaler Geschwindigkeiten beim Schwimmen eng, wobei der sog. Schwellentrainingsbereich (also zwischen der ersten metabolischen Schwelle und dem maximalen metabolischen Steady-State) nur 0.06 – 0.10 m∙s-1 beträgt.
Um die Entwicklung der Schwimm-Performance adäquat abzubilden, müssen die diagnostischen Testprotokolle und Parameter daher präzise, spezifisch und sensitiv sein und gleichzeitig das komplexe Zusammenspiel der oben genannten Determinanten widerspiegeln. Da die derzeitige diagnostische Testbatterie des Deutschen Schwimm-Verbands (DSV) für seine Kaderschwimmer*innen jedoch einige dieser Anforderungen nicht oder nur unzureichend erfüllt, war das Ziel dieser Dissertation, in mehreren aufeinander aufbauenden Projekten in Zusammenarbeit mit dem DSV und dem Schwimmverband Nordrhein-Westfalen, metabolische und mechanische Determinanten der Schwimm-Performance im Sinne eines langfristigen Athlet*innen-Monitorings zu identifizieren, zu evaluieren und weiterzuentwickeln. Konkret ging es in der ersten Studie darum, neuartige metabolische Testprotokolle zu entwickeln und zu validieren, um die engen Intensitätsbereiche im Schwimmen genauer und sensitiver abzubilden. Aufbauend auf der Validierungsstudie bestand das Ziel der zweiten Studie darin, die neuartigen Testprotokolle zur Überwachung der Leistungsentwicklung von Nachwuchsschwimmer*innen unter Berücksichtigung der oben genannten metabolischen und mechanischen Determinanten über einen Saisonzyklus hinweg einzusetzen. Um nicht nur metabolische, sondern auch neuromuskuläre Determinanten schwimmspezifisch zu berücksichtigen, war das dritte Ziel die Anwendung und Weiterentwicklung von Last-Geschwindigkeits Profilen im Wasser, um individualisierte Trainingsableitungen zu ermöglichen.
In der ersten Studie wurden die aus verschiedenen inkrementellen Protokollen abgeleiteten Laktatschwellen, d. h. Stufentest, Laktatminimumtest und Reverse Lactate Threshold Test, mit dem maximalen Laktat Steady State verglichen, welches als Kriterium für den maximalen metabolischen Gleichgewichtszustand diente. Um eine hohe Genauigkeit und Sensitivität zu gewährleisten, wurden in allen Testprotokollen feste Stufendauern in Kombination mit einer feinen Auflösung der Inkremente (≤ 0,03 m∙s-1) verwendet. Die Untersuchung von 23 Schwimmer*innen bzw. Triathlet*innen (12 männliche und 11 weibliche Teilnehmende) unterschiedlichen Alters und Leistungsniveaus zeigte insgesamt geringe Abweichungen zwischen den Schwellenkonzepten und dem Kriterium (≤ 0,02 m∙s-1), was durch hohe Intraklassen-Korrelationskoeffizienten (≥ 0,886) unterstrichen wurde. Zusammenfassend ermöglichten die Testprotokolle mit einer festen Stufendauer und feinen Abstufungen eine hohe Genauigkeit bei der Schätzung der Geschwindigkeit am maximalen Laktat Steady State. In Anbetracht der vergleichbaren Kriteriumsvalidität mit dem Laktatminimum und der Reverse Lactate Threshold scheinen aus inkrementellen Stufentests abgeleitete Laktatschwellen praktikabler zu sein, da weniger Vorwissen erforderlich ist und individuelle Trainingszonen anhand der ersten und zweiten Laktatschwelle abgeleitet werden können.
In der zweiten Studie wurde das longitudinale Zusammenspiel von anthropometrischer, metabolischer und neuromuskulärer Entwicklung in Bezug auf die Performance (d. h. [sub-]maximale Schwimmgeschwindigkeiten) bei Nachwuchskader-Schwimmer*innen auf nationaler Ebene über eine Saison hinweg unter Verwendung der zuvor validierten Testprotokolle untersucht. Sieben männliche und 12 weibliche Teilnehmende wurden vor und nach der Vorbereitungsperiode, zum Saisonhöhepunkt und zu Beginn der Vorbereitungsperiode der nächsten Saison getestet. Neben der anthropometrischen (z. B. Fettanteil) und neuromuskulären Testung an Land (Last-Geschwindigkeits Profile für Kniebeuge und Bankdrücken) wurden die maximale metabolische Leistung (maximale Sauerstoffaufnahme [V̇O2peak] als Indikator für die aerobe Leistung und Laktatakkumulation für die anaerobe Leistung), C und die Schwimm-Performance (Sprintgeschwindigkeit und Geschwindigkeit an den Laktatschwellen) im Wasser ermittelt. Obwohl bei allen Parametern und ihren Zusammenhängen über den Jahreszyklus hinweg nur triviale bis mäßige Schwankungen zu beobachten waren, wurde bei der neuromuskulären Kapazität (≥ 10% Anstieg der Maximalkraft in der Kniebeuge und beim Bankdrücken sowie der dynamischen Kraftproduktion), der metabolischen Leistung (~5% Anstieg der V̇O2peak) und der Geschwindigkeit an beiden Laktatschwellen (≥ 0,02 m∙s-1 Anstieg) von der Vorbereitungs- bis zur Wettkampferiode ein Peaking ersichtlich. Zuwächse in der Kraft und der V̇O2peak von der Vorbereitungsphase zur Wettkampfphase führten also zu einer verbesserten Schwimm-Performance.
Zur Weiterentwicklung schwimmspezifischer neuromuskulärer Tests wurden Last-Geschwindigkeits Profile im semi-tethered Schwimmen, also mit einem mobilen Zugwiderstandssystem im Wasser eingesetzt, um die Beiträge der unteren und oberen Extremitäten zum Ganzkörper-Kraulschwimmen bei neun weiblichen und 11 männlichen (inter-)nationalen Schwimmer*innen zu untersuchen. Die theoretisch maximale Geschwindigkeit und Last sowie der aktive Wasserwiderstand wurden als Prozentsatz der Summe beider Extremitäten für die Bewegungen jeder Extremität ausgedrückt, um deren Beiträge zu berechnen. Die Differenz der Ganzkörperwerte abzüglich der Summe beider Extremitäten wurde zur Schätzung der Ganzkörperreserven verwendet. Bei allen Parametern wurden unerwartet große Beiträge des Unterkörpers (≥ 37%) beobachtet, was auf eine wesentliche Rolle für die Kraulbewegung beim Sprintschwimmen unabhängig vom Geschlecht hinweist. Die große interindividuelle Variation der Beiträge des Unter- und Oberkörpers in dieser hochtrainierten Stichprobe deutet dagegen auf individuelle Verbesserungspotenziale im Training hin. Darüber hinaus weisen die mäßigen bis sehr hohen Korrelationen (r ≥ 0,47) zwischen den Geschwindigkeitsreserven und der theoretisch maximalen Ganzkörpergeschwindigkeit bei Schwimmer*innen beider Geschlechter darauf hin, dass eine bessere Sprintleistung mit einem effizienten Geschwindigkeitstransfer von der Unter- und Ober- auf die Ganzkörperbewegung assoziiert zu sein scheint.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Dissertation, dass das maximale metabolische Steady State und damit die engen Intensitätsbereiche im Schwimmen mit dem entwickelten inkrementellen Stufentestprotokoll mit fester Stufendauer und feinen Abstufungen genau bestimmt und zur Ableitung individualisierter Trainingsbereiche genutzt werden können. Darüber hinaus kann der Stufentest aufgrund seiner hohen Sensitivität auch zur Überwachung der Leistungsentwicklung unter Berücksichtigung metabolischer Determinanten bei hochtrainierten Athlet*innen eingesetzt werden, was auf Landesebene bereits umgesetzt wurde und nun auf Bundesebene implementiert werden soll. In Bezug auf die neuromuskuläre Testung ermöglichen semi-tethered Last-Geschwindigkeits Profile nicht nur die schwimmspezifische Erfassung von Kraft- und Geschwindigkeitspotenzialen, sondern auch von Beiträgen der unteren und oberen Extremitäten zum Ganzkörperschwimmen sowie von Ganzkörperreserven, die wiederum individualisierte Trainingsableitungen für neuromuskuläre Parameter erlauben.