critical power · basis

Wat is Critical Power, en waardoor wordt het bepaald?

Op basis van het overzichtsartikel Goulding RP, Marwood S. Interaction of Factors Determining Critical Power. Sports Medicine 2023;53:595–613 (open access, CC BY 4.0). Bij elk blok staat de paginaverwijzing; de oorspronkelijke Engelse tekst is per blok uit te klappen.

1

Definitie

Critical power (CP) is de hoogste power output waarbij je lichaam nog in een metabole steady state blijft: de grens tussen zware en zeer zware inspanning. W′ is de hoeveelheid arbeid die je boven CP nog kunt verrichten. Is W′ = 0, dan kun je geen vermogen boven CP meer leveren.
Drie passages samengevoegd — p. 595, 596, 608
Oorspronkelijke tekst (EN) ▸

The asymptote of the hyperbolic relation between external power and time to task failure, critical power, represents the threshold intensity above which systemic and intramuscular metabolic homeostasis can no longer be maintained. (Abstract, p. 595)

Critical power separates the heavy and severe exercise-intensity domains wherein qualitatively divergent physiological responses are observed, such that CP represents the threshold intensity above which a metabolic steady state cannot be attained during exercise. (Conclusies, p. 608)

Critical power defines the boundary between the heavy- and severe-intensity exercise domains and represents the highest power output for which a metabolic steady state may be attained. The W′ comprises a fixed and finite volume of work that is expendable above CP. During severe-intensity exercise, task failure occurs when W′ = 0. (Bijschrift fig. 1, p. 596)

T = W′ / (P − CP)
T = tijd die je volhoudt · P = vermogen
Rekenvoorbeeld (waarden uit de grafiek)
CP270 W
W′15 kJ = 15.000 J
P353 W
P − CP83 W
T15.000 / 83 = 180 s = 3 min
Na 3 minuten op 353 W is W′ op.
p. 596
Oorspronkelijke tekst (EN) ▸

When time to task failure is plotted against power output, the relationship is curvilinear, with the ability to sustain exercise falling away more rapidly at higher power outputs (Fig. 1). This power-time relationship is well described by a hyperbolic function, with an asymptote known as critical power (CP) and the curvature constant termed W′ (i.e. W prime). This relationship is described by the following equation: T = W′ / (P − CP), where T is the tolerable duration and P is the power output of a given exercise task.

zeer zwaarzwaarW′CPtijd tot uitputting (min)vermogen (W)03691215200250300350400
De vermogen-duurcurve (naar fig. 1). Hoe hoger het vermogen boven CP, hoe korter je het volhoudt; de curve vlakt af naar CP. Het blauwe vlak is W′: vermogen boven CP × tijd, en dat vlak is bij elk punt op de curve even groot. Voorbeeldwaarden: CP 270 W, W′ 15 kJ.
2

Het bewijs

De bevindingen van Poole (eind jaren tachtig) zijn later meermaals bevestigd in ander onderzoek. Boven CP stijgt de zuurstofopname tot VO2max; in het bloed blijft lactaat stijgen en blijven bicarbonaat en pH dalen. De metabole balans is dus verstoord. Metingen in de spier zelf laten dit ook zien voor fosfocreatine, anorganisch fosfaat, pH en lactaat.
Twee passages samengevoegd — p. 596–597
Oorspronkelijke tekst (EN) ▸

Since the seminal work by Prof. David Poole and colleagues in the late 1980s, it has been repeatedly demonstrated that CP reflects the upper limit at which a metabolic steady state can be sustained. (p. 596)

For example, V̇O₂ rises to V̇O₂max during exercise above, but not at or below, CP, accompanied by similarly inexorable trajectories of blood [lactate], [HCO₃⁻] and pH. […] More recently, non-invasive (³¹P-magnetic resonance spectroscopy, near-infrared spectroscopy) and invasive (i.e. muscle biopsy) studies have demonstrated the achievement of a steady state in the exercising muscle below, but not above, CP in muscle V̇O₂, [phosphocreatine] ([PCr]), [inorganic phosphate] [Pi], pH and muscle [lactate]. (p. 597)

3

Hoe CP wordt bepaald

CP kun je goed bepalen met drie maximale tests op constant vermogen, op aparte dagen, elk tussen de 2 en 15 minuten tot uitputting (het artikel noemt drie tot vijf). De exacte duur en het vermogen per test worden gebruikt om de curve te maken (zie de figuur in sectie 1). Die duur is nodig omdat je aan het eind VO2max moet bereiken — alleen dan zit elke test in het zeer zware domein.
p. 596
Oorspronkelijke tekst (EN) ▸

This threshold intensity can be determined by undertaking three to five high-intensity, constant-power output cycle ergometer tests to the point of task failure on separate days. The tests should be selected to last no less than 2 and no more than 15 min in duration, with the precise time to task failure and power output at which each test is conducted recorded. These durations are recommended for a valid determination of this intensity, as it is essential that V̇O₂max is attained at the end of trial in order to meet the requirement for all prediction trials to be performed within the severe-intensity domain.

Latere literatuur laat zien dat je bij getrainde, ervaren wielrenners ook met twee maximale tests een betrouwbare CP en W′ kunt bepalen [10]. Drie of meer tests geven een nauwkeuriger beeld. Ik bied standaard een test van 3 en van 12 minuten aan, met optioneel een dag later een test van 7 minuten.
[10] Parker Simpson & Kordi 2017
Oorspronkelijke tekst (EN) ▸

The current study demonstrates that after 2 familiarization sessions, reliable CP and W′ parameters can be obtained from trained cyclists using only 2 maximal-exercise trials. These results offer practitioners a practical, time-efficient solution for incorporating power-duration testing into applied athlete support. (conclusie abstract)

4

Waardoor CP wordt bepaald

CP is een maat voor de aerobe functie. Alles m.b.t. het transport van zuurstof, van de buitenlucht tot in de mitochondriën, kan CP beïnvloeden. Het transport kent vier stappen: (1) van de lucht via de longen in het bloed; (2) via het bloed naar de spier (convectie); (3) van de haarvaten in de spier naar de mitochondriën (diffusie); (4) het gebruik van zuurstof door de mitochondriën.
§2, p. 597
Oorspronkelijke tekst (EN) ▸

That CP represents the threshold intensity above which exercise cannot be sustained in a steady state indicates that it is a parameter of aerobic function. Consequently, it follows that CP may be affected by any step in the O₂ transport and utilisation cascade, from atmospheric air down to the muscle mitochondria themselves. Specifically, these steps include: (1) transport of atmospheric O₂ into the blood via pulmonary diffusion; (2) bulk transport of O₂ to the muscle via convection (i.e. convective O₂ delivery); (3) diffusion of O₂ from capillary to muscle mitochondria (i.e. diffusive O₂ delivery); and (4) the utilisation of O₂ by the muscle mitochondria (Fig. 2).

Luchtatmosferische O₂1Longenpulmonale diffusie2Bloedconvectie: hart en circulatie3Haarvatendiffusie naar de spiercel4Mitochondriëngebruik van O₂
De vier stappen van het zuurstoftransport (vereenvoudigd naar fig. 2, Wasserman).
O₂-aanvoerdoor convectiehartminuutvolume ×arterieel O₂-gehalteQ̇ × CaO₂O₂-aanvoerdoor diffusievan capillair naarmitochondriën(PO₂cap − PO₂im) × DO₂Spiervezeltypesamenstelling type I /type II-vezelsSpierrekruteringpatronen van motor-unit-rekruteringO₂-gebruik in de spierkinetiek van het zuurstofverbruik (τV̇O₂)bij de overgang van rust naar inspanningIntracellular metabolic perturbation[Pi] (mM)Time (s)0306090120150180210240Critical threshold[Pi] peakCritical Powerhoogste vermogen met metabole steady state
Figuur: nagetekend naar fig. 4 in Goulding & Marwood (2023), CC BY 4.0. Labels vertaald. Pi = anorganisch fosfaat, komt vrij bij de afbraak van fosfocreatine; boven CP hoopt het op tot een kritische drempel. “[Pi] is a prime candidate for the common denominator between fatigue and efficiency owing to its central role in muscle fatigue and task failure” — [Pi] is de meest waarschijnlijke gemeenschappelijke noemer van vermoeidheid en efficiëntie, vanwege zijn centrale rol bij spiervermoeidheid en taakfalen (p. 606).
De aanvoer van zuurstof via het bloed en de haarvaten, en de zuurstof die de spier verbruikt, bepalen samen hoe groot de (metabole) verstoring in de spiercel is bij de start van een inspanning — en dus of die inspanning in een steady state kan worden gedaan. Of dat voor het “hele lichaam” lukt bij een bepaalde power output hangt af van je spiervezeltype, van welke spiervezels je inzet, en van hoe groot de verstoring en vermoeidheid in die spiervezels wordt.
Bijschrift fig. 4, p. 606
Oorspronkelijke tekst (EN) ▸

Schematic illustrating each of the factors that has been demonstrated to impact upon critical power. Convective and diffusive O₂ delivery act in concert with muscle O₂ utilisation to determine the degree of intracellular metabolic perturbation and fatigue induction incurred during the rest-to-exercise transition. The extent of such metabolic perturbations, in turn, determines whether an exercise bout can be met in a metabolic steady state within a given myocyte. Within a given individual, whether an extant power output is met in a whole-body steady state will depend on the muscle fibre-type composition of the individual, the muscle recruitment patterns employed during the task, and the extent of metabolic derangement and fatigue induction incurred in the recruited fibres during the rest-to-exercise transition.

4a. O₂-aanvoer door convectie

CP is gevoelig voor de hoeveelheid zuurstof in de ingeademde lucht: meer zuurstof geeft een hogere CP, minder zuurstof een lagere.
p. 601
Oorspronkelijke tekst (EN) ▸

Hence, studies have consistently shown that CP is sensitive to both increased and decreased FiO₂.

4b. O₂-aanvoer door diffusie

Bij getrainde duursporters hangt CP sterk samen met het aantal haarvaten per spiervezel [8]. Meer haarvaten betekent dat zuurstof makkelijker de spiercel in komt, en dat een steady state mogelijk is bij een hoger vermogen. Dus: een hogere CP.
p. 602
Oorspronkelijke tekst (EN) ▸

Mitchell et al. recently demonstrated a striking relationship between CP and skeletal muscle capillary density (r = 0.50), capillary-to-fibre ratio (r = 0.88) and capillary contacts per type 1 fibre (r = 0.94) in a homogenous group of endurance-trained individuals (63.2 ± 4.1 mL kg⁻¹ min⁻¹, range: 58.7–72.2 mL kg⁻¹ min⁻¹). These findings indicate that enhancements in diffusive O₂ flux enable a metabolic steady state to be attained for a greater range of power outputs (i.e. extending the range upwards), thus increasing CP.

4c. O₂-gebruik: de kinetiek van het zuurstofverbruik (τV̇O₂)

τVO2 (tau-VO2) is de tijdconstante van de zuurstofopname: de tijd die de VO2 nodig heeft om 63% van de uiteindelijke stijging te bereiken na een verandering van de belasting. Zolang de zuurstofopname achterloopt, wordt het energietekort opgevangen uit de zuurstofvoorraden en uit energielevering zonder zuurstof. Er is een sterke omgekeerde relatie tussen τVO2 en CP: hoe sneller de VO2-kinetiek, hoe hoger de CP. Dit staat los van de aanvoer via bloed en haarvaten — elk van de drie kan CP veranderen zonder dat de andere verandert.
Drie passages samengevoegd — p. 603–604
Oorspronkelijke tekst (EN) ▸

A sentinel parameter defining the skeletal muscle bioenergetics system is the time constant of the fundamental phase of muscle V̇O₂ kinetics (i.e. τV̇O₂), which is reflective of the time taken to attain 63% of the V̇O₂ amplitude in response to a change in metabolic demand. […] The delayed response of pulmonary and muscle V̇O₂ kinetics that is encapsulated in the parameter τV̇O₂ necessitates an energy deficit that must be met via a reduction in O₂ stores and an increased rate of substrate-level phosphorylation. (p. 603)

They demonstrated a strong inverse correlation between τV̇O₂ and CP (r = 0.95) […] All else being equal, therefore, faster V̇O₂ kinetics will result in a higher CP. (p. 603)

That each of τV̇O₂, convective and diffusive O₂ delivery has an independent role in determining CP is evinced by the fact that each can alter CP without a concomitant change in the other. (p. 604)

4d. Spiervezeltype en rekrutering

CP hangt ook af van het type spiervezels. Type I-vezels hebben een snelle VO2-kinetiek, betere doorbloeding en meer zuurstof. Daardoor kunnen ze veel ATP maken zonder dat de spiercel ontregeld raakt. Wie meer type I-vezels heeft, heeft bij gelijke trainingsstatus dus een hogere CP.
p. 608
Oorspronkelijke tekst (EN) ▸

To summarise, CP is sensitive to muscle fibre type composition because it is a parameter of aerobic function. Hence, the oxidative characteristics inherent within type I fibres, such as rapid V̇O₂ kinetics, greater rates of blood flow, and higher capillary and interstitial PO₂ values, allow the attainment of high rates of ATP utilisation with minimal derangement of the intracellular metabolic milieu. Therefore, all else being equal, individuals with a relatively greater proportion of type I skeletal muscle fibres will tend to possess greater CP values when compared with individuals of equivalent training status with a greater proportion of type II fibres.

Ook het aantal spiervezels dat wordt gebruikt telt. Wanneer het werk over meer vezels wordt verspreid, wordt elke vezel minder belast en blijft de metabole balans onverstoord en langer onder de kritische drempel. Kortom: meer rekrutering, hogere CP.
p. 608
Oorspronkelijke tekst (EN) ▸

Interventions that increase motor unit recruitment are also conducive to high CP values, as a greater number of motor units/muscle fibres performing a given task will lessen the metabolic strain on each individual fibre. Hence, when muscular recruitment is increased, each fibre is able to maintain intramuscular metabolite accumulation below its critical threshold for a wider range of ATP utilisation rates, thus enabling a greater CP.

4e. Slotsom van de auteurs

Samengevat: de aanvoer van zuurstof via bloed en haarvaten beïnvloedt CP, en de snelheid waarmee de spier zuurstof gaat gebruiken bij de start van een inspanning ook. Die factoren werken op elkaar in en bepalen in hoeverre de metabole balans in de spiercel wordt verstoord bij een bepaald vermogen — en dus of dat vermogen nog in steady state kan worden geleverd. Hoe dat uitpakt voor het “hele lichaam” hangt af van je spiervezeltype en van welke vezels je inzet.
Conclusies, p. 608
Oorspronkelijke tekst (EN) ▸

It has been demonstrated that alterations in delivery of O₂ to the exercising muscles, via both convection and diffusion, impact upon CP. The rates of O₂ utilisation during exercise, particularly during the transition from rest to work, also play a key role in determining CP by governing the degree of matching between the rates of ATP utilisation and production. These factors each interact with one another, and via this interaction determine the degree of intracellular metabolic disturbance required to sustain a given power output. How each of these factors interacts to determine CP at the whole-body level will be dependent upon the muscle fibre-type composition and their recruitment patterns during exercise.

5

Wat CP verandert bij getrainde wielrenners

Bewerkt naar tabel 1 van Goulding & Marwood (2023): alleen de studies met duurgetrainde (ET) of anaeroob getrainde (AT) deelnemers worden hier getoond. Percentages berekend uit de absolute waarden in het origineel, afgerond op hele procenten.

StudiePopulatieInterventieEffect op CPVoor de rennerBepaling
Gaesser & Wilson [1]ETM (2) HM (3)Duurtraining (6 weken)+13%beter4CWR
Gaesser & Wilson [1]ETM (3) HM (3)HIIT (6 weken)+15%beter4CWR
Barker et al. [2]*ETM (5) ATM (6) — crosslopers en sprintersCadans 100 rpm t.o.v. 60 rpm−9%slechter bij hoge cadans4CWR
Mueller et al. [3]ETM (11)Kracht- + vibratietraining (8 weken)+3%beter4CWR
Broxterman et al. [4]*ETM (5) ATM (5) — crosslopers en sprintersCadans 100 rpm t.o.v. 60 rpm−8%slechter bij hoge cadans4CWR
Deb et al. [5]ETM (11)Hypoxie (FiO₂ = 0,145); ook met natriumbicarbonaat−12% / −13%slechter; bicarbonaat helpt niet3MT
Townsend et al. [6]ETM (9)Hypoxie, FiO₂ 0,18 / 0,159 / 0,14 / 0,123−5% / −13% / −19% / −27%slechter, meer naarmate minder zuurstof3TT
Clark et al. [7]ETM (6)2 uur zware inspanning vooraf−8%slechter3MT
Mitchell et al. [8]ETM (21)SIT; SIT + bloedstroomrestrictie (4 weken)+3% / +3%beter; restrictie voegt niets toe3–5CWR
Clark et al. [9]ETM (16)2 uur zware inspanning vooraf−9%slechter3MT
Populatie (legenda origineel): ET = duurgetraind (endurance trained), AT = anaeroob getraind (anaerobically trained), H = gezond (healthy), M = man, n = aantal deelnemers tussen haakjes. Bij Barker [2] en Broxterman [4] waren de deelnemers collegiate crosslopers en sprinters, getest op de fietsergometer (bron: abstract Barker et al. 2006).
Interventie: HIIT = hoog-intensieve intervaltraining, SIT = sprintintervaltraining, FiO₂ = fractie zuurstof in de ingeademde lucht (normaal 0,209), rpm = omwentelingen per minuut.
Bepaling: nCWR = aantal constante-vermogenstests, 3MT = 3-minuten all-out test, nTT = aantal tijdritten.
* De latere publicatie gebruikt een deelverzameling van de data van de eerdere.
Correctie: het review drukt bij Barker [2] “189 vs 297 W” af; het originele abstract geeft 189 W (100 rpm) vs 207 W (60 rpm). Het percentage is op 207 W berekend.
6

Wat dit betekent voor je training

CP en W′ zijn praktisch gezien de beste basis om training te maken en trainingsbelasting te beoordelen, met name van meerwaarde voor amateurs én pro’s. FTP is een willekeurig punt (60 minuten) op de vermogen-duurcurve, zonder fysiologische onderbouwing. Trainen in het zeer zware domein is een vast onderdeel van training bij duursporten; hoe hard en hoe lang je dat volhoudt wordt bepaald door W′ én CP. Zulke training maken als percentage van FTP of CP alleen werkt niet, omdat die niet in verhouding staan tot W′. De intervallen moeten gebaseerd zijn op het deel van W′ dat wordt verbruikt; zo zijn de trainingen veel beter op maat te maken. Met een model voor het herstel van W′ (Skiba) kun je ook de werk- en rustfases van een intervaltraining individueel inplannen. Kanttekening: het herstel van W′ verschilt sterk per persoon en wordt trager na herhaalde inspanningen; de modellen worden nog verder onderzocht.

Wat het jou oplevert: intervallen op maat in lengte, vermogen en rust, en een koersplan gebaseerd op hoeveel W′ je verbruikt en hoe snel het terugkomt [11].
[11] Chorley & Lamb 2020, conclusie
Oorspronkelijke tekst (EN) ▸

[CP is] the ideal candidate upon which to prescribe training and assess training load, for both amateur and professional cyclists, especially when compared to the standard FTP measurement which is designated as an arbitrary 60-min point on the power-duration relationship sitting well away from any physiological measurement. Severe intensity training is a mainstay of endurance training programmes, with the duration and intensity of tolerable work being dictated by W′ in addition to CP. Prescription of such training as a proportion of FTP or CP alone simply does not work owing to the lack of proportionality between such measurements and W′. Instead, basing severe intensity work on the fractional usage of W′ allows training to be planned and executed with much greater precision in order to meet desired training outcomes. High-intensity interval training cannot be optimized or prescribed individually using current techniques; however, modelling of W′ reconstitution would allow both the work and recovery phases of such sessions to be built into specific plans by athletes and coaches. The Skiba models demonstrate how this can be achieved with the addition of a single Tau parameter; however, it appears that W′ reconstitution is a complex matter, involving considerable individual variability and a slowing effect following repeated efforts, necessitating the validation of models against different protocols and with heterogeneous groups of cyclists. Nonetheless, while additional research is needed to improve the W′ reconstitution models, it is possible that training prescription could be better defined, and race plans based on knowledge of the reconstitution and expenditure of W′.

Bronnen

Hoofdbron: Goulding RP, Marwood S. Interaction of Factors Determining Critical Power. Sports Med. 2023;53:595–613. doi:10.1007/s40279-022-01805-w (open access, CC BY 4.0). Figuren en tabel bewerkt naar deze bron.

  1. Gaesser GA, Wilson LA. Effects of continuous and interval training on the parameters of the power-endurance time relationship for high-intensity exercise. Int J Sports Med. 1988;9:417–21.
  2. Barker T, Poole DC, Noble ML, Barstow TJ. Human critical power–oxygen uptake relationship at different pedalling frequencies. Exp Physiol. 2006;91:621–32.
  3. Mueller SM, Aguayo D, Lunardi F, Ruoss S, Boutellier U, Frese S, et al. High-load resistance exercise with superimposed vibration and vascular occlusion increases critical power, capillaries and lean mass in endurance-trained men. Eur J Appl Physiol. 2014;114:123–33.
  4. Broxterman RM, Ade CJ, Barker T, Barstow TJ. Influence of pedal cadence on the respiratory compensation point and its relation to critical power. Respir Physiol Neurobiol. 2015;208:1–7.
  5. Deb SK, Gough LA, Sparks SA, McNaughton LR. Determinants of curvature constant (W′) of the power duration relationship under normoxia and hypoxia: the effect of pre-exercise alkalosis. Eur J Appl Physiol. 2017;117:901–12.
  6. Townsend NE, Nichols DS, Skiba PF, Racinais S, Périard JD. Prediction of critical power and W′ in hypoxia: application to work-balance modelling. Front Physiol. 2017;8:180.
  7. Clark IE, Vanhatalo A, Bailey SJ, Wylie LJ, Kirby BS, Wilkins BW, et al. Effects of two hours of heavy-intensity exercise on the power-duration relationship. Med Sci Sports Exerc. 2018;50:1658–68.
  8. Mitchell EA, Martin NRW, Bailey SJ, Ferguson RA. Critical power is positively related to skeletal muscle capillarity and type I muscle fibers in endurance trained individuals. J Appl Physiol. 2018;125(3):737–45.
  9. Clark IE, Vanhatalo A, Thompson C, Wylie LJ, Bailey SJ, Kirby BS, et al. Changes in the power-duration relationship following prolonged exercise: estimation using conventional and all-out protocols and relationship with muscle glycogen. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2019;317:R59–67.
  10. Parker Simpson L, Kordi M. Comparison of Critical Power and W′ Derived From 2 or 3 Maximal Tests. Int J Sports Physiol Perform. 2017;12(6):825–30. doi:10.1123/ijspp.2016-0371.
  11. Chorley A, Lamb KL. The Application of Critical Power, the Work Capacity above Critical Power (W′), and Its Reconstitution: A Narrative Review of Current Evidence and Implications for Cycling Training Prescription. Sports. 2020;8(9):123. doi:10.3390/sports8090123.
en nu jij

Wil je jouw CP en W′ weten, of houd je het gewoon bij FTP?

Aan jou de keuze.