Praktische toepassing versnellingssensoren bij het kogelslingeren.

Transcriptie

1 Praktische toepassing versnellingssensoren bij het kogelslingeren. Jo de Ruiter In eerdere stukjes in Sportgericht 1,2 heb ik laten zien dat het met behulp van versnellingsensoren mogelijk is om directe feedback te krijgen over contacttijden, zweeftijden en pasfrequenties bij het hardlopen. In dit stukje presenteer ik de toepasbaarheid van versnellingssensoren tijdens een veel complexere vaardigheid. Hierbij heb ik voor het kogelslingeren gekozen, omdat het een hobby van mij is, maar eigenlijk is kogelslingeren slechts een voorbeeld om de lezer een idee te geven hoe (versnellings)sensoren ook (of juist) bij het verbeteren van complexe vaardigheden kunnen we ingezet in de sportpraktijk. Bij het kogelslingeren, één van de spectaculairste atletiekonderdelen, wordt een 7.25 kg zware kogel (vrouwen 4 kg) met daaraan een staaldraad en een handvat (totale lengte 1.2 m) door de atleet zover mogelijk weggeslingerd. Hierbij gelden als belangrijkste beperkingen dat de atleet binnen de betonnen werpring (doorsnede 2.15m) moet blijven tijdens en na de slingerbeweging en dat de kogel binnen een sector van 40 graden (in de vorm van een soort taartpunt vanuit de ring gezien) moet landen. De kunst is om de kogel binnen de beperkte oppervlakte van de werpring een zo n hoog mogelijke snelheid te geven. De afworpsnelheid is namelijk de dominante prestatiebepalende factor, waarbij het natuurlijk wel van belang is dat de kogel ook onder een optimale werphoek (40-45 graden) wordt losgelaten. Wereldtoppers bereiken afworpsnelheden van 30 m/s en werpen de kogel verder dan 80 m. Voor een goed begrip van dit artikel is het belangrijk te weten dat het handvat met beide handen wordt vastgehouden. Een rechtshandige werper pakt met zijn gehandschoende linkerhand het handvat van de slingerkogel vast, waarna de rechterhand de vingers van linkerhand omsluit. 1

2 De kogelslingertechniek De meeste werpers draaien 4 keer om hun lengte-as alvorens zij de kogel afwerpen. De werper begint met zijn rug in de werprichting en met zijn voeten in een lichte spreidstand achter in de ring (figuur 1, beeldje 1; b1). Voordat hij gaat draaien, maakt hij enkele voorzwaaien (niet getoond in figuur 1), waarbij de voeten contact houden met de ring en de kogel met de armen over het hoofd wordt rondgedraaid, zodat de kogel een beginsnelheid krijgt. Na de laatste voorzwaai wordt de kogel met gestrekte armen voor het lichaam langs versneld (figuur 1, b1), waarbij de kogel zijn laagste punt bereikt voor de werper, dus achter de ring. Na dit laagste punt volgt de (rechtshandige) werper de kogel door linksom te draaien (b2), waarbij de linkervoet aan de grond blijft en rechts wordt opgetild. De werper houdt zijn armen continu gestrekt voor zich: een grote draaicirkel betekent immers een hogere baansnelheid van de kogel en daar gaat het om. De werper volgt vervolgens de baan van de kogel (b 2,3). De rechtervoet wordt kort en snel om/over de linkervoet heen getild om weer zo snel mogelijk contact te krijgen met de betonnen ring. Dit snelle contact wordt bevorderd door de linker knie actief te buigen (b3 en beelden 6,9,12 in de latere draaien). Op b4 landt de rechtervoet en hierbij heeft de werper de kogel als het ware ingehaald: de kogel (aangegeven met een zwart pijltje in de beeldserie) bevindt zich op beeldje 4 niet recht voor de borst (er is lichte torsie in het lichaam) en kan nu actief versneld worden doordat de werper met gestrekte armen vanuit de romp draait (lichte torsie wordt opgeheven) en beide benen iets strekt. De kogel wordt dus actief door de werper versneld in de neergaande beweging. Het hoogste punt van de kogel(cirkel)baan was bereikt in b3 en het laagste punt ligt altijd achter in de ring (zie b.v. b14). Op b4 heeft de werper 1 volledige draai gemaakt en heeft hij een vergelijkbare positie als op b1, alleen heeft de kogel nu een hogere snelheid. Vervolgens worden nog drie draaien 2

3 gemaakt om de kogel verder te versnellen, telkens tijdens de neergaande beweging van de cirkelbaan (b7,10,13). Doordat de linkervoet continue contact houdt met de ring en hierbij bij elke draai vanaf de hiel naar de teen draait (b5,6) schuift de werper bij elke draai iets verder de ring in, totdat het einde vande ring is bereikt. Dan vindt de laatste (vierde) versnelling in de neergaande beweging van de kogel plaats (b13), deze wordt gevolgd door een nog verdere versnelling nadat de kogel door het laagste punt is gegaan (b14), waarbij beide benen actief gestrekt worden om de kogel nog een laatste zwiep te geven: de afworp (b14,15,16). Om te voorkomen dat de werper tijdens het draaien door de kogel uit de ring wordt getrokken moet hij een (grote) centripetale kracht op de kogel uitoefenen, waardoor de kogel in zijn cirkelbaan wordt gehouden en de werper binnen de ring blijft. Doordat bij elke draai de snelheid van de kogel toeneemt, neemt ook de te leveren centripetale kracht toe: de werper moet steeds meer tegenwicht geven aan de kogel. Dit wordt bewerkstelligd doordat de werper bij elke draai iets verder achterover helt: vergelijk b.v. b9 met b3. Cruciale techniekkenmerken 1. Lange armen: kogeldraad recht voor de borst, om een zo n groot mogelijk draaicirkel te houden (b11). 2. De kogel wordt actief versneld door de werper in de neergaande beweging, nadat de kogel achter de ring door laagste punt is gegaan volgt de werper de kogel passief. 3. De rechtervoet moet na het overstappen telkens snel contact hebben met de ring. Hoe eerder de rechtervoet staat, des te langer de kogel versneld kan worden in de neergaande beweging (b.v. op b7 is te zien dat de werper vrij laat landt met zijn rechtvoet, waardoor de kogel nog maar 3

4 gedurende een klein stukje (minder dan 90 graden) van zijn cirkelbaan kan worden versneld. 4. De draaisnelheid neemt gelijkmatig toe, uitmondend en een maximale snelheid van de kogel op moment van afwerpen. Deelnemers Hieronder zal ik aangeven hoe versnellingsensoren zijn ingezet om snel (binnen 2 minuten na een worp), informatie te krijgen over enkele cruciale techniekparameters, waarbij de atleet direct feedback kan krijgen. Tevens zal ik deze parameters van twee Nederlandse werpers van verschillend niveau vergelijken met die van de wereldtop 3. Uit dit artikel van Gutierrez worden de gemiddelde waardes gebruikt van vijf werpers die vier draaien maakten en daarbij ongeveer 79 m wierpen (range: m). De eerste Nederlandse werper is op de beeldserie te zien tijdens het NK 2011 (afstand m, derde plaats), van hem wordt een trainingsworp van 51 m geanalyseerd en vergeleken met een trainingsworp van een minder goede werper (41 m). Voor de duidelijkheid verwijs ik steeds naar de 41 m- en de 51 m-werper, hoewel de laatste een persoonlijk wedstrijdrecord heeft van 58.77m. Sensoren Er worden twee, drie-assige versnellingsensoren (30 gr, 1000 Hz sample frequentie) gebruikt die op de Faculteit Bewegingswetenschappen zijn gemaakt, waarbij er één op de wreef van de rechtervoet wordt getaped zodat het overstap ritme (zweef- en contacttijden) nauwkeurig kan worden gemeten, en één op de handschoen van de linkerhand. Met de handsensor kan nauwkeurig het moment van afwerpen worden bepaald: als het handvat aan het eind van de afworp uit de 4

5 handschoen schiet geeft dit een grote piek in het versnellingssignaal (figuur 2, rechtsonder). De sensoren hebben helaas geen gyroscoop, waardoor geen (veranderingen in) hoeken konden worden bepaald. Echter, door de handsensor met één van de assen in het verlengde van de arm te richten, kan met behulp van onderstaand biomechanisch model een aardige indicatie van de normaalversnelling (vanuit de hand naar het draaipunt van de cirkel gericht) en daarmee van de afworpsnelheid worden verkregen. Biomechanisch model De normaalversnelling (a n ) is gelijk aan het kwadraat van de hoeksnelheid, vermenigvuldigd met de straal (r) van de cirkel, en omdat de hoeksnelheid gelijk is aan de baansnelheid (v) gedeeld door de straal, geldt: a n =v 2 /r, waardoor v= (a n *r). Kogel en werper roteren tijdens het draaien om een gemeenschappelijke draaias, waarbij de straal van de kogel tot die as zowel voor mannen als vrouwen ongeveer 1.65 m is (tabel 4 in 3 ). De handsensor bevindt zich op 1.25 m van de kogel (draadlengte van de slingerkogel ligt immers reglementair vast), zodat de afstand van de handsensor tot de gemeenschappelijk rotatie as ongeveer 1.65m-1.25m=0.4m zal zijn. Dus de afstand van de kogel tot de gemeenschappelijke rotatie as (~1.65 m) is ongeveer 4 x groter dan die van de hand tot die rotatie as (~0.4m). Als we a n van de hand (die we meten) met een factor 4 vermenigvuldigen dan zouden we een redelijke indicatie van a n van de kogel moeten hebben en daarmee van de baansnelheid van de kogel ( v kogel = (a nkogel *r), met daarbij r=1.65 m). Als we de afwerphoogte op schouderhoogte veronderstellen (bij Yuriy Sedykh, 1.85 m lang en meervoudig kampioen was dit b.v m) en een afwerphoek van 40 graden aanhouden 4, dan geldt voor de verticale verplaatsing als de kogel weer geland is (met S t =S 0 + v kogel *t+1/2g*t 2 ): 0 m=1.66m+ v kogel *sin(40 )*t - 1/2*9.81m/s 2 *t 2, v kogel wordt bepaald [v kogel = (a nkogel *r)], waardoor t (tijdsduur 5

6 vlucht) kan worden berekend. In de horizontale richting geldt vervolgens: voorspelde worpafstand = cos(40 )* v kogel *t. De techniekanalyse Figuur 2 toont de signalen na een trainingsworp van 51 m. De pieken in het versnellingssignaal van de rechtervoet (voor de duidelijkheid is slechts één versnellingsrichting getoond) leveren de momenten waarop rechtervoet loskomt bij het ingaan van elke draai (in figuur 2 beelden: 2,5,8,11) en de landingen na het overstappen (in figuur 2 beelden: 4,7,10,13). De zwarte horizontale lijnen geven aan wanneer de werper beide voeten aan de grond heeft (double support: DS). Daartussen is alleen de linkervoet aan de grond (single support: SS). Na de laatste landing rechtervoet (t=5400 ms in figuur2) houdt de werper beide voeten aan de grond en vindt de afworp plaats (figuur 1: beelden 13 t/m 16). De verticale omhooggerichte pijl (rechtsonder in fig.2) geeft het moment weer waarop de kogel de handschoen verlaat (t= 5700 ms). In figuur 2 is verder te zien dat zowel de SS-fase, maar vooral ook de DS-fase steeds korter duurt in de opeenvolgende draaien: de totale draaiduur neemt met elke draai af, hetgeen wijst op een toenemende rotatiesnelheid van de werper. In figuur 3 is een voorbeeld te zien van de feedback die de werper krijgt na de worp met betrekking tot zijn voetenwerk. De smallere balkjes met daarin de getallen geven de resultaten van de laatste worp, met daarachter (de bredere balkjes) de resultaten van een referentieworp. Een goed geslaagde worp kan bijvoorbeeld als referentie worden gebruikt. In dit voorbeeld is de worp van 41m van de andere werper als referentie gebruikt. In het onderste deel van de balkjes wordt de duur (ms) van de SS-fase getoond (rechtervoet in de lucht) met daarbovenop de duur van de daaropvolgende DS-fase. De eerste SS-fase van de 51 m-werper (354 ms) duurt even lang lang als die van de 41 m-werper, maar de hogere rotatiesnelheid van de 51 m-werper leidt er vervolgens toe dat de 6

7 aansluitende DS-fase korter duurt (360 ms) dan bij de 41 m-werper. Vervolgens zien we dat SS-fases van de 51 m werper afnemen (354,302, 283, 284 ms) opdat hij na het overstappen weer snel ringcontact heeft met zijn rechtervoet. De 41mwerper stapt duidelijk trager over (zie overstap nummers 2,3,4 in Figuur 3) en er zit bij hem ook een minder duidelijke afname in de overstaptijden (blijft rond de 330 ms, bredere balkjes). De DS-fase (bovenste balkjes) van de 51 m-werper neemt af van 360, naar 264 en 270 ms waarna de laatste DS-fase (tot aan de afworp) 256 ms duurt. De totale duur van de hele werpactie, vanaf het moment dat de rechtervoet de eerste keer loskomt bij ingaan van de eerste draai tot aan moment van afworp is sec. Dat is beduidend sneller dan de totale duur van de 41 m-werper (2.736 sec). Alle afzonderlijke balkjes zijn bij de 51 m-werper minder hoog: hij draait sneller. Wat bij de 41 m-werper in het bijzonder opvalt, is dat de totale duur van de SS plus de DS na derde overstap (derde balkje) bijna net zo hoog is als bij de 51 m- werper, maar bij die laatste is de verhouding SS:DS (=283 ms:270 ms) beduidend gunstiger dan bij de 41 m-werper. De 41 m-werper is duidelijk langer met slechts één been aan de grond dan met beide benen (SS : DS= 335 ms: 234 ms). Dit laatste is één van de belangrijkste kenmerken van minder goede en beginnende kogelslingeraars. Echter, ook 51 m is nog geen 80 m (wereldtop), dus om deze getallen goed te kunnen duiden is het van belang ze te vergelijken met een goede referentie, zoals b.v. met die wereldtop. Hierbij is ook het verloop in de tijd (dus van draai tot draai) van belang is. De vergelijking tussen beide werpers in dit onderzoek en de wereldtop is gemaakt in figuur 4. Daarbij moet worden opgemerkt dat de getallen van de wereldtop verkregen zijn met filmbeelden opgenomen met 50Hz, die vervolgens geïnterpoleerd zijn tot 100Hz 3. Het werken met filmbeelden, om daaruit tijden te bepalen, is enorm tijdrovend en veel minder nauwkeurig dan de tijden verkregen met sensoren. 7

8 Conclusie: Met behulp van op het lichaam aangebrachte versnellingsensoren, die de sporter niet hinderen in zijn beweging, is snel en heel nauwkeurig feedback te geven met betrekking tot de duur/timing van de verschillende fases van een techniek (in dit geval een kogelslingerworp). Mogelijke techniek verbeteringen deelnemers Figuur 4 (linksboven) toont, wat we natuurlijk al vermoeden, dat de wereldtop sneller draait. De totale gemiddelde worpduur van de vijf 80m-werpers is sec (de 51m-werper deed er sec over). Duidelijk is dat SS-fase (figuur 4 linksboven) bij de wereldtop nog weer korter duurt dan bij de 51 m-werper: voor de eerste overstap is dat ongeveer 50 ms korter en vervolgens ongeveer 30 ms in de volgende overstappen. De 51 m-werper is vooral trager dan de wereldtop bij de derde en vierde draai, wat erop wijst dat hij relatief snel begint maar de snelheid vervolgens minder opvoert dan de wereldtop. Doordat de SS-fases bij de wereldtop gemiddeld ms korter duren, komt die tijd bij hen telkens ten goede aan de daarop volgende DS-fase, waardoor er meer tijd beschikbaar is om te versnellen. De 51m-werper kan dus winst boeken door geprononceerder door zijn linker knie te zakken (knieval) tijdens het overstappen om sneller met rechts op de grond te komen, waardoor de SS-fases korter worden (ten bate van de DS fases), wat hem de mogelijkheid zou geven beter door te versnellen. De 41 m-werper heeft lange DS-fases na de eerste en tweede overstap, maar dit komt vooral omdat hij duidelijk langzamer draait. De eerste draai duurt b.v. 800 ms t.o.v. 700 ms bij de andere werpers (figuur 4 linksonder). Wat vooral opvalt, zijn de lange duur van de SS-fase (die ook niet afneemt van tweede naar de vierde draai) en de relatief korte DS-fase na de derde overstap, resulterend in een heel ongunstige DS/SS ratio. Hij mist als het ware de derde draai. De 41 m-werper zal moeten werken aan het actiever optillen van de rechtervoet bij het 8

9 afzetten en het meegeven in linkerknie (knieval), zodat de SS-fases korter worden en rechtervoet eerder aan de grond komt. Beide werpers zouden met betrekking tot hun voetenwerk dus vergelijkbare aanwijzingen krijgen. Dit is niet vreemd, want voor de technieknummers in de atletiek geldt dat de sleutelaanwijzingen van beginner tot wereldtopper dezelfde blijven. Wat de sensoren in dit verband toevoegen is dat voor elke draai exact bepaald kan worden hoe de SS- en DS-fases zich tot eerdere worpen van de atleet verhouden: coaches kunnen op het oog nooit zien of een SS met 10 ms is afgenomen of juist is toegenomen. Conclusie: Met sensoren is voor de hele beweging exact te meten wat een coach, zelfs met zijn getrainde blik hooguit kwalitatief en slechts voor één onderdeel van de beweging, kan schatten. Rotatiesnelheid van de kogel De toenemende rotatiesnelheid van de werper is niet alleen af te leiden uit de het afnemen van SS- en DS-fases zoals die bepaald zijn met de voetsensor. De rotatiesnelheid is ook terug te vinden in het signaal van de handsensor. De dalletjes in het handsensorsignaal (figuur 2, de verticale pijltjes naar beneden tijdens de DS-fase) geven het moment aan dat de hand en daarmee de kogel bij elke rotatie zijn laagste punt heeft; de zwaartekrachtversnelling draagt op dat moment het meest bij aan de gemeten normaal versnelling a n. De afstand tussen deze dalletjes (rotatieduur) wordt met elke draai korter (figuur 2 horizontale, gestreepte pijlen). Zowel werper als kogel draaien steeds sneller rond gedurende de worp. Op het moment van loslaten is de gemeten a n van de hand van de 51mwerper m/s 2. Met het biomechanisch model wordt dan een afstand van 50.6 m voorspeld, wat verrassend goed overeenkomt met de geworpen afstand. De 41 m- werper is veel vaker gemeten, bij worpen van 41 m is a n op de hand bij hem ongeveer -55 m/s 2 waaruit een afstand van 38.3 m wordt voorspeld met het 9

10 model. Bij een heel rustige worp van 30.5 m was a n -38 m/s 2, waaruit met het model 27m wordt voorspeld. Op zich zijn deze voorspelde afstanden, gezien het feit dat er geen geïndividualiseerd model is gebruikt en er de nodige aannames zijn gemaakt, niet slecht. Echter, het is in de praktijk veel belangrijker dat de normaalversnelling van de individuele werper over de tijd kan worden gevolgd en een duidelijke indicatie geeft van de ontwikkeling van zijn afworpsnelheid en van de kogelsnelheid gedurende de draaien. Beiden hangen natuurlijk direct samen met de techniek. Beginners trekken bijvoorbeeld nogal eens aan hun armen, terwijl het draaien met lange ( ontspannen ) armen een grotere normaalversnelling van de kogel geeft tijdens de opeenvolgende draaien en bij de uiteindelijke afworp. Conclusie: de normaalversnelling (a n ) gemeten met de handsensor wordt gedurende de draaien steeds meer negatief (figuur 2) wat duidt op een toenemende rotatiesnelheid van de kogel. Op moment van afworp geeft a n een redelijke indicatie van de handsnelheid en via het biomechanisch model van de snelheid van de kogel en zelfs van de geworpen afstand. Slotsom Sensortechniek zal in de toekomst een steeds grotere rol gaan spelen in de sport. Het huidige artikel laat zien dat zelfs met een relatief eenvoudige sensor, al nuttige informatie kan worden verkregen die coaches en sporters kan helpen tijdens (de evaluatie van) het trainingsproces. De sensoren zijn natuurlijk op allerlei manieren in allerlei sporten te gebruiken. Het kogelslingeren moet in dit verband dan ook nadrukkelijk gezien worden als een voorbeeld van de mogelijkheden. Mogelijkheden, die in de nabije toekomst alleen maar groter zullen worden. Voor de praktijk is het hierbij belangrijk dat sporters en coaches zich realiseren dat het benutten en toepassen van de sensortechniek ook van hen een tijdsinvestering zal vragen. Voor elke specifieke toepassing zal een 10

11 uitgebreide test en uitprobeerfase moeten worden doorlopen, voordat de hard- en software zullen voldoen aan de specifieke wensen van coach en atleet. Over de auteur Dr. Jo de Ruiter heeft lichamelijke opvoeding (HALO) en bewegingswetenschappen gestudeerd. Sinds zijn promotie op het gebied van de spierfysiologie werkt hij als docent/onderzoeker aan de Faculteit BewegingsWetenschappen van de VU in Amsterdam. Hij is voormalig tien-kamper en heeft jarenlang atleten van nationaal niveau gecoacht, onder andere als bondstrainer speerwerpen. Referenties 1. de Ruiter, J. (2010). Het gebruik van versnellingmeters tijdens sprongtesten. Sportgericht, 64 (4), de Ruiter, J. (2012). Running economy en pasfrequentie. Sportgericht, 66 (3), Gutierrez, M., Soto (2002), V.M., Rojas, R.F. A biomechanical analysis of the individual techniques of the hammer throw finalist in the Seville Athletics World Championship New Studies in Athletics no Ralph Otto Hammer throw WR photosequence-yuriy Sedykh. 11

12 Figuur 1. Beeldserie kogelslingeren (beelden 1 tm 16), de voorzwaaien zijn weggelaten. De positie van de kogel is aangegeven met een zwart pijltje. Verdere toelichting wordt in de tekst gegeven. 12

13 Figuur 2. Versnellingssignalen van de rechtervoet (grote pieken) en de linkerhand gemeten tijdens de vier draaien bij het kogelslingeren (51 m worp). DS is double support (twee voeten contact met de werpring), SS (single support): alleen linker voet in contact met de ring. Figuur 3. Voorbeeld van feedback over de duur van de SS- en DS-fases zoals die binnen 2 minuten na een worp beschikbaar is. Verdere toelichting wordt in de tekst gegeven. 13

14 Duur (ms) Ratio Duur (ms) Duur (ms) top 51m 41 m 500 Single Support top 51m 41 m 500 Double Support Overstapnummer Overstapnummer top 51m 41 m SS+DS Overstapnummer top 51m 41 m DS/SS Overstapnummer Figuur 4. Vergelijking van parameters zoals gemeten met versnellingssensoren bij de twee deelnemers in het huidige onderzoek (41m en 51 m), vergeleken met de gemiddelde waardes van vijf wereldtoppers (80 m) bepaald met video 3. 14