Auteur(s): H. Faber Titel: De countermovement Jaargang: 15 Jaartal: 1997 Nummer: 4 Oorspronkelijke paginanummers:

Transcriptie

1 Auteur(s): H. Faber Titel: De countermovement Jaargang: 15 Jaartal: 1997 Nummer: 4 Oorspronkelijke paginanummers: Deze online uitgave mag, onder duidelijke bronvermelding, vrij gebruikt worden voor (para-) medische, informatieve en educatieve doeleinden en ander niet-commercieel gebruik. Zonder kosten te downloaden van:

2 DE COUNTERMOVEMENT Herre Faber, Bewegingstechnoloog, Den Haag Herre Faber Inleiding n de sport en de fysiotherapie wordt bij spierversterkende oefeningen gebruik gemaakt van de I"countermovement". Hierbij wordt, voordat een beweging uitgevoerd wordt, eerst de tegengestelde beweging gemaakt. Dit betekent dat eerst een excentrische spiercontractie wordt uitgevoerd, gevolgd door een concentrische spiercontractie. Dit heeft tot gevolg dat de concentrische contractie krachtiger uitgevoerd kan worden dan zonder countermovement (2,3,4,5,9). Een voorbeeld is het verticaal springen met twee benen. Dit kan op 2 verschillende manieren gebeuren. Enerzijds bestaat er de squat jump. Hierbij buigt de persoon door de knieën, blijft een tijdje in deze positie staan en springt dan zo hoog mogelijk. Anderzijds bestaat er de countermovement jump. Hierbij buigt de persoon door de knieën en springt zonder pauze omhoog. Het resultaat is doorgaans dat de countermovement jump een hogere sprong oplevert dan de squat jump( 5,9). Dit is ook te zien bij allerlei werpbewegingen. Discuswerpers, speerwerpers en honkbalpitchers maken een "countermovement throw". De vraag is nu hoe het komt dat een excentrische spiercontractie de opvolgende concentrische contractie kan beïnvloeden. Hiervoor bestaan een viertal verklaringen. De eerste gaat uit van een hogere aanvangskracht aan het begin van de concentrische fase bij de countermovement. De tweede verklaring gaat uit van elastische energieopslag in peesweefsel. De derde verklaring wordt potentiation genoemd. De laatste verklaring gaat uit van reflexen die optreden als gevolg van een excentrische contractie. Deze verklaringen worden in dit artikel stuk voor stuk besproken. In de discussie wordt ingegaan op de consequenties voor de praktijk met betrekking tot spierversterking. Hogere aanvangskracht Bij de eerste verklaring wordt het verticaal springen als voorbeeld genomen. Aan het begin van de squat jump staat de persoon met gebogen knieën stil. Het feit dat hij stil staat, betekent dat de zwaartekracht op de persoon even groot is als en tegengesteld gericht aan de reactiekracht van de vloer op de persoon (figuur 1). Figuur 1. Bij de squat jump wordt vanuit stilstand gesprongen. De zwaartekracht en de reactiekracht van de grond op de persoon zijn even groot, maar tegengesteld gericht. De activatie van de beenspieren ligt hiermee vast. Als het zenuwstelsel de beenspieren minder zou activeren zou de persoon door zijn knieën zakken. Bij een hogere activatie zou de sprong al ingezet worden. De opdracht is echter dat vanuit stilstand begonnen moet worden. Zowel te veel als te weinig activatie voldoen niet aan deze eis. Dit wordt bedoeld met het feit dat de activatie van de beenspieren aan het begin van de concentrische fase vast ligt. Als de persoon vanuit deze situatie omhoog wil versnellen, moet hij ervoor zorgen dat de kracht die hij op de vloer uitoefent groter wordt dan de zwaartekracht. Het mooiste zou zijn als hij zijn maximale sprongkracht in een oneindig kleine tijdsduur zou kunnen

3 bereiken. Helaas is dat niet mogelijk. Een spier heeft tijd nodig om van het ene naar het andere krachtsniveau te komen. Het kost een volkomen gerelaxeerde spier ongeveer eentiende seconde om zijn maximale kracht op te bouwen. Gedurende die eentiende seconde is de activatie van het zenuwstelsel al maximaal, maar de chemische processen in de spier die voor de vorming van crossbridges zorgen kosten enige tijd (11,12,13). Dit heeft tot gevolg dat de spier niet onmiddellijk maximaal kracht kan leveren: de krachtsontwikkeling ijlt na bij de activatie. Dit verschijnsel wordt de electromechanische vertraging genoemd. In figuur 2 wordt het verloop van de kracht getoond bij maximale activatie vanuit het zenuwstelsel. Het blijkt dat de geleverde kracht in het begin sterk toeneemt: de grafiek loopt steil. Als de maximale kracht bijna wordt bereikt, is de toename van de kracht minder groot: de grafiek loopt flauw omhoog. Figuur 2. Voor een maximaal geactiveerde spier duurt het ongeveer eentiende seconde voordat vanuit een ontspannen situatie de maximale kracht is opgebouwd. De countermovement jump kenmerkt zich doordat de persoon zich eerst als het ware naar beneden laat vallen en vervolgens zijn snelheid afremt. Dit afremmen kan alleen gebeuren doordat de beenspieren een grotere afzetkracht ontwikkelen dan de zwaartekracht die op het lichaam werkt. Tijdens deze excentrische fase activeert het zenuwstelsel de beenspieren om het lichaam af te remmen. De beenspieren hebben tijdens de excentrische fase dus meer tijd om kracht op te bouwen dan aan het begin van de squat jump. Hierdoor ontwikkelt de persoon aan het einde van de excentrische en aan het begin van de concentrische fase een hogere sprongkracht dan aan het begin van de squat jump (6). De beenspieren beginnen op een hoger krachtsniveau aan de concentrische fase en er kan gedurende de hele afzet met een maximale sprongkracht afgezet worden. Tijdens de squat jump wordt een gedeelte van de concentrische fase gebruikt om kracht op te bouwen, zodat er niet maximaal afgezet wordt. Uit metingen van de grondreactiekracht tijdens springen, blijkt dit inderdaad het geval te zijn. In figuur 3 is de sprongkracht te zien tijdens de twee verschillende sprongen. Het grote verschil tussen de squat jump en de countermovement jump is een aanzienlijk verschil in aanvangskracht. Figuur 3. De grondreactiekracht is aan het begin van de squat jump lager dan aan het begin van de countermovement jump (vrij naar (9) ). peesweefsel. Een ander mechanisme waarvan gedacht wordt dat het de spronghoogte verbetert is de opslag van energie in Elastische energieopslag Een spier-pees complex is mechanisch gezien op te vatten als een contractiel element met in serie een veerelement (1) (figuur 4). De spiervezels vormen het contractiele element (A). De in serie geschakelde veer representeert het peesweefsel (B). Als de pees uitgerekt wordt, neemt hij energie op. Deze

4 elastische energie kan, zoals bijvoorbeeld bij een katapult in zeer korte tijd weer vrijkomen, zodat een explosieve beweging ontstaat (2,11). Dit mechanisme wordt geacht ook tijdens het springen werkzaam te zijn (3). Figuur 4. Het mechanische equivalent van een spier. een contractiel deel (de spiervezels) in serie geschakeld met een veer (de pees). Behalve het gegeven dat een pees elastische energie op kan slaan is er nog een eigenschap van spieren nodig om de countermovement jump te begrijpen. Dit is de kracht-snelheidsrelatie van een spier. Als spiervezels maximaal geactiveerd worden tijdens een isometrische contractie leveren zij een bepaalde kracht. Als de spiervezels nu bij dezelfde maximale activatie de gelegenheid krijgen te verkorten, blijkt dat zij minder kracht leveren. De contractiesnelheid is van invloed op de te leveren kracht. Dit is een van de redenen dat een nauwelijks te tillen gewicht wel langzaam opgetild kan worden, maar niet snel. Bij een bepaalde contractiesnelheid kan zelfs helemaal geen kracht meer geleverd worden. Dit wordt de maximale contractiesnelheid genoemd. Als de spiervezels excentrisch contraheren blijkt de te leveren kracht juist groter te zijn dan bij de isometrische contractie (7,11). Het voorgaande wordt verduidelijkt in figuur 5. Figuur 5. De te leveren kracht van de spiervezels is afhankelijk van de contractiesnelheid. Naarmate de spiervezels sneller contraheren kan minder kracht geleverd worden. Omdat de spiervezels en de pees van een spier in serie geschakeld zijn, is de kracht in de pees precies even groot als de kracht in de spiervezels. Dit maakt dat de rek van de pees en de contractiesnelheid van de spiervezels aan elkaar gerelateerd zijn. Als bijvoorbeeld de pees sterk gerekt is, is de kracht in de pees zeer hoog. Dit betekent dat de spiervezels dan langzaam moeten contraheren. Immers, een hoge contractiesnelheid van de spiervezels zou ervoor zorgen dat de spiervezels maar een lage kracht kunnen leveren. Aangezien de kracht in de spiervezels en de pees altijd gelijk aan elkaar zijn, moeten de spiervezels wel langzaam contraheren om een hoge spanning in de pees op te wekken. Deze onderlinge afhankelijkheid van contractiesnelheid van de spiervezels en rek van de pees wordt geacht gevolgen te hebben voor de squat jump en de countermovement jump. Bij de squat jump wordt begonnen vanuit een isometrische spiercontractie, terwijl bij de countermovement begonnen wordt vanuit een excentrische spiercontractie. Zoals hiervoor vermeld is de maximale kracht bij een excentrische contractie groter dan bij een isometrische contractie. De grotere kracht bij de countermovement rekt de pees verder uit dan bij de squat jump, waardoor het katapult effect geacht wordt op te treden. Als er gesproken wordt over het uitrekken van pezen dringt zich al snel de vergelijking op met elastiek-

5 jes om bijvoorbeeld postpakketjes bij elkaar te houden. Daar is echter geen sprake van. De rek die bij de beschreven explosieve bewegingen optreedt ligt in de buurt van 5%. Voor een pees met een lengte van 10 cm zou dat een verlenging van 5 mm zijn, wat uiteraard in het niet valt bij de verlengingsmogelijkheden van een alledaags elastiekje. Potentiation Bij experimenten waarbij de kracht van geïsoleerde spiervezels wordt gemeten, is een interessant verschijnsel opgemerkt. Het blijkt dat een voorafgaande excentrische contractie een positief effect heeft op de direct opvolgende concentrische contractie. Deze kan namelijk krachtiger uitgevoerd worden dan met een voorafgaande isometrische contractie. Dit verschijnsel wordt muscle potentiation genoemd (6,8). Deze experimenten worden uitgevoerd op spiervezels zonder peesweefsel en de opbouw van de spieractivatie bij beide soorten van contractie is dermate lang dat zowel elastische energie als de electromechanische vertraging geen rol spelen. Voorwaarde voor muscle potentiation is wel dat de excentrische en concentrische contracties direct achter elkaar uitgevoerd worden. Het rekken van spieren in een warming-up heeft dan ook geen enkele zin als het om prestatieverbetering met behulp van muscle potentiation gaat. In hoeverre muscle potentiation bij bewegingen in vivo een rol speelt is niet goed bekend. Ook de processen die zich in de spiervezel afspelen en leiden tot muscle potentiation zijn niet bekend. Met andere woorden: het is wel bekend dat er potentiation optreedt, maar niet hoe het precies werkt. Reflexen In de literatuur wordt wel gesuggereerd dat de rekreflex van de spierspoelen zorgt voor een krachtiger beweging na een excentrische contractie. Uit experimenten met electromyografie door Bobbert et al. (5) bleek echter niets van een extra activatie (hogere EMG-signalen) bij de countermovement jump in vergelijking met de squat jump. Discussie Binnen de fysiotherapie worden ter spierversterking nog wel eens technieken gehanteerd die gebruik maken van de countermovement. Binnen de PNF-methode bijvoorbeeld wordt dit slow reversal genoemd. Vaak wordt de verklaring voor de countermovement gezocht in neurologische mechanismen. Uit het voorgaande blijkt dat er bij gezonde mensen zonder neurologische afwijkingen ook puur mechanische effecten zijn die de extra kracht bij de countermovement verklaren. De vraag is of de countermovement een zinvolle bijdrage kan leveren bij spierversterkende oefeningen. Dat is afhankelijk van de doelstelling van de therapie. Als het van belang is de patiënt het mogelijk te maken voorwerpen ver weg te kunnen gooien of hoog te kunnen springen (bij sporters bijvoorbeeld) is het zeer functioneel om dit met behulp van de countermovement te oefenen. Als het om andere problemen gaat (bijvoorbeeld tillen of knijpen), is het maar de vraag of er ook op deze manier geoefend moet worden. Tussen de countermovement jump en de squat jump treden aanzienlijke verschillen op in de geleverde momenten en de bewegingen van de gewrichten (5). Dit vereist dan ook een andere aansturing vanuit het zenuwstelsel. Het resultaat van een beweging is niet alleen maar afhankelijk van de geleverde spierkracht. Ook begrippen als timing en coördinatie zijn belangrijk. Spierversterkende technieken moeten niet een doel op zich zijn, maar ingepast worden in een functionele situatie. Op die manier is de kans het grootst dat de toegenomen spierkracht op de juiste manier wordt ingepast door het zenuwstelsel. Uit recente computersimulaties van Bobbert (5) et al blijkt dat het katapulteffect niet zorgt voor een hogere sprong. De grotere spronghoogte bij de countermovement jump kan volledig worden toegeschreven aan het ontbreken van de electromechanische vertraging. De countermovement jump wordt wel efficiënter uitgevoerd door hergebruik van elastische energie. Met efficiënter wordt hier bedoeld dat de concentrische fase van de sprong minder energie kost, terwijl toch even hoog wordt gesprongen. De spronghoogte wordt echter niet verbeterd door energieopslag in pezen. Voor het uitvoeren van explosieve bewegingen kunnen relatief slappe pezen zorgen voor een gunstig effect op het energieverbruik. Als de pees zeer slap is (een relatief dunne pees) kan er veel elastische energie in worden opgeslagen. De kracht die door de spiervezels opgebracht wordt is dan groot genoeg om de pees flink op te rekken. Men zou dus kunnen denken dat hoe slapper een pees is hoe meer energie erin kan worden opgeslagen en des te efficiënter er bewogen kan worden. Er zijn echter

6 een paar belangrijke nadelen aan het hebben van slappe pezen. Ten eerste is de precisie bij de besturing van een lichaamsdeel met slappe pezen veel moeilijker. Informatie vanuit de spierspoelen is dan niet direct gekoppeld aan de bewegingen in de gewrichten. Immers, afhankelijk van de uitwendige belasting is de pees en dus ook de spiervezel meer of minder uitgerekt bij dezelfde gewrichtsstand. De spiervezellengte is dan geen maat voor de hoekstand van het gewricht. Dit maakt de besturing voor het zenuwstelsel aanzienlijk moeilijker. Ten tweede heeft een spiervezel maar een beperkt gebied waarin hij kracht kan leveren. Als de pees zeer slap is zal de spiervezel alleen maar de pees uitrekken zonder een behoorlijke kracht op de botten over te brengen. Het is dan niet ondenkbaar dat de spiervezel zover moet verkorten dat hij geen kracht meer kan leveren. Vanuit de rustlengte kan een spiervezel maximaal 41% verkorten. Bij een grotere verkorting kan geen kracht meer geleverd worden. Dergelijke situaties worden vermeden doordat pezen in werkelijkheid zeer stijf zijn gebouwd. Ten derde is het bij langzame bewegingen juist van belang dat pezen zo stijf mogelijk zijn om energieverlies te voorkomen. Dit is als volgt in te zien. Iemand wil een gewicht optillen door de arm te buigen. Nadat de arm gebogen is, wordt het gewicht op een tafel gezet. Om de arm te buigen moet een flexor (bijvoorbeeld de m. brachialis) worden aangespannen. Als deze spier met een slappe pees aan de onderarm is verbonden zal eerst de pees uitgerekt worden. Daarbij wordt energie verbruikt om de pees op te rekken. Pas daarna wordt de arm gebogen en het gewicht wordt op tafel gezet. Bij het neerzetten op tafel neemt de kracht die de flexor moet leveren weer af. De tafel neemt het over. Juist in de periode dat de kracht van de flexor afneemt gaat energie verloren. Immers, omdat de kracht afneemt verkort de pees weer tot zijn originele lengte. De ellebooghoek blijft hetzelfde en dus verlengen de spiervezels van de flexor: zij contraheren excentrisch. Op dat moment gaat de energie die in de pees was opgeslagen verloren. Deze elastische energie draagt immers niet meer bij aan de beweging, maar wordt gebruikt om de spiervezels van de m. brachialis op te rekken en gaat verloren in de vorm van warmte. In een stijve pees kan bij dezelfde kracht minder energie worden opgeslagen en vervolgens ook minder energie verloren gaan. Bij explosieve bewegingen gebeurt dit niet, omdat op het moment dat de pees verkort ook de spiervezels nog verkorten. Op dat moment wordt de elastische energie niet gebruikt om een excentrische contractie van de spiervezels te forceren zoals bij het hiervoor genoemde voorbeeld, maar draagt deze bij aan de beweging. Resumerend is het voor langzame bewegingen vanuit een energetisch oogpunt beter om stijve pezen te hebben, terwijl voor snelle explosieve bewegingen relatief slappe pezen een voordeel kunnen bieden. Uit de bouw van de meeste spieren blijkt dat elastische energieopslag over het algemeen genomen niet zo n belangrijke rol speelt. Uit een artikel van Ker (10) bleek dat de verhouding tussen de fysiologische doorsnede van pees en spierbuik zodanig is dat zelfs bij maximale contracties de hoeveelheid opgeslagen energie in de pees zeer klein is. Een belangrijke rol is dan ook niet weggelegd voor opslag van elastische energie. Dit kan veranderen bij een andere verhouding in de fysiologische doorsneden voor de spierbuik en de pees. Als de pees in verhouding dunner is zal de energieopslag navenant toenemen. De achillespees is bij de mens wellicht de enige pees die enigszins aan deze voorwaarde voldoet (10). LITERATUUR 1. Alexander R., Bennet-Clark H.C. Storage of elastic strain energy in muscle and other tissues. Nature, Volume 265: , (1977). 2. Alexander R. Elastic mechanisms in primate locomotion. Z. Morph. Anthrop., Vol. 78: (1991). 3. Asmussen E., Bonde-Petersen F. Storage of elastic energy in skeletal muscles in man. Acta Physiol. Scand., Vol. 91: (1974).

7 4. Avis F.J., Toussaint H.M., Huijing P.A., Ingen Schenau G.J. Positive work as a function of eccentric load in maximal leg extension movements. Eur. J. Appl. Phys., Vol. 55: (1986). 5. Bobbert M.F., Gerritsen K.G.M., Litjens M.C.A., Soest A.J. van. Why is countermovement jump height greater than squat jump height? Medicine and Science in Sports and Exercise, Vol. 28, No. 11: (1996). 6. Edman K.A.P., Elzinga G., Noble M.I.M. Enhancement of mechanical performance by stretch during tetanic contractions of vertebrate skeletal muscle fibres. J. Physiol. (Lond.), Vol. 281: (1978). 7. Ettema G.J.C., Soest A.J., Huijing P.A. The role of series elastic structures in prestretch-induced work enhancement during isotonic and isokinetic contractions. J. Exp. Biol. Vol. 154: (1990). 8. Ettema G.J.C., Huijing P.A., Ingen Schenau G.J., Haan de A. Effects of prestretch at the onset of stimulation on mechanical work output of rat medial gastrocnemius muscle-tendon complex. J. Exp. Biol., Vol. 152: (1990). 9. Ingen Schenau G.J. van, Boer R.W. de, Vergroesen I. Kracht en snelheid 3: De counterbeweging. Geneeskunde en Sport, Vol. 17: (1984). 10. Ker R.F., Alexander R.McN., Bennett M.B. Why are mammalian tendons so thick? J. Zool. Lond. 216: (1988). 11. Leeuwen J.L. van. Muscle function in locomotion. In: Mechanics of animal locomotion (Ed. Alexander R.)., Springer-Verlag, Heidelberg (1992). 12. Vos E.J., Harlaar J., Ingen Schenau G.J. Electromechanical delay during knee extensor contractions. Med. Sci. Sports, Vol. 23: (1991). 13. Wallinga W. Force development in rat skeletal muscle. Thesis. ALFA Enschede (1990).