Auteur(s): M. Berger, P. Hollander Titel: Voortstuwing tijdens zwemmen Jaargang: 15 Jaartal: 1997 Nummer: 5 Oorspronkelijke paginanummers:

Transcriptie

1 Auteur(s): M. Berger,. Hollaner Titel: Voortstuwing tijens zwemmen Jaargang: 15 Jaartal: 1997 Nummer: 5 Oorspronkelijke paginanummers: Deze online uitgave mag, oner uielijke bronvermeling, vrij gebruikt woren voor (para-) meische, informatieve en eucatieve oeleinen en aner niet-commercieel gebruik. Zoner kosten te ownloaen van:

2 VOORTSTUWING TIJDENS ZWEMMEN Dr. Monique Berger, Bewegingswetenschapper, VU, Vakgroep Kinesiologie, Faculteit er Bewegingswetenschappen, Amsteram, Docent Anatomie, Vakgroep Anatomie, Opleiing Bewegingstechnologie, Haagse Hogeschool. Dr. eter Hollaner, Inspanningsfysioloog, VU, Vakgroep Kinesiologie, Faculteit er Bewegingswetenschappen, Amsteram. Monique Berger eter Hollaner Inleiing wemmen is een afwijkene manier van voortbewegen omat zwemmen plaatsvint in water. Bij ie- manier van voortbewegen gelt at voortstuwing alleen mogelijk is als resultaat van externe Zere krachten ie woren uitgeoefen op e omgeving. Bij veel vormen van voortbewegen wort e afzetkracht gegenereer oor af te zetten tegen een vast punt (at wil zeggen een punt at oor e afzet niet of nauwelijks in beweging komt). Bij zwemmen wort e voortstuwing verkregen oor tegen water af te zetten. Door eze afzet tegen water krijgt het water een achterwaartse snelhei wat betekent at een eel van e energie ie een zwemmer levert, verloren gaat aan het vergroten van e kinetische energie van het water en erhalve niet ten goee komt aan e voortstuwing. Bij zwemmen treen er aaroor veel grotere energieverliezen op an bijvoorbeel bij lopen, waar e verliezen beperkt blijven tot e vormveraneringen in schoenen en onergron. Het totale uitwenige vermogen ( o ) at een zwemmer levert kan aarom woren vereel in een eel waarmee e weerstan wort overwonnen ( ) en een eel at tijens e afzet in e vorm van kinetische energie aan het water wort gegeven ( k ). o (1) k De vereling van o in en k kan een belangrijke prestatie bepalene factor bij het zwemmen zijn. Wanneer een ongeoefene zwemmer wil in het water beweegt zal ie veel water in beweging zetten. In ie situatie zal k zeer hoog zijn en zal er us nog maar een klein eel van o overblijven om e weerstan van het water te overwinnen. Onanks intensieve bewegingen zal er niet erg har gezwommen kunnen woren. De voortstuwingsefficiëntie (e p ) beschrijft e verhouing tussen het voor e voortstuwing bruikbare vermogen ( ) en het totaal gelevere vermogen: e p (2) o k Met e thans beschikbare kennis is het niet precies uielijk wat het voortstuwingsmechanisme is at zwemmers gebruiken om hun lichamen oor het water voort te stuwen. Er zijn verschillene theorieën over e manier van voortstuwen maar geen enkele is tot op heen voloene bewezen. Dit artikel zal e huiige stan van zaken bespreken, en een rietal theorieën op een rijtje zetten. Hierbij wort het borstcrawl zwemmen als voorbeel genomen waarbij alleen e voortstuwingskrachten op e han in e analyse wort meegenomen. Verer wort er voor e meeste berekeningen vanuit gegaan at er met constante snelhei wort gezwommen, waarbij e voortstuwingskracht an gelijk is aan e weerstanskracht. Newton Het belangrijkste voortstuwingsmechanisme at zwemmers gebruiken is waarschijnlijk gebaseer op e ere wet van Newton: actie = reactie. Deze wet kan als volgt woren uitgeleg: wanneer een zwemmer water naar achteren uwt, geeft hij/zij aarmee het lichaam een voorwaartse versnelling. De

3 achterwaartse versnelling van e watermassa is evenreig met e voorwaartse versnelling van e massa van e zwemmer (massa water x versnelling water = massa zwemmer x versnelling zwemmer). Met behulp van enkele berekeningen van het benoige vermogen kan woren aangetoon at niet alleen weerstanskrachten e voortstuwing tijens zwemmen veroorzaken. Een rekenvoorbeel. Stel: Een zwemmer zwemt met een snelhei van 1 m/s. De hansnelhei (v h ) beraagt 2.5 m/s. De weerstanskracht (F boy ) ie e zwemmer onervint = 25 N. De kracht wort volleig gelever oor weerstanskrachten van e han (F = 25 N). De voortstuwingsefficiëntie (e p ) = 0.5 (Toussaint e.a.1988). De mechanische efficiëntie (e m ) = 0.1 (.w.z. at slechts 10% van het metabool vermogen ten goee komt aan voortstuwing; e overige 90% komt vrij in e vorm van warmte) (Toussaint e.a., 1990). Het vermogen noig om e weerstanskracht op te wekken beraagt 62.5 Watt ( = F.v h = 25 x 2.5 = 62.5 Watt) Het totaal uitwenig gelevere vermogen ( o ) is gelijk aan 125 Watt ( o = /e p = 62.5 / 0.5 = 125 Watt) Het metabool vermogen ( m ) is an gelijk aan 1250 Watt ( m = o /e m = 125/0.1 = 1250 Watt). Wanneer we it omrekenen naar e hoeveelhei benoige zuurstof voor het leveren van 1250 Watt beraagt it ca. 3.5 l/min. Dit lijkt een onwaarschijnlijk hoge waare voor borstcrawl zwemmen bij een snelhei van 1 m/s. Wanneer e zuurstofopname wort gemeten bij borstcrawl zwemmen met een ergelijke snelhei woren waaren gevonen van l/min (Wakayoshi e.a., 1996). Bernoulli Zo omstreeks 1970 wer e bovenstaane theorie min of meer verworpen oorat oor verschillene auteurs gewezen wer op e bijrage van liftkrachten aan e voortstuwing. Counsilman (1969, 1971) en Brown & Counsilman (1970) lieten zien at zwemmers hun armen meer iagonaal oor het water haalen. Hieroor wer er gezocht naar een anere verklaring voor e voortstuwing an het actie = reactie principe. De theorie van Bernoulli wer toen gezien als e verklaring voor voortstuwing in water. Deze theorie kan als volgt woren uitgeleg: De basis voor voortstuwing is at e hanen en armen werken als vleugels. De waterstroom over e rugzije van e han is sneller an aan e kant van e hanpalm. Dit snelheisverschil veroorzaakt een rukverschil wat een liftkracht veroorzaakt. De liftkracht gecombineer met e weerstanskracht op e han prouceert een resultante kracht ie voor voortstuwing van e zwemmer zorgen (figuur 1). a b Figuur 1. a. Vleugelprofiel waarbij e eeltjes aan e bovenkant van het profiel een hogere snelhei hebben an oner het profiel. Dit resulteert in rukverschillen oner en boven het profiel wat weer resulteert in een liftkracht.

4 b. Hetzelfe principe gelt voor e han. De hoek α is e 'angle of attack'. Hoewel het erg waarschijnlijk is at lift- en resultante krachten woren geprouceer wanneer zwemmers een iagonale beweging oner water maken, hangt e grootte van eze krachten mogelijk meer samen met e hoek ie e han en onerarm maken met het water an met snelheisverschillen van e waterstroom oner en boven e han. Zwemmers leveren e grootste krachten bij bepaale posities van han en onerarm t.o.v. het water (b.v. Schleihauf e.a., 1983, Berger e.a., 1995). In e literatuur wort eze oriëntatie van han en arm beschreven als 'angle of attack' of 'angle of pitch' (hoek α in figuur 1b). Newton & Bernoulli Het lijkt erg waarschijnlijk at beie theorieën: us Newton's actie = reactie principe en Bernoulli s theorie e voortstuwing tijens zwemmen kunnen verklaren. Het is niet Newton versus Bernoulli maar Newton & Bernoulli. Liftkrachten kunnen niet woren opgewekt zoner weerstan! Voortstuwingskracht wort opgewerkt oor bewegingen van e leematen. Eigenlijk ienen er 2 componenten van eze voortstuwingskracht onerscheien te woren: a. e weerstanskracht: Het naar achteren uwen van water veroorzaakt een reactie naar voren. Deze kracht is us tegengestel gericht aan e bewegingsrichting van e leematen. Er is hier us sprake van een 'voortstuwene' weerstanskracht. Deze kracht moet men us niet verwarren met e weerstanskracht op het totale lichaam van e zwemmer ie minimaal moet woren gelever om vooruit te komen. b. e liftkracht: een kracht ie loorecht staat op e weerstanskracht. Hoewel eze kracht beken staat als liftkracht betekent it niet at eze kracht altij omhoog gericht is. Bijvoorbeel bij een propellor is e liftkracht voorwaarts gericht, nl. loorecht op e bewegingsrichting van e propellerblaen. In figuur 2 staat een overzicht van e krachten ie een rol spelen bij het borstcrawl zwemmen. Figuur 2. F = e weerstanskracht van e han, F l = e liftkracht, F = e resulterene kracht, D = e weerstan op het totale lichaam, v b = e snelhei van e zwemmer, F p = e voortstuwingskracht in voorwaartse richting en F x en F lx e weerstans- resp. e liftkracht in voorwaartse richting. De grootte van e weerstans- en liftkrachten kunnen we berekenen met behulp van e volgene formules: F F l 0.5 v A C (3) 2 h 2 h w w 0.5 v A C (4) l waar ρ = e ichthei van het water, v h = e hansnelhei, A w is het natte oppervlak van e han en arm en C en C l zijn respectievelijk e weerstans- en liftcoëfficiënten. De richting en grootte van e in figuur 2 getekene krachten kunnen woren gemeten, anwel woren bereken m.b.v. een rieimensionale kinematische analyse. Deze analyse bestaat eigenlijk uit 2 elen: 1. het meten van weerstans- en liftkrachten op moellen van han en onerarm in een laboratoriumsituatie voor het berekenen van weerstans- en liftcoëfficiënten. 2. een 3D vieoanalyse van zwemslagen.

5 Hieroner volgt in het kort e proceure om te komen tot een berekening van e voortstuwingskrachten tijens het borstcrawl zwemmen. a. 1 Voor het berekenen van weerstans- en liftkrachten als componenten van e totale voortstuwingskracht is het noozakelijk weerstans- en liftcoëfficiënten te bepalen. Hiertoe kunnen in een sleeptank, zoals wort gebruikt bij het beoorelen van (weerstans)eigenschappen van scheepsmoellen, rieimensionaal krachten woren gemeten ie optreen bij het slepen van moellen van e han en onerarm. Dit is geaan voor 2 moellen van han en onerarm met verschillene afmetingen (Berger e.a., 1995). Deze moellen zijn gesleept met verschillene snelheen terwijl e weerstans- en liftkrachten weren gemeten. Bij gemeten omtrekken (en us bekene oppervlakten A w ) kon nu m.b.v. e formules 3 en 4 e waaren voor C en C l woren bereken. De coëfficiënten blijken afhankelijk van e sleepsnelhei en e oriëntatie van e han en arm t.o.v. e stroomrichting, e 'angle of attack' us (Berger e.a., 1995). a. 2. Voor het bepalen van e voortstuwingskrachten tijens het zwemmen kunnen e C en C l waaren, verkregen m.b.v. e hier-boven beschreven experimenten woren toegepast in combinatie met een rie imensionale (3D) bewegingsanalyse. Deze 3D vieoanalyse geeft an informatie over e snelhei, vh, en e oriëntatie van e han t.o.v. het water (noig voor het bepalen van e bijbehorene C en C l waaren). Met behulp van eze informatie kan e voortstuwingskracht tijens zwemmen en e bijragen van e weerstans- en liftkracht aan e voortstuwingskracht woren bereken. Deze proceure voor het berekenen van voortstuwingskrachten is geaan voor een aantal triatleten en zwemmers (Berger e.a., 1997). In it onerzoek is o.a. gekeken naar e bijrage van e liftkracht aan e resulterene kracht. De bijrage van e liftkracht aan e resulterene kracht blijkt aanzienlijk te zijn. De totale voortstuwingskracht bleek voor ongeveer 60 % te woren gelever oor liftkrachten. De bijrage van e liftkracht aan e voortstuwing is min of meer gratis. Doorat e richting van e liftkracht loorecht staat op e snelheisvector van e han zijn e energieverliezen verwaarloosbaar klein ( k is nagenoeg 0). Wanneer we nu proberen in het voorgaane rekenvoorbeel e liftkrachten te betrekken ziet e berekening van e zuurstofopname er als volgt uit: Stel: Een zwemmer zwemt met 1 m/s. De hansnelhei (v h ) beraagt 2.5 m/s. De weerstanskracht (F -boy ) ie e zwemmer onervint = 25 N. De kracht wort voor 40% gelever oor weerstanskrachten van e han (F = 10 N) en voor 60 % oor liftkrachten (F l = 15 N). De voortstuwingsefficiëntie (e p ) = 0.5. De mechanische efficiëntie (e m ) = 0.1. Het vermogen noig om e weerstanskracht op te wekken beraagt 25 Watt ( = F.v h = 10 x 2.5 = 25 Watt) Het totaal uitwenig gelevere vermogen ( o ) is gelijk aan 50 Watt ( o = /e p = 25 / 0.5 = 50 Watt) Het metabool vermogen ( m ) is an gelijk aan 500 Watt ( m = o / e m = 50/0.1 = 500 Watt). Wanneer we it omrekenen naar e hoeveelhei zuurstof noig voor het leveren van 500 Watt beraagt it ca l/min. Deze waare voor e zuurstofopname lijkt veel realistischer voor borstcrawl zwemmen bij een snelhei van 1 m/s. Ook al is het nog wat aan e hoge kant. Vortices Het concept van weerstans- en liftkrachten lijkt niet compleet te zijn. Alle berekeningen van menselijke zwemmers zijn gebaseer op een laminaire stroming van het water ronom e han en onerarm. Het is echter niet waarschijnlijk at it werkelijk het geval is. Door het bewegingstraject van e han

6 beweegt een watermassa op een min of meer circulaire manier, waaroor zogenaame vortices (wervelingen of raaistromingen) ontstaan. Verschillene auteurs hebben er op gewezen at vortices een belangrijke rol spelen bij e voortstuwing (o.a. Lighthill, 1969, Ungerechts, 1987, Triantafyllou & Triantafyllou, 1995). Een onerzoek van Triantafyllou & Triantafyllou (1995) liet zien at elk object in een stroom vortices creëert. Zij beargumenteren op gron van experimenten met olfijnen at oor het terugwinnen van energie uit eze vortices e efficiëntie tijens zwemmen enorm kan toenemen. Kunnen vortices nu het verschil in energie verklaren? Helaas zijn er nog geen technieken beschikbaar ie het concept van vortices kan verifiëren. Het lijkt erop at sommige processen ie een rol spelen bij het opwekken van e voortstuwingskrachten tijens zwemmen voorlopig nog niet gekwantificeer kunnen woren. Ook al is er wat van e wetenschappelijke achtergronen ie (een eel van) e voortstuwing tijens zwemmen kunnen verklaren beken, een goee zwemtechniek is voorlopig nog meer kunst an wetenschap! LITERATUUR Berger, M.A.M., G. e Groot, A.. Hollaner. Hyroynamic rag an lift forces on human han/arm moels. Journal of Biomechanics 28, , Berger, M.A.M., A.. Hollaner, G. e Groot. Swimming technique an energy losses in front crawl swimming. Meicine an Science in Sports an Exercise, in press, Brown, R.M., & J. E. Counsilman. Role of lift in propelling swimmers. In: Selecte Topics on Biomechanics (Eite by J.M. Cooper), pp The Athletic Institute, Chigago, Counsilman, J.E. The role of sculling movements in the arm pull. Swimming Worl 10, 6 7, Counsilman, J.E. The application of Bernouilli's principle to human propulsion in water. In: Swimming I (Eite by L. Lewillie & J.. Clarys), pp University ark ress, Baltimore, Lighthill, J. Hyromechanics of aquatic animal propulsion. Annual Review of Flui Mechanics 1, , Schleihauf, R.E. A hyroynamic analysis of swimming propulsion. In: Swimming III (Eite by J. Teraus & E.W. Beingfiel), pp University ark ress Baltimore, Schleihauf, R.E., L. Gray, J. DeRose. Three Dimensional analysis of swimming propulsion in the sprint front crawlstroke. In: Biomechanics an meicine in swimming (Eite by A.. Hollaner,.A. Huying, G. e Groot), pp Human Kinetics ublishers, Champaign, Illinois, Toussaint, H.M., A. Beelen, A. Roenburg, A.J. Sargeant, G. e Groot, A.. Hollaner, G.J. van Ingen Schenau. ropelling efficiency of front crawl swimming. Journal of Applie hysiology 65, , Toussaint, H.M., W. Knops, G. e Groot, A.. Hollaner. The mechanical efficiency of front crawl swimming. Meicine an Science in Sports an Exercise 22, , 1990.

7 Triantafyllou, M.S. & G.S. Triantafyllou. An efficient swimming machine. Scientific American, March, 40 48, Ungerechts, B.E. On the relevance of rotating water flow for the propulsion in swimming. In: Biomechanics X B (Eite by B. Jonsson), pp Human Kinetics ublishers, Champaign, Illinois, Wakayoshi, K., J. 'Acquisto, J.M. Cappaert & J.. Troup. Relationship between metabolic parameters an stroking characteristics in front crawl. In: Biomechanics an Meicine in Swimming (Eite by J.. Troup, A.. Hollaner, D. Strasse, S.W. Trappe, J.M. Cappaert & T.A. Trappe), pp E & FN Spon, Lonon, 1996.