Auteur(s): Herre Faber Titel: Zadelhoogte en vermoeidheid Jaargang: 15 Jaartal: 1997 Nummer: 2 Oorspronkelijke paginanummers:

Transcriptie

1 Auteur(s): Herre Faber Titel: Zadelhoogte en vermoeidheid Jaargang: 15 Jaartal: 1997 Nummer: 2 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 ZADELHOOGTE EN VERMOEIDHEID Herre Faber Herre Faber, Bewegingstechnoloog, Den Haag Inleiding Nederland is meer dan welk ander land een fietsland. De een fietst omdat hij zich wil verplaatsen van A naar B. De ander fietst puur omdat hij het leuk vindt en weer andere mensen beoefenen fietsen als sport. Verder bestaat er binnen de inspanningsfysiologie de fietsproef om de conditie te bepalen. Een aantal zaken beïnvloeden de fietsprestatie, zoals de gekozen versnelling, de houding op de fiets en het gewicht van de fiets. Fietsen met een te laag zadel is opmerkelijk vermoeiend en met name dit verschijnsel wordt in dit artikel verder uitgewerkt. Voordat er allerlei zaken zoals hoeksnelheden en/of EMG-activiteit worden gemeten is het verstandig eerst een theorie te ontwikkelen. Op basis hiervan kan een hypothese opgesteld worden, welke vervolgens getoetst kan worden door middel van experimenteel onderzoek. Harry Oonk zei het al eens: "liever boven-vinden dan onder-zoeken". In dit artikel zullen twee factoren besproken worden die invloed hebben op spiervermoeidheid: rendement en intramusculaire druk. Vermogensleverantie tijdens het fietsen Tijdens het fietsen op de vlakke weg moet er vermogen geleverd worden. Vermogen is de hoeveelheid energie die per tijdseenheid omgezet wordt. De "pk" is bijvoorbeeld een eenheid om vermogen uit te drukken. In het s.i.-stelsel wordt de Watt als eenheid gebruikt. Het geleverde vermogen gaat bij het fietsen met constante snelheid op aan drie dingen: luchtweerstand, rolweerstand en wrijving in de lagers en de ketting. Hiervan is de luchtweerstand de grootste "vermogensvreter". Het benodigde vermogen is eenvoudig te bepalen. Om een constante snelheid te fietsen moet er een kracht tangentieel aan de bewegingsrichting van de trapper geleverd worden. Deze kracht wordt vermenigvuldigd met de snelheid van de trapper. De uitkomst hiervan is het totale uitwendige vermogen. Dit komt volledig ten goede aan het overwinnen van de luchtweerstand, de rolweerstand en de interne wrijving. Het te leveren uitwendige vermogen is afkomstig van spieren. Het uitwendige vermogen van een spier is gelijk aan het produkt van de spierkracht en de contractiesnelheid. Optellen van het uitwendige vermogen van alle actieve spieren levert het totale uitwendige vermogen op. De brandstof voor de menselijke motor is het adenosinetrifosfaat molecuul (ATP). Dit wordt tijdens de spierkontraktie omgezet in een molecuul adenosinedifosfaat (ADP) en een molecuul fosfaat. Bij deze splitsing komt vermogen vrij dat de spier in staat stelt kracht te leveren en te contraheren. Echter, niet alle energie in het ATP-molecuul komt ten goede aan de spierkontraktie. Verreweg het grootste deel verdwijnt als warmte. Rendement Het totale door het ATP geleverde vermogen wordt het metabole vermogen genoemd. Een bepaald percentage hiervan verdwijnt als warmte en een bepaald percentage komt ten goede aan het uitwendige vermogen van de spier. Het percentage dat ten goede komt aan het uitwendige vermogen wordt het rendement genoemd. Hoe hoger het rendement des te efficinnter is de spier. Onderzoek laat zien dat het rendement van een spier voornamelijk afhangt van de snelheid waarmee deze verkort (3). Als de spier wel kracht levert, maar niet verkort (isometrische kontraktie) is het rendement nul. Het uitwendige vermogen is immers het produkt van kracht en contractiesnelheid. Bij een contractiesnelheid van nul is het uitwendige vermogen nul en het rendement dus ook. Er bestaat een limiet voor de snelheid waarmee een spier kan samentrekken. Deze limiet wordt de maximale contractiesnelheid (V max ) genoemd. Als een spier met deze snelheid samentrekt kan hij geen kracht leveren, ongeacht de stimulatie vanuit het zenuwstelsel. Omdat de kracht in dat geval nul is, zijn het uitwendige vermogen en het rendement ook nul. Ergens tussen deze twee uitersten in, bij een snelheid van 0.2 maal de maximale contractiesnelheid, is het rendement maximaal en bedraagt het ongeveer 25 procent (figuur 1).

3 40 Rendement (%) Figuur 1. Het rendement als functie van de relatieve contractiesnelheid. Bij tweetiende deel van de maximale contractiesnelheid bereikt het rendement een maximum van 25 procent Kontraktiesnelheid (V/Vmax) Rendement tijdens het fietsen Het lijkt plausibel om te veronderstellen dat er een relatie bestaat tussen rendement en spiervermoeidheid. Bij fietsen met een laagrendement wordt immers het meeste vermogen weggegooid in de vorm van warmte. Het gevolg is dat de voorradige energie in de spier snel opraakt, wat vermoeidheid veroorzaakt. We zagen al dat het rendement afhangt van de contractiesnelheid van de spieren die vermogen leveren. De contractiesnelheid is op zijn beurt afhankelijk van drie parameters: het verzet, de cranklengte (de afstand van de trapper tot zijn draaipunt) en de zadelhoogte. De eerste twee zijn eenvoudig in te zien. Hoe zwaarder het verzet (lees: hoe minder omwentelingen van de crank per afgelegde meter) des te lager de contractiesnelheid van de spieren. Voor de crank geldt dat naarmate deze langer is, de contractiesnelheid van de spieren hoger wordt. Deze vergelijkingen gaan alleen op als in alle gevallen met dezelfde constante snelheid en hetzelfde constante uitwendige vermogen wordt gefietst. Om de invloed van de zadelhoogte op de contractiesnelheden van de heup- en kniespieren te bepalen worden de maximale gewrichtshoeken van de knie en de heup bij een hoge en een lage zadelstand met elkaar vergeleken (figuur 2). In de hoge zadelstand is het been volledig gestrekt in de laagste stand van de trapper. Voor de lage zadelstand is een zadelhoogte gekozen die 15 cm lager is. Voor de cranklengte wordt 17 cm gekozen. Het boven- en onderbeen worden allebei op een lengte van 40 cm gekozen. Omdat het op dit moment alleen om de orde van grootte gaat, wordt het enkelgewricht niet in de beschouwing betrokken. Hoge zadelstand Als de trapper zich in zijn laagste stand bevindt bedraagt de kniehoek 180 graden, de heuphoek 0 graden en de afstand tussen voet en heup 80 cm. In de hoogste trapperstand is de voet 34 cm omhoog verplaatst (2 maal de cranklengte), dus de afstand tussen voet en heup bedraagt dan 46 cm. Met behulp van een eenvoudig wiskundig regeltje (de cosinusregel) zijn nu de heup- en kniehoek eenvoudig te berekenen. De kniehoek bedraagt in deze stand 70.2 graden en de heuphoek bedraagt 54.9 graden Figuur 2. a. Hoge zadelstand, het been is in de laagste positie van de voet maximaal gestrekt. b. Hoge zadelstand, de voet is 34 cm (2 x de cranklengte) omhoog verplaatst ten opzichte van figuur 2A. 40 A 34 B Lage zadelstand Als de trapper zich in zijn laagste stand bevindt is de afstand tussen voet en heup 65 cm. (figuur 3). De kniehoek bedraagt dan graden en de heuphoek 35.7 graden. In de hoogste stand van de trapper is de afstand tussen voet en heup 31 cm. De kniehoek bedraagt dan 45.6 graden en de heuphoek bedraagt 67.2 graden.

4 Contractiesnelheden In de hoge zadelstand is de hoekstandsverandering van de knie = graden. De hoekstandsverandering van de heup bedraagt 54.9 graden. In de lage zadelstand bedraagt de hoekstandsverandering van de knie = 63 graden. De hoekstandsverandering van de heup bedraagt in dat geval = 31.5 graden. Voor een eerlijke vergelijking tussen de hoge en lage zadelstand moeten de omwentelingssnelheid van de crank en het te leveren uitwendige vermogen in beide gevallen gelijk verondersteld worden. Het enige verschil is dan dat in de hoge zadelstand de gemiddelde hoeksnelheid van de knie een factor 109.8/63 = 1.7 maal hoger is dan bij de lage zadelstand. Voor de heup bedraagt deze factor Figuur 3. a. Lage zadelstand, het zadel is 15 cm omlaag verplaatst in vergelijking met figuur 2. In de laagste positie van de voet is het been al gebogen. b. Lage zadelstand, de hoekstandsveranderingen van heup en knie zijn in de hoogste positie van de voet minder groot dan in figuur A B Omdat de hoeksnelheden van de gewrichten veranderen door de zadelhoogte veranderen de contractiesnelheden en dus ook het rendement. Wat is nu voor de mono-articulaire koppen van de m. quadriceps femoris en de m. gluteus maximus de optimale contractiesnelheid? Van normaal fietsen wordt de gemiddelde mens niet echt heel moe. Dat betekent dat er relatief veel slow-twitch spiervezels gebruikt worden. Dit zijn spiervezels die langdurige inspanning kunnen volhouden in tegenstelling tot fast-twitchvezels die al na enkele sekondes vermoeid raken. Slow-twitchvezels hebben een maximale contractiesnelheid van 5.5 maal de spiervezellengte per seconde (4). De rustlengte van de vezels van de m. quadriceps bedraagt ongeveer 9 cm (6). De maximale contractiesnelheid van de m. quadriceps bedraagt dan 5.5 x 9 = 49.5 cm per seconde. Uit figuur 1 bleek dat bij tweetiende van deze snelheid het rendement optimaal is. De optimale contractiesnelheid van de m. quadriceps bedraagt dus 0.2 x 49.5 = 9.9 cm per seconde. De contractiesnelheid van een spier is afhankelijk van twee dingen: 1. de hoeksnelheid van het overspannen gewricht en 2. de momentsarm van de spier over het gewricht Door deze twee grootheden met elkaar te vermenigvuldigen wordt de contractiesnelheid berekend: V k = w x a waarbij: V k : contractiesnelheid van de spier w: hoeksnelheid van het gewricht (radialen/seconde) a: momentsarm van de spier De hoeksnelheid is dan te bepalen door V k /a. De momentsarm van de m. quadriceps bedraagt ongeveer 4 cm (6). De optimale contractiesnelheid van de m. quadriceps bedraagt 9.9 cm/s (zie hiervoor). De optimale hoeksnelheid bedraagt dan 9.9/4 = 2.5 rad/s. Dit is gelijk aan 142 graden/s. De hoekstandsverandering van de knie bij een hoge zadelstand bedraagt graden. Deze hoekstandsverandering vindt plaats in een halve omwenteling van de trapper. Voor de optimale hoeksnelheid van de knie moet de trapper dan 142/(2x109.8) = 0.65 keer per seconde rond gaan. Dit is een trapfrequentie van 39 omwentelingen per minuut. Voor de m. gluteus maximus geldt (2,6) : Hoekstandsverandering: 54.9 graden Rustlengte vezels: 15 cm Momentsarm: 6 cm. Het blijkt dat de optimale trapfrequentie voor de m. gluteus maximus op deze manier 86 omwentelingen per minuut bedraagt. Het gemiddelde van de beide optimale trapfrequenties bedraagt 39+86/2 = 63 omwentelingen per minuut. Dit komt redelijk overeen met experimenten van Coast (1). Deze onderzocht de relatie tussen trapfrequentie en rendement en vond een optimum bij 70 omwentelingen per minuut. Zowel bij een hogere als een lagere trapfrequentie daalde het rendement (figuur 4).

5 22 Rendement (%) Figuur 4. De relatie tussen rendement en trapfrequentie, gemeten door Coast (1) Trapfrequentie (omw/min.) In feite is dit dezelfde grafiek als in figuur 1, maar nu voor alle actieve spieren tegelijk. Bij normaal fietsen zitten de meeste mensen op of onder deze trapfrequentie. Het verlagen van het zadel verlaagt, zoals we hiervoor al zagen, de hoekuitslagen in de heup en knie en dus de contractiesnelheden van de spieren. Dit betekent dat het rendement lager wordt. Het verlagen van de zadelhoogte verlaagt het rendement, waardoor de vermoeidheid toeneemt! Intramusculaire druk Een spier is voor zijn energievoorziening afhankelijk van de doorbloeding. In het bloed bevindt zich immers de zuurstof die nodig is voor het aanmaken van ATP. De voorraden ATP in de spier zijn na enkele seconden arbeid al uitgeput. Dat betekent dat er constant ATP bijgemaakt moet worden door chemische afbraak van glucosemoleculen. Dit zijn enkelvoudige suikers en bevatten veel energie. Het afbreken van glucose gaat in twee fases: een anaerobe fase (de glycolyse) en een aerobe fase (de citroenzuurcyclus). Bij gebrek aan zuurstof kan de aerobe fase niet optreden. Per molecuul glucose worden dan twee moleculen ATP gevormd. Als er zuurstof aanwezig is kan de aerobe fase wel optreden en worden nog eens 36 moleculen ATP aangemaakt. Dit maakt duidelijk dat het bij langdurige inspanningen belangrijk is dat de zuurstofaanvoer en dus de doorbloeding goed op peil is. De bloedvaten die het bloed aanvoeren liggen noodzakelijkerwijs tussen de spiervezels in. De diepe spiervezels willen immers ook gevoed worden. Spiervezels lopen niet recht van de origo- naar de insertiepees, maar zij lopen altijd gekromd. Door dit verloop wordt druk opgebouwd in de spier bij krachtleverantie in de vezels (5) (figuur 5). Deze intramusculaire druk werkt ook op de bloedvaten. Als de intramusculaire druk groter is dan de bloeddruk ter plaatse, worden de bloedvaten dichtgedrukt en stopt de aanvoer van zuurstof. Naarmate de spiervezels meer kracht leveren wordt de druk hoger. Uit simulaties blijkt dat het inderdaad goed mogelijk is dat een spier zijn eigen bloedvaten dichtdrukt (5). Dit is een vorm van negatieve terugkoppeling. De kracht in de spiervezels heeft invloed op de doorbloeding en de doorbloeding heeft uiteraard ook weer zijn invloed op de krachtleverantie. Dit effect is met name te zien bij het onderdeel accu tillen bij het sterkste-man-van-de-wereld-spektakel. De opdracht daarbij is het zolang mogelijk vasthouden van een zware accu waarbij de armen 90 graden zijn geanteflecteerd in de schouder en maximaal gestrekt in de ellebogen. Na een minuut houden zelfs deze mannen dat niet vol. Dit wordt veroorzaakt doordat de aanhoudende isometrische kontraktie van de schouderspieren de bloedvaten dicht drukt en zo de kontraktie onmogelijk maakt. Figuur 5. Door het kromme verloop van de spiervezels oefenen zij een druk uit loodrecht op hun eigen verloop: de intramusculaire druk (P). Fietsen met een laag zadel verlaagt de contractiesnelheid van de beenspieren in vergelijking met fietsen met een hoog zadel. Als in beide gevallen hetzelfde vermogen geleverd moet worden, heeft dat gevolgen voor de krachtleverantie. Immers, vermogen is het produkt van de spierkracht en de contractiesnelheid. Een voorbeeld: P P

6 Een spier trekt samen met een snelheid van 0.1 m/s en levert daarbij een kracht van 500 N. Het vermogen bedraagt dan 0.1 x 500 = 50 Watt. Bij een halvering van de contractiesnelheid naar 0.05 m/s moet de kracht verdubbelen om hetzelfde vermogen te blijven leveren: 0.05 x 1000 levert ook als uitkomst 50 Watt op. Fietsen met een laag zadel gaat gepaard met lage contractiesnelheden en dus hoge spierkrachten. Daardoor wordt de intramusculaire druk verhoogd en kan eerder vermoeidheid optreden. LITERATUUR 1. Coast, J.R., Cox, R.H., Welch, H.G. Optimal pedalling rate in prolonged bouts of cycle ergometry, Medicine and Science in Sports and Exercise, Vol. 18, No. 2, 1986: Friederich, J.A., Brand, R.A. Muscle fiber architecture in the human lower limb, J. Biomechanics, Vol. 23, No. 1, 1990: Hof, A.L. Spiermechanica, in: Biomechanica (ed: Huiskes), Samson Stafleu, Alphen aan den Rijn, 1987: van Leeuwen, J.L. Muscle function in locomotion, in: Mechanics of animal locomotion (ed: Alexander, R.McN), Advances in comparative and environmental physiology, Vol. 11: , Springer, Heidelberg, van Leeuwen, J.L., Spoor, C.W. Modelling mechanically stable muscle architectures. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B, Vol. 336, 1992: van Soest, A.J. Jumping from structure to control, Academisch proefschrift, Thesis Publishers, Amsterdam, 1992.