Auteur(s): Herre faber Titel: Kracht en snelheid bij het klapschaatsen Jaargang:16 Jaartal:1998 Nummer:1 Oorspronkelijke paginanummers:48-60

Transcriptie

1 uteur(s): Herre faber Titel: Kracht en snelheid bij het klapschaatsen Jaargang:16 Jaartal:1998 Nummer:1 Oorspronkelijke paginanummers:48-60 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 KRCHT EN SNELHEID BIJ HET (KLP)SCHTSEN Herre Faber, Bewegingstechnoloog, Den Haag Herre Faber I nleiding Het langebaanschaatsen staat de laatste tijd sterk in de belangstelling. Door de invoering van de klapschaats is deze tak van sport in een stroomversnelling gekomen, waarbij wereldrecords bijna wekelijks sneuvelen. In dit artikel wordt ingegaan op de vraag waarom de klapschaats snellere tijden oplevert dan de klassieke schaats. Tevens wordt een mogelijke verbetering voor het ontwerp van de klapschaats besproken. llereerst wordt nader ingegaan op de glij- en afzetrichting tijdens de afzetfase. Optimale afzetrichting Schaatsen is een unieke manier van voortbewegen. Het unieke is gelegen in het feit dat er glijdend afgezet wordt. lthans bij een goede techniek. Bij alle andere vormen van voortstuwing zoals wandelen, rennen en fietsen staat het punt van het lichaam (of fietswiel) waarmee afgezet wordt tegen de vaste wereld even stil. Tijdens de afzet bij wandelen en rennen staat de voet ten opzichte van de aarde stil. Bij fietsen staat het punt van het fietswiel waarmee contact met de grond wordt gemaakt ook even stil. Bij zwemmen staat de hand waarmee tegen het water wordt afgezet niet stil. Omdat het water geen vast punt biedt beweegt de hand tijdens de afzet naar achter. Daarbij wordt water in beweging gezet. Deze vorm van voortstuwing is relatief ongunstig, omdat de energie die gebruikt wordt om het water in beweging te zetten wel door de zwemmer geleverd moet worden, maar niet bijdraagt aan de voortstuwing (1). Strikt genomen geldt dit ook voor het afzetten tegen de aarde. Door de kracht die de wandelaar en de aarde op elkaar uitoefenen komt niet alleen de wandelaar, maar ook de aarde in beweging. Echter, de beweging van de aarde is verwaarloosbaar klein ten opzichte van de beweging van de wandelaar. Dit wordt natuurlijk veroorzaakt door het enorme massaverschil tussen de aarde en de wandelaar. Figuur 1. fzetten bij schaatsen kan alleen loodrecht op de glijrichting van de schaats. Een goede schaatser zet niet af met een stilstaande schaats, maar laat deze doorglijden. In figuur 1 zijn in een bovenaanzicht schematisch de glijrichting van de schaats, de voortbewegingsrichting van de romp en de afzetkracht getekend. De glijrichting van de schaats (v s ) maakt een hoek (ß) ten opzichte van de voortbewegingsrichting van de romp (v r ). De richting van de afzet (F a ) is loodrecht op de glijrichting van de schaats. Het aanzicht is van bovenaf zodat alleen de projectie van het been en de afzetkracht in het horizontale vlak parallel aan het ijs zijn te zien. De afzetkracht moet loodrecht op de glijrichting staan. Zelfs een kleine kracht in de glijrichting van de schaats zou tot gevolg hebben dat de schaats onder de schaatser vandaan schiet en hij valt. In de glijrichting heeft de schaats namelijk geen grip, maar loodrecht daarop wel. Bij een hoek ß zoals in figuur 1 glijdt de schaats dus naar voren en naar links en is de afzetkracht loodrecht hierop naar achteren en naar links gericht. ls hoek ß klein is, glijdt de schaats voornamelijk naar voren en is de afzet bijna geheel zijwaarts. Bij een grote hoek ß is de glijrichting voornamelijk opzij en de afzet juist naar achteren.

3 Eén van de belangrijkste dingen die bij het schaatsen wordt geleerd is dat er zijwaarts afgezet moet worden om een zo hoog mogelijke snelheid te ontwikkelen. Hoe is dat nu mogelijk: zijwaarts afzetten om voorwaarts te bewegen? ls men naar voren wil gaan, lijkt het niet bepaald verstandig om zijwaarts af te zetten. Het is ook evident dat als een schaatser puur zijwaarts af zou zetten, hij zeker geen voorwaartse snelheid zal ontwikkelen. De kreet: Zijwaarts afzetten!!, die veel gehoord wordt tijdens een schaatstraining behoeft dan ook enige nuancering. Het is zeker van belang om een zijwaartse component in de afzet te hebben, maar een achterwaartse component is eveneens nodig. Om te illustreren waarom men bij het schaatsen niet zuiver achterwaarts moet afzetten, wordt weer een bovenaanzicht van een schaatser bekeken (figuur 2). Figuur 2. Een afzet recht naar achter vergt enorme hoeksnelheden in de knie. In dit voorbeeld zet de schaatser recht naar achter af, er is dus geen zijwaartse component aanwezig. De schaats staat nu stil terwijl de romp een voorwaartse snelheid heeft, vergelijkbaar met het afzetten tijdens bijvoorbeeld steppen. Dit betekent dat het snelheidsverschil tussen de schaats en de romp (en dus ook het snelheidsverschil van de romp ten opzichte van de buitenwereld) volledig opgebracht moet worden door de strekking van het been. Het snelheidsverschil tussen romp en schaats in het vlak van de tekening is precies gelijk aan de voorwaartse snelheid van de romp. In figuur 3 is er een zijwaartse snelheidscomponent bijgekomen. Figuur 3. fzetten met een zijwaartse component vraagt kleinere hoeksnelheden in de knie dan een zuiver achterwaartse afzet. Omdat de afzetrichting en de glijrichting van de schaats loodrecht op elkaar staan, heeft de glijsnelheid van de schaats nu een component naar voren. Het snelheidsverschil tussen romp en schaats kan daardoor minder groot zijn dan in figuur 2. De snelheid van de romp is namelijk de vectoriële optelsom van de glijsnelheid van de schaats (v s ) en de streksnelheid van het been (v b ). Deze laatste is, zoals in figuur 3 te zien, nu veel kleiner dan de voorwaartse snelheid van de romp. De streksnelheid van het been is lager dan de voortbewegingssnelheid van de romp en dus hoeft het been minder snel te strekken dan bij een zuiver achterwaartse afzet. Met andere woorden: omdat de glijsnelheid van de schaats een component in de goede richting heeft, hoeft de knie minder snel te strekken om toch de gewenste snelheid van de romp te verkrijgen. Het effect van een zijwaartse afzet is een lagere streksnelheid van de knie! Dat is ook wel nodig, omdat geen mens zijn been zo snel kan strekken als nodig zou zijn voor het schaatsen met een zuiver achterwaartse afzet. Op de lange afstanden schaatsen de heren onder goede omstandigheden met een snelheid van 12 meter per seconde (=43 km/h). Indien er zuiver naar achteren werd afgezet, zoals bijvoorbeeld bij steppen, zou dat betekenen dat het snelheidsverschil tussen de voet en de romp in een horizontaal vlak parallel aan het ijs eveneens 12 meter per seconde zou moeten bedragen. Een redelijke aanname is dat tijdens de afzet de romp niet noemenswaardig in verticale richting beweegt. Verder is bekend dat de kniestrekking tijdens schaatsen plaatsvindt van 120 tot 150 graden knieflexie (2). Er wordt

4 dus over 30 graden gestrekt. Enig rekenwerk gebaseerd op deze aannames leidt tot de conclusie dat de knie dan zou moeten strekken met een gemiddelde hoeksnelheid van ongeveer 1000 graden per seconde. De verkortingssnelheid van de kniestrekkers zou ongeveer 0,7 meter per seconde moeten bedragen om deze hoeksnelheid bij te houden. De fast twitch vezels van een spier zouden dit nog wel kunnen, maar deze zijn zeer snel uitgeput. De slow twitch vezels zullen het bij een 10 kilometer moeten doen en deze hebben een maximale verkortingssnelheid in de buurt van de 0,5 meter per seconde. De spiereigenschappen van met name de kniestrekkers zijn er dus de oorzaak van dat een dergelijke snelheid niet gedurende 10 kilometer volgehouden kan worden. Door een meer zijwaartse afzet draagt de glijsnelheid van de schaats bij aan de snelheid van de romp, zodat de benen minder snel hoeven te strekken. Het gevolg hiervan is dat de afzetkracht niet optimaal gericht is. Deze heeft een component loodrecht op de gewenste (voorwaartse) bewegingsrichting. Een eenvoudige observatie laat zien dat dit ook inderdaad het geval is. Goede schaatsers gebruiken veel ijs in zijwaartse richting. De romp beweegt inderdaad niet alleen naar voren, maar ook van links naar rechts. Hoewel dit op zichzelf niet efficiënt is, kan daardoor de snelheid van de kniestrekking lager liggen, zodat de kniestrekkers toch nog kracht kunnen leveren. Hard schaatsen is een compromis tussen kracht en snelheid. De klapschaats Hoewel het idee van de klapschaats reeds begin jaren tachtig werd ontwikkeld door G.J. van Ingen Schenau aan de faculteit Bewegingswetenschappen van de Vrije Universiteit in msterdam, werd deze pas in het seizoen 1996/1997 voor het eerst door topschaatsers gebruikt. Daarvoor werd de klapschaats in de schaatswereld meer als een curiositeit beschouwd. De voorspelling dat met een klapschaats harder gereden kon worden werd echter onderbouwd met een ijzersterke theorie. Pas toen de Nederlandse dames de klapschaats gingen gebruiken en bijna alles wonnen ging de rest van de wereld overstag. De motivatie voor het nu algemene gebruik van de klapschaats is dan ook volstrekt verkeerd. Niet het feit dat een paar topschaatsters (toevallig?) alles wonnen had de reden moeten zijn, maar de wetenschappelijke inzichten die aan de klapschaats ten grondslag liggen. Dat het zolang geduurd heeft is mijns inziens te wijten aan de coaches wier taak het zou moeten zijn wetenschappelijke inzichten in de praktijk toe te passen, maar dit kennelijk hebben nagelaten. Het principe achter de klapschaats Bij het schaatsen op een klassieke schaats golden twee gouden regels. De eerste is reeds besproken: afzetten met een zijwaartse component. De tweede regel is: niet krassen! Met krassen wordt bedoeld dat de punt van de schaats in het ijs krast. Dit veroorzaakt wrijving waardoor de snelheid afneemt. Een schaatser herkende men aan het geluid dat hij maakte. Bij een goede schaatser hoort men alleen het suizen van de wind. Bij een slechte schaatser hoort men de punt van de schaats in het ijs krassen. Het voorkomen van krassen betekent dat de plantair flexie van de enkel onderdrukt moet worden. Dit is zonder meer één van de moeilijkste dingen om aan te leren. Iedere andere afzet zoals bij springen en rennen is gebaat bij een sterke plantair flexie van de enkel. Het onderdrukken hiervan bij het schaatsen vergt jaren van oefening. Het geheim van de klapschaats is dat er wél een plantair flexie uitgevoerd mag worden. Bij een klassieke schaats is de schoen vast aan het ijzer bevestigd. Beide vormen eigenlijk één geheel. De schoen van de klapschaats is echter met een scharnier aan het ijzer bevestigd. Op deze manier kan plantair flexie gemaakt worden, terwijl de punt van het ijzer niet in het ijs krast. Dat is niet het enige voordeel. De m. triceps surae mag nu aanspannen en zo bijdragen aan de afzet. Figuur 4. fzetten bij het schaatsen gebeurt in een schuin vlak.

5 Omdat er een zijwaartse component in de afzet zit, is het vlak waarin de strekking van het been plaatsvindt ook een schuin vlak. Dit vlak is ruimtelijk weergegeven in figuur 4. Het staat ten opzichte van de anatomische vlakken schuin. Een pijltje loodrecht op dit vlak zou naar lateraal, dorsaal en craniaal wijzen. Figuur 5 laat de afzet zien met de klassieke schaats waarbij het aanzicht loodrecht is op het vlak uit figuur 4. De afstand waarover de romp versneld kan worden wordt bepaald door de hoeveelheid strekking die de knie maakt. In figuur 5 is dat het hoogteverschil H. Figuur 5 fzet, waarbij alleen de knie wordt gestrekt. In figuur 6 mag de enkel ook meedoen. Het hoogteverschil is nu aanmerkelijk groter. De afzet kan worden verlengd door het schaatsen met de klapschaats waardoor meer arbeid verricht wordt en dus harder geschaatst kan worden. Eerdere verbeteringen in de schaatssport, zoals gladde pakken en indoor schaatsbanen zorgden voor betere tijden zonder dat de schaatsers daarvoor meer arbeid hoefden te leveren. Deze weerstandsverminderende maatregelen zorgen ervoor dat er harder geschaatst wordt zonder daar extra moeite voor te doen. De klapschaats stelt de schaatser echter in staat, meer energie te leveren. Immers de m. triceps surae kan nu ook meedoen aan de afzet, waardoor de totale hoeveelheid arbeid per slag toeneemt. Dit betekent dat de maximale zuurstofopname omhoog gaat bij het schaatsen op klapschaatsen (als er tenminste goed gebruik wordt gemaakt van de plantair flexie). Hart en longen worden in verband daarmee zwaarder belast. Figuur 6. fzet waarbij zowel de knie als de enkel gestrekt worden. De ligging van het draaipunt Bij de op dit moment meest gebruikte klapschaats ligt het draaipunt van de schoen ergens onder de bal van de voet. Op het eerste gezicht is dit ook de meest logische plaats om een scharnier te maken. Bij andere vormen van afzetten vindt de kanteling van de voet plaats om de metatarso-falangeale gewrichten. Het scharnier van de klapschaats komt hier aardig bij in de buurt. Behalve deze zijn er, naar mijn weten, nog drie klapschaatsen in de handel waarbij het draaipunt niet bepaald wordt door één scharnier, maar door een stangenstelsel. Bij een dergelijk stangenstelsel ligt het draaipunt van de schoen niet op één vaste plaats, maar verplaatst het tijdens het openklappen van de schaats. Verderop in dit artikel wordt een vierstangenstelsel besproken. Bij deze klapschaatsen met stangenstelsels verplaatst het draaipunt van de schoen zoals gezegd ten opzichte van het ijzer. Bij het eerste model begint het draaipunt onder de bal van de voet en verplaatst het tijdens het open klappen naar voren. Bij het tweede model begint het draaipunt boven de bal van de voet en verplaatst het tijdens het open klappen naar achteren en naar beneden. Bij het derde model begint het draaipunt boven de bal van de voet en verplaatst het tijdens het open klappen naar voren en omhoog, zodat het zelfs voor de punt van het ijzer komt te liggen. Het nadeel hiervan wordt verderop in dit artikel besproken. De veelheid aan verschillende klapschaatsen roept de vraag op of het zin heeft om het draaipunt op een andere plek dan onder de bal van de voet te leggen en zo ja, waarom. Om deze vraag te beant-

6 woorden is het nodig een term te introduceren welke is bedacht door G.J. van Ingen Schenau: de geometrische beperking. Om iets over de effectiviteit van een afzetbeweging te kunnen zeggen is het Ve Vey Ve Vey handig om te kijken naar de snelheid van de afzonderlijke lichaamsdelen. In figuur 7 is een klapschaats getekend met het draaipunt onder de bal van de voet. De som van de verticale componenten van de snelheden van enkel, knie en heup bepaalt de snelheid van de romp. De snelheid van de enkel is eenvoudig te bepalen door vanaf het draaipunt van de schaats een lijn te trekken naar de enkel. De snelheid van de enkel is loodrecht op deze lijn gericht. an het begin van de afzet heeft de snelheid van de enkel een behoorlijk grote verticale component (V e in figuur 7a). Echter, naarmate de afzet vordert wordt deze component relatief steeds kleiner (V e in figuur 7b). Figuur 7. De effectieve snelheidscomponent van de enkel neemt af naarmate de plantair flexie toeneemt. Dit wordt de geometrische beperking genoemd. De afzet wordt dus steeds minder effectief bij toenemende plantair flexie. Dit negatieve effect is te vermijden door de ligging van het draaipunt zodanig te kiezen dat de horizontale afstand tussen het draaipunt en de enkel (de momentsarm) constant blijft. In Ve dat geval blijkt het negatieve effect van de toenemende hoek te verdwijnen. Figuur 8 laat hiervan a een voorbeeld zien. Ve a B B Figuur 8. De effectieve snelheidscomponent van de enkel blijft constant als het draaipunt tijdens het open klappen met de enkel mee omhoog beweegt. Zowel in de beginstand (figuur 8a) als in de eindstand (figuur 8b) is het draaipunt zodanig gepositioneerd dat de snelheid van de enkel precies verticaal gericht blijft. De horizontale afstand tussen draaipunt en enkel (a) blijft constant. De enkel beweegt recht omhoog en zo is er altijd sprake van een optimale afzet. Een andere mogelijkheid is dat het draaipunt aan het begin van de beweging onder de bal van de voet ligt, maar tijdens het open klappen van de schaats naar voren verplaatst. In dat geval kan de momentsarm ook constant blijven. Het draaipunt mag daarbij echter niet voor het ijzer komen te liggen zoals in figuur 9b. Dit zou verhinderen dat de schaats verder open klapt. Figuur 9. Indien het draaipunt voor het ijzer ligt kan de schaats niet openklappen. ls niet het ijzer maar de schoen als vast element wordt beschouwd is dit eenvoudig in te zien. De normaalkracht van het ijs op het ijzer (F n ) kan alleen loodrecht omhoog gericht staan. Bovendien kan deze kracht alleen op het ijzer aangrijpen. In figuur 9a loopt de normaalkracht voor het draaipunt langs en het moment ten opzichte van het draaipunt (M n ) zorgt ervoor dat de schaats open klapt. In figuur 9b ligt het draaipunt voor het ijzer. Ook al grijpt de normaalkracht nu aan de voorkant van het ijzer aan, nog steeds zorgt het moment ten opzichte van het draaipunt dat de schaats dicht klapt. In dat geval is de schaatser niet in staat gebruik te maken van de voordelen die een klapschaats biedt.

7 De meest voor de hand liggende positie van het draaipunt komt overeen met die in figuur 8. Zoals te zien moet het draaipunt tijdens het open klappen van de schaats omhoog verplaatsen. De vraag is nu bij welk systeem van stangen en scharnieren dit ook werkelijk gebeurt. Een mogelijkheid is een vierstangensysteem met vier scharnieren. De figuren 10, 11 en 12 laten een computersimulatie van een dergelijk systeem zien. In figuur 10 is de ingeklapte toestand getekend. Figuur 10, 11, 12. D B Computersimulatie van een vierstangen systeem, waarbij het draaipunt omhoog verplaatst. C Figuur 10. In figuur 11 is een tussenstand getekend waarbij de schaats 30 graden is open geklapt. D B C Figuur 11. In figuur 12 is de schaats 60 graden open geklapt. Figuur 12. De punten, B, C en D zijn scharnierpunten. Punt en D D B zijn vast verbonden aan het ijzer. Punt C en B zijn vast verbonden aan de schoen. Deze bevestigingen zijn hier overigens niet getekend. Het draaipunt van de schoen ligt bij C een dergelijk vierstangenmechanisme altijd op het snijpunt van de stangen B en CD. angezien dit snijpunt gedurende het openklappen via een bijna rechte lijn omhoog beweegt, is een dergelijk mechanisme redelijk in staat te voldoen aan de eisen die hierboven geformuleerd werden. De configuratie van stangen zoals hier getekend, is niet geheel perfect, aangezien het draaipunt niet ver genoeg omhoog verplaatst. In de eindstand ligt het draaipunt immers lager dan de enkel. Echter, dit is pas een eerste aanzet. Wellicht kan met wat fine tuning een beter mechanisme verkregen worden, of bestaan er andere mechanismen die een soortgelijke beweging opleveren. LITERTUUR 1. Berger, M., Hollander, P. Voortstuwing tijdens zwemmen. VERSUS, tijdschrift voor fysiotherapie, 1997, 5: Ingen Schenau, G.J. van, Boer, R. De, Groot, G. De. On the technique of speed skating. Int. J. Of Sport Biom., 1987, 3: