De Krachtplaat in de atletiek Over het werk van Jan van de Waerdt Deel 2 Krachten bij het hardlopen Jan van de Waerdt verzorgde op 18 maart 2014 een presentatie over zijn onderzoek met de krachtplaat. Het belang van zijn research is groot omdat het kan leiden tot nieuwe inzichten en omdat individuele sporters er mee geholpen kunnen worden. Een bredere bekendheid met deze techniek verdient dan ook de aandacht van trainers en sporters. Met deze serie artikelen worden de mogelijkheden met de krachtenplaat in de atletiek beschreven. Inleiding De krachtplaat die in dit artikel wordt genoemd, is ontwikkeld en gebouwd door Jan van de Waerdt, In het eerste artikel van deze korte serie over dit instrument is de plaat in detail beschreven 1. De krachtplaat is gedurende de periode 1990 tot 2006 gebruikt op de atletiekbaan van AV Altis. In dit artikel worden de inzichten beschreven die zijn verworven naar aanleiding van een groot aantal metingen tijdens het hardlopen van atleten. Uit de literatuur blijkt dat er veel onderzoek is gedaan met de krachtplaat in de atletiek. In een proefschrift van Jan Vervaet 2 is een overzicht op dit gebied te vinden. De meting tijdens het hardlopen De krachtplaat was in een uitsparing van de atletiekbaan stabiel aangebracht. Bij een meting van een hardlopende atleet werden voor de plaat pylonen uitgezet om het goed uitkomen op de plaat te vergemakkelijken. De snelheid werd gemeten met een sensor, ongeveer vijf meter voor de plaat. Ook de contacttijd van de voet op de plaat werd vastgelegd. Met een videocamera werd het looppatroon en de wijze van landen geregistreerd, toentertijd vastgelegd als stokdiagram (afb. 1). De mogelijkheden van registratie zijn tegenwoordig vereenvoudigd doordat de bewegingen met behulp van sensoren op de gewrichten zichtbaar kunnen worden gemaakt. Tijdens de feitelijke meting van het hardlopen, werden de krachten van de linkervoet en de rechtervoet gemeten. Beiderzijds werden vier of vijf metingen gedaan. De gemiddelde waarden werden als uiteindelijke resultaat gebruikt. Looppatroon De bewegingscyclus van het lopen omvat twee stappen. De beweging van een been wordt beschreven met een steun- en een zwaaifase. Verder worden een voorste en achterste steunfase en een voorste en achterste zwaaifase onderscheiden, begrensd door het verticaalmoment. Het verticaalmoment is het moment dat het lichaamszwaartepunt zich verticaal boven het steunpunt van de voet bevindt. Aan het einde van de achterste steunfase begint bij het hardlopen de zweeffase die eindigt bij het begin van de voorste steunfase bij de landing van het andere been. De landing van het been via de voet na de zwaaifase, verloopt via de hak, dan wel de middenvoet, of de voorvoet. Gewoonlijk bepaalt de snelheid van de atleet in normale omstandigheden de manier van landen. Wandelend is er een haklanding, hardlopend verschuift de landing naar de middenvoet, sprintend naar de voorvoet (fig. 1). Enkelingen lopen van nature hard op de voorvoet en dat moet zeker niet veranderd worden! 1
2
Doel en metingen Het eerste doel van het onderzoek van Jan van de Waerdt bij de lopers van de wedstrijdgroep was om meer inzicht te krijgen in de krachten die bij de individuele lopers speelden. Metingen werden bij diverse snelheden gedaan. Gecombineerd met de gemaakte stokdiagrammen werd gekeken of op een meer efficiënte wijze gelopen zou kunnen worden. Naar aanleiding daarvan werd een trainingsadvies gegeven. Bij de metingen met de krachtplaat werden de verticale en horizontale krachten geregistreerd. Zijdelingse krachten werden niet vastgelegd. Krachten tijdens hardlopen Verticale krachten Mechanisch-theoretisch 3 gezien is de kracht die tijdens het hardlopen onder invloed van de zwaartekracht optreedt, zuiver verticaal. Voor de beeldvorming en de interpretatie van gegevens is dat een belangrijk feit omdat de verticale kracht in belangrijke mate mede de mogelijkheden van de voorwaartse beweging bepaalt. Tijdens de voorste steunfase van de bewegingscyclus neemt de verticale kracht die opgewekt wordt door de landing van de voet, van nul toe tot maximaal op het verticaalmoment (piekbelasting). Gedurende de achterste steunfase neemt de kracht weer af tot nul op het moment de voet los komt van de grond (fig.2). De hoogte van de piekbelasting is o.a. afhankelijk van het lichaamsgewicht, de duur van het contactmoment, de wijze van landen en de snelheid van het hardlopen. Zo wordt bij de landing op het verticaalmoment 2 tot 3 à 4 keer het eigen lichaamsgewicht opgevangen. De contacttijden van de steunfase van de bewegingscyclus variëren tussen de 0,15 en 0,4 sec. en zijn afhankelijk van de wijze van landen en de loopsnelheid. Een persoon van 60 kg lichaamsgewicht (equivalent met 600 Newton als maat voor kracht ) die in een behoorlijk tempo loopt, met een contacttijd van 0,2 sec., oefent een kracht uit van ongeveer drie keer het eigen gewicht (600 x 3) en wel ongeveer 1800 N. Zoals uit figuur 3 mag blijken is de piekbelasting tijdens de desbetreffende steunfase groot. 3
In figuur 3 wordt geïllustreerd hoe de uitgeoefende kracht door de voet - tijdens de steunfase - zich ontwikkelt en afhangt van de wijze van landing. Bij een haklanding zijn de belasting per tijdseenheid en de piekbelasting kleiner dan bij een middenvoet- dan wel voorvoetlanding. Bij de haklanding wordt de uitgeoefende kracht over een langere tijd verdeeld dan bij de andere vormen van landing. Een en ander valt ook op te maken uit de hellingshoek van het eerste deel van de curve (aangegeven met een pijl) ten opzichte van de verticaal: hoe korter de contacttijd, des te steiler de pijl ten opzichte van de verticaal. De kracht die op de aarde wordt uitgeoefend, roept een gelijke tegenkracht op. (Bij de weergave van de registraties worden de krachten weergegeven als krachten op het lichaam.) Door de elasticiteit van pezen, banden en spieren kan deze tegenkracht worden benut voor de verticale beweging die noodzakelijk is tijdens de bewegingscyclus om de zweeffase mede mogelijk te maken. Helaas niet voor de voortstuwing van de atleet. Geconcludeerd kan worden dat in de gebruikelijk natuurlijke situatie, waarbij bij toenemende snelheid van hardlopen, de landing meer richting voorvoet gaat en de contacttijd van de steunfase korter wordt, de piekbelasting navenant toeneemt. Ook de belasting van pezen, spieren en gewrichten zal groter worden. 4
Horizontale krachten De energie die overgebracht wordt door de pendelbeweging van het been resulteert in het overbrengen van horizontale kracht door de voet in contact met de aarde. Deze energie vindt zijn oorsprong natuurlijk in de samenwerking van diverse spiergroepen en de opgebouwde potentiële energie op het hoogste punt van de zwaaibeweging. Bij meting met de krachtplaat van de horizontale krachten, zien we dat bij de landing eerst een remming optreedt en vervolgens een vooruit stuwende kracht (fig. 3). Zoals weergegeven in figuur 5 heeft het lichaamszwaartepunt de loopsnelheid. Zodra de voet wordt neergezet wordt de snelheid van de voet t.o.v. de grond nul. Daar is een remming voor nodig! Bij de meting van de horizontale krachten (naar voren en naar achteren) blijkt dat deze remming zichtbaar wordt doordat de curve onder de horizontale as komt (fig. 3). De remming neemt tijdens de voorste steunfase eerst toe, om dan ongeveer op het verticaalmoment op te houden. Tijdens de achterste steunfase komt de afzet aan bod die na het bereiken van een maximum geleidelijk afneemt tot het moment van het loskomen van de voet. Bij een gelijkblijvende snelheid zijn de krachten van remming en voortstuwing gelijk. De luchtweerstand speelt daarbij geen rol omdat het effect op remming en afzet tegen elkaar wegvallen. Bij versnelling zijn de afzetkrachten groter t.o.v. de remmende krachten en bij afremmen uiteraard omgekeerd (fig. 4) De piek van de horizontale kracht (afzet) is ongeveer zes keer kleiner dan de piek van de verticale kracht waarbij het lichaamsgewicht de bepalende factor is. De horizontale kracht is nul (de overgang van remmen naar afzet), ongeveer op het moment van de verticale piekbelasting. De horizontale kracht neemt ongeveer lineair toe met de loopsnelheid 5. De totale gesommeerde horizontale krachten zijn voor atleten met een gelijk lichaamsgewicht en met diverse landingspatronen, gelijk (fig. 3). Bij een kortere contacttijd echter is de afzetkracht effectiever. Een en ander is wel afhankelijk van de loopsnelheid. Bijzonder is om te bedenken dat hoe snel een atleet ook loopt, de snelheid van de voet in de zweeffase veel hoger is (fig. 5, 6)! 5
Eén geheel van verticale en horizontale krachten Hoewel met de krachtplaat verticale en horizontale krachten worden gemeten, is de werkelijkheid dat er sprake is van een resultante van alle samengekomen krachten. Deze is bepalend voor de snelheid. De resultante van de verticale en horizontale krachten overgebracht door een voet tijdens de steunfase, is omhoog gericht: aanvankelijk naar achteren om zich in de loop van de steunfase naar voren te richten t.o.v de verticaal (fig. 6). 1.4 m 2.4 m LZ LZ LZ L L R R R L Rechter voet Linker voet net in contact op het punt met de grond de grond te F verlaten F F Rechter voet op het punt de grond te verlaten 2.4 m Fig. 6 Schematische weergave van de resultante van verticale en horizontale krachten (F) op de grond tijdens het hardlopen en de verplaatsing (verticaal en horizontaal) van het lichaamszwaartepunt (LZ: gearceerde lijn). De paslengte van 2.4 m bestaat bij een loopsnelheid van 36 km per uur (10 ms -1 )! Zie ook afbeelding 2. In de tijd die daar voor nodig is beweegt het LZ zich over 1,4 m. De voeten bewegen veel sneller! (Vrij naar een afbeelding van Rod Cross 5 ) Op basis van deze gegevens kan gesteld worden dat de atleet in principe het meest profijt heeft van een zo vlak mogelijke resultante omdat daarmee de voorwaartse kracht optimaal is (fig. 7). Immers, zodra de verticale component van de krachtenbundel groter wordt, zal dit resulteren in een grotere vraag naar energie om de beweging mogelijk te maken. De beweging van het lichaamszwaartepunt zal in verticale richting toenemen, terwijl de snelheid gelijk blijft, of zelfs lager wordt door de grotere verticale verplaatsing van de lichaamszwaartepunt. 6
Discussie Jan van de Waerdt heeft jarenlang intensief onderzoek gedaan rond het hardlopen van zijn atleten. Het onderzoek was vooral praktisch en niet zozeer wetenschappelijk gericht. Hij heeft geen gedefinieerde groepen gevormd en deze met elkaar vergeleken en statistisch onderzocht. Hij richtte zich op individuele atleten en adviseerde deze Altis-leden naar aanleiding van de bevindingen. Zoals ook in de literatuur wordt aangegeven 5 is het meten van krachten tijdens het hardlopen met een krachtplaat van belang voor studenten aan sportacademies en zeker ook voor trainers en atleten. Door daadwerkelijk bezig te zijn met metingen, wordt het inzicht in de krachten die zich voordoen bij deze vorm van bewegen, groter. Het verkregen inzicht kan leiden tot adviezen over het eventuele aanpassen van de eigen looptechniek. Ook kunnen trainers met het verkregen inzicht mogelijk beter oordelen over andere looptechnieken. Efficiënt hardlopen Jan van de Waerdt benadrukt dat als je optimaal je krachten voor snelheid wilt benutten, je zo veel mogelijk de voortstuwende kracht van de pendelbeweging van de benen moet zien te gebruiken. Dat wil tegelijkertijd zeggen dat de verticale kracht zo klein en zo efficiënt mogelijk dient te worden gehouden (fig. 7). Natuurlijk is verticaal gerichte kracht noodzakelijk om het lichaamsgewicht Gebruik je kracht bij het hardlopen vooral voor de voortstuwing. Voorkom een al te grote verticale beweging! op te vangen, de pendelbeweging van de benen mogelijk en effectief te laten zijn. Zodra de verticale kracht echter groter wordt dan voor dit doel gewenst is en de beweging van het lichaamszwaartepunt een grotere verticale beweging krijgt dan strikt noodzakelijk, dan wordt energie gebruikt die beter voor de voortstuwing aangewend had kunnen worden. Conclusie is dat vlak lopen voor veel lopers de meest efficiënte manier is om kracht zo efficiënt mogelijk voor de voortbeweging te gebruiken (zie ook afbeelding 2). 7
Conclusie voor Loopscholing Aansluitend op bovenstaande uitspraak, zal bij een atleet met het advies om reactief te lopen, de kracht bij het landen waarschijnlijk meer dan gewenst omhoog gericht zijn. Bij een lager tempo zal dat effect groter zijn dan bij hogere snelheden. Gevolg is dat deze kracht niet benut kan worden als horizontale, voortstuwende kracht. De onderzoeker stelt dan ook dat het geforceerd aanleren van een reactieve manier van hardlopen ongewenst kan zijn, zeker voor hardlopers met een beperkte snelheid. Een loopschooloefening zoals de kaatssprong, gericht op de verbetering van de looptechniek kan contraproductief zijn. Dat neemt niet weg dat een kaatssprong als algemene oefening om reactiviteit te oefenen wel degelijk nuttig kan zijn. Een deel van de verticale kracht dient immers door de spieren, pezen en banden gebruikt te kunnen worden om op een effectieve manier de voet aan het einde van de achterste steunfase vrij te laten komen van de grond. Voor het verbeteren van de afzet (horizontale kracht) propageert Jan van der Waerdt oefeningen zoals het lopen tegen de wind, trainen in het mulle zand, desgewenst tegen een heuvel op met een wisselend tempo, diverse paslengtes en kniehef. Bij de loopscholing bestaan legio oefeningen zoals het maken van loopsprongen en de pendelloop. Literatuur 1. De Krachtplaat; Altis Magazine; aflevering 2; 2014 2. Jan Vervaet; Masterproof: Relatie tussen plantaire druk, voetafroltype en looptechniek bij getrainde lopers; 2012; lib.ugent.be/fulltxt/rug01/.../rug01-001892594_2012_0001_ac.pdf 3. Florian Kugler & Ruben Jongkind, February 17th, 2011 4. Biologie, mechanica en sport; Biologische Raad; 1992; ISBN 90-6984-072-3 5. Rod Cross; Standing, walking, running and jumping on a force plate; Am. J. Phys. 67 (4), 1999 Shan Happé Eventuele vragen dan wel opmerkingen richten aan: Jan van de Waerdt: waerdt@kpnplanet.nl of 033 480 38 39 8