Auteur(s): F. van de Beld Titel: De excentrische crank Jaargang: 22 Jaartal: 2004 Nummer: 2 Oorspronkelijke paginanummers: 79-89 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: www.versus.nl
DE EXCENTRISCHE CRANK Frank van de Beld Particuliere praktijk, Zoetermeer Frank van de Beld Inleiding I n dit tijdschrift is in het verleden een artikel gepubliceerd onder de titel: >Fietsen met een knieflexiebeperking= (1). Hierin is aan de hand van een meetkundige analyse beschreven welke veranderingen aan een fiets moeten plaatsvinden om met een dergelijke (grote) beperking toch te kunnen fietsen. De oplossing voor genoemd probleem werd gevonden in verkorting van linker en rechter crank en omhoog verplaatsing van het zadel, beide over dezelfde afstand. Onlangs kwam de auteur van genoemd artikel een andere oplossing voor hetzelfde probleem onder ogen, namelijk het vervangen van een normale crank door een excentrische crank (figuur 1). In onderstaand artikel wordt de kinematica van deze crank aan de orde gesteld en wordt deze vergeleken met een verkorte crank. Figuur 1A en B. De excentrische crank, los (A) en bevestigd aan het tandwiel (B). a en b zijn de crankdelen. R: scharnier tussen a en b. Het werkingsprincipe van de excentrische crank In figuur 2 is een linker excentrische crank schematisch in een zijaanzicht weergegeven en bevestigd aan een denkbeeldige fiets. De crank bestaat uit twee delen, deel a (gestippeld) en deel b (lichtgrijze rechthoek). Beide delen zijn aan elkaar gekoppeld via een scharnierverbinding R. CA = crank-as, P = pedaal. In de figuur liggen deel a en b in elkaars verlengde. Deze crankpositie wordt ingenomen als het pedaal tijdens de trapcyclus het laagste punt heeft bereikt. De afstand CA - P is dan gelijk aan die van een normale crank. Figuur 2. Linker excentrische crank, zijaanzicht. CA = crank-as, R = scharnier verbinding tussen deel a en b. P = pedaal.
In figuur 3 wordt in twee crankposities het principe weergegeven van hetgeen tijdens het fietsen plaatsvindt. Figuur 3. Verklaring in de tekst. Crankdeel a roteert dan om crank-as CA, in de richting van de pijl. Crankdeel b roteert niet ten opzichte van de fiets, maar blijft in iedere positie van crankdeel a recht naar beneden hangen. Deel b verplaatst dus evenwijdig aan zichzelf (= cirkeltranslatie). Tengevolge van rotatie van crankdeel a ontstaat er een hoek tussen beide crankdelen. Deze is eveneens aanwezig in de crank in figuur 1. De totale trapcyclus is in beeld gebracht in figuur 4. Figuur 4. Zeven posities van crankdeel a en b tijdens een trapcyclus. Deel a is korter dan deel b. In positie 4 bevindt het pedaal van de excentrische crank zich op het hoogste punt van de trapcyclus en ligt in dat geval lager dan de crank-as. Hierin is crankdeel a in 7 rotatieposities gestippeld weergegeven. De bij elkaar behorende posities van crankdeel a en b, inclusief het pedaal, hebben in figuur 4 dezelfde cijferaanduiding. De bovenste cirkel geeft de baan aan die het uiteinde van crankdeel a aflegt (punt R in figuur 3), de onderste de baan die het uiteinde van crankdeel b aflegt (het pedaal). Beide cirkels zijn theoretisch even groot, omdat het uiteinde van crankdeel b op ieder moment tijdens de trapcyclus recht onder het uiteinde van crankdeel a ligt. Praktisch gesproken zal mogelijk het pedaal tijdens de trapcyclus iets naar voren of achteren verplaatsen, omdat deel b, we stelden dit reeds eerder, scharniert ten opzichte van deel a. De onderste cirkelbaan zal dan een iets gegolfd patroon vertonen. De kans dat dit optreedt is groter naarmate deel b (de >slinger=) langer is. Vooralsnog wordt in dit artikel uitgegaan van een zuivere cirkel. Dit doet geen afbreuk aan het werkingsprincipe van de excentrische crank.
Pedaalpositie bij gebruik van de excentrische crank Als een normale crank recht omhoog staat, bevindt het pedaal zich op het hoogste punt van de trapcyclus en is de bijbehorende knieflexie maximaal. Deze bedraagt dan ongeveer 110. In figuur 4 staat crankdeel a in positie 4 recht omhoog. Vanuit het uiteinde van dit deel hangt crankdeel b, vóór a langs, recht naar beneden. Het pedaal bevindt zich echter niet aan het uiteinde van het omhoog staande crankdeel a, maar aan het uiteinde van het omlaag hangende crankdeel b. Het pedaal ligt om die reden op het hoogste punt van de trapcyclus nu veel lager dan bij een normale crank. Omdat crankdeel a in figuur 4 korter is dan crankdeel b, bevindt dit punt zich lager dan crank-as CA. De plaats waar het pedaal van de excentrische crank zich bevindt als crankdeel a recht omhoog staat, is volledig afhankelijk van de verhouding tussen beide cranklengtes. In figuur 5 is crankdeel a langer dan crankdeel b. In dat geval bevindt het pedaal van de excentrische crank zich op het hoogste punt van de trapcyclus hoger dan de crank-as. Dat is nog altijd lager dan het hoogste punt dat bereikt wordt als er sprake is van een gewone crank. Figuur 5. Deel a is langer dan deel b. Het pedaal van de excentrische crank zou op het hoogste punt van de trapcyclus in dat geval hoger dan de crankas liggen. Pedaalpositie, knie- en heupflexie Figuur 6 en 7 laten verschillende verhoudingen tussen crankdeel a en b zien en de invloed daarvan op de knieflexiehoek. Figuur 6A en B. Vergelijking van de hoogste pedaalpositie en de bijbehorende knieflexiehoek bij gebruik van een normale crank (A) en een excentrische crank (B). A: De rechter voet staat op het pedaal van de rechter, normale crank. B: De linker voet staat op het pedaal van de linker excentrische crank. Deel a is 4 cm en staat recht omhoog, deel b is 14 cm en hangt recht naar beneden. Verdere verklaring in de tekst.
In figuur 6A staat de rechter, normale crank recht omhoog. De bijbehorende knieflexie bedraagt 108. De cirkel geeft de baan aan die het pedaal van de crank tijdens het fietsen beschrijft. De crank, en onder- en bovenbeen zijn in de juiste verhouding getekend en zijn in werkelijkheid 18, 48 en 50 cm. CA = crank-as. Het kniegewricht KG flecteert en extendeert tijdens de trapcyclus langs de aangegeven cirkelbaan. Het zadel valt gemakshalve samen met het heupgewricht HG. In figuur 6B is het omhoog staande crankdeel a slechts 4 cm en het naar beneden hangende crankdeel b 14 cm. De totale lengte van de linker excentrische crank bedraagt dus, evenals de normale rechter crank, 18 cm. Het pedaal van de excentrische crank bevindt zich in figuur 6B op het hoogste punt van de trapcyclus en beschrijft tijdens het fietsen het aangegeven cirkelbaantje. Op het pedaal is de linker voet getekend, in dezelfde stand als de rechtervoet in figuur 6A. Vervolgens is vanuit het voetuiteinde de lengte van het onderbeen zodanig getekend, dat het kniegewricht de cirkelbaan raakt. Het gevonden punt op deze baan is vervolgens verbonden met het heupgewricht HG. Indien op deze wijze uitgevoerd, ontstaat de knieflexiehoek die bij toepassing van deze excentrische crank behoort. Deze bedraagt 59 en is veel geringer dan wanneer er sprake is van een normale crank. Figuur 7A laat weer de 108 knieflexie van het rechter been zien. In figuur 7B is het omhoog staande crankdeel a nu 14 cm en het naar beneden hangende crankdeel b 4 cm. Via dezelfde constructie als in figuur 6B blijkt bij deze excentrische crank een knieflexie van 95 te behoren. Hoe langer crankdeel a (bij gelijkblijvende totale lengte van a + b), hoe meer knieflexie op het hoogste punt van de trapcyclus vereist is. Figuur 7A en B. Vergelijking van de hoogste pedaalpositie en de bijbehorende knieflexiehoek bij gebruik van een normale crank (A) en een excentrische crank (B) A: De rechter voet staat op het pedaal van de rechter, normale crank. B: De linker voet staat op het pedaal van de linker excentrische crank. Deel a is 14 cm en staat recht omhoog, deel b is 4 cm en hangt recht naar beneden. Verdere verklaring in de tekst. Uit figuur 6B en 7B blijkt dat hoe geringer de maximale knieflexie is, des te kleiner de bijbehorende heupflexie is. Er kan ook omgekeerd geredeneerd worden: De excentrische crank is eveneens geschikt voor patiënten met een (sterke) heupflexie beperking. Stel, de heupflexie van de patiënt is in figuur 6B maximaal en bedraagt bij een ruimtelijk iets achterover gekanteld bekken (B) 25. Bij een dergelijke maximale heupflexie past dan een excentrische crank met de afmetingen zoals in figuur 6B gekozen. Bij een veronderstelde maximale heupflexie van 45 in figuur 7B past dan de excentrische crank met de afmetingen zoals in dit figuur gekozen. Het bepalen van de maat van de excentrische crank Om de maat van de excentrische crank te bepalen die bij de maximale, beperkte knieflexie van uw patiënt past, gaat u als volgt te werk:
Stel, de patiënt heeft een flexiebeperking in het linker kniegewricht. Hij neemt plaats op zijn eigen fiets met normale cranks (figuur 8). De linker crank staat recht omlaag. De linker voet staat op het linker pedaal. De patiënt flecteert nu vanuit positie 1 via beenheffing de linker heup. De linker voet komt daardoor los van het pedaal. Van groot belang is nu dat in deze fase de linker voet verticaal omhoog verplaatst, anders gezegd, de voet blijft steeds recht boven het linker pedaal. Naarmate de heup meer flecteert neemt, indien op deze wijze uitgevoerd, de knieflexie toe. Zodra tijdens toenemende heupflexie de voet naar voren (en iets omhoog) zou beginnen te verplaatsen, is de knieflexie maximaal. In figuur 8 vindt dit plaats als positie 2 is bereikt. De voet staat dan denkbeeldig op het linker pedaal van een excentrische crank in de hoogste positie (zoals bijvoorbeeld in figuur 6B en 7B). Als dit punt bereikt is, meet U de verticale afstand S van de bovenzijde van het linker pedaal tot de schoenzool van de patiënt. Als deze afstand gehalveerd wordt, heeft u de lengte van crankdeel a. De lengte van crankdeel b is het verschil tussen de lengte van de normale, rechter crank en deel a. Voor de patiënt met een beperkte heupflexie geldt in principe dezelfde procedure. Om te voorkomen dat hij door spierzwakte niet in staat is om in de heup maximaal te flecteren, is de meetprocedure betrouwbaarder als U vanuit uitgangspositie 1 de heupflexie passief uitvoert. U zorgt er dan ook weer voor dat de voet vanaf het pedaal verticaal omhoog verplaatst. Terwijl u zelf het been van de patiënt in de maximale heupflexie vasthoudt, laat u een ander afstand S meten. Figuur 8. Verklaring in de tekst. De excentrische crank versus crankverkorting en omhoog verplaatsing van het zadel Stel, de fietsaanpassing voor de patiënt met maximaal 59 knieflexie wordt, zoals beschreven in het destijds gepubliceerde artikel, gezocht in crankverkorting en omhoog verplaatsing van het zadel. Het pedaal van een verkorte crank roteert direct om de crank-as, dit in tegenstelling tot het pedaal van een excentrische crank. In figuur 9A is sprake van een linker excentrische crank, waarvan deel a 4 cm en deel b 14 cm is. De hierbij behorende knieflexie bedraagt 59. In figuur 9B is sprake van een verkorte crank waarvan de lengte op 4 cm is gesteld. In feite komt het bij deze verkorte crank neer op het >wegdenken= van het naar beneden hangende crankdeel b, terwijl op het uiteinde een pedaal gemonteerd wordt. In figuur 9A en 9B is te zien dat de cirkelbaan die het pedaal van de linker excentrische crank tijdens het fietsen beschrijft, even groot is als de cirkelbaan die het pedaal van de verkorte crank beschrijft. De hoogste pedaalpositie van de verkorte crank - en alle andere posities - ligt echter door de afwezigheid van crankdeel b 14 cm hoger dan de overeenkomstige pedaalpositie van de excentrische crank.
Figuur 9A en B. Vergelijking van een excentrische crank (A) met een verkorte crank (B). De verkorte crank vereist zonder verdere aanpassing meer knieflexie. De knieflexie blijkt in de hoogste pedaalpositie van de verkorte crank echter veel groter te zijn dan in de overeenkomstige pedaalpositie van de excentrische crank, nl. 87 versus 59. De patiënt kan echter maximaal 59 flecteren. Om de niet mogelijke 87 flexie bij toepassing van een verkorte crank te reduceren, moet het zadel omhoog. Dit is weergegeven in figuur 10. Aangezien de zadelpen schuin achterwaarts omhoog is gericht, kan het omhoog plaatsen ontbonden worden in een verticale en horizontale component. Het zadel moet dan zó ver omhoog, dat de verticale component 14 cm bedraagt. Figuur 10. Om bij toepassing van een verkorte crank van 4 cm. de knieflexie niet te doen toenemen (van 59 naar 87 ), moet het zadel in dit voorbeeld 14 cm. omhoog, van HG1 naar HG2. Ten gevolge van de tegelijkertijd optredende horizontale verplaatsing wordt de knieflexie zelfs iets geringer dan 59. De knieflexie is nu iets geringer dan 59 vanwege de horizontale component. Tevens moet de rechter (niet getekende) crank met 14 cm verkort worden en krijgt daardoor ook een lengte van 4 cm. Zonder deze verkorting zou de rechter voet niet meer bij het rechter pedaal kunnen als dit in de laagste positie staat. Inmiddels zijn hier eigenlijk al drie nadelen aan het gebruik van de verkorte crank ten opzichte van de excentrische crank aan de orde gesteld. Ten eerste kan het 14 cm omhoog plaatsen van het zadel
problemen geven met op- en afstappen. Ten tweede, kon de patiënt zittend op het zadel, in stilstand z=n tenen nog op de grond zetten, nu gaat dat zeker niet meer. Ten derde is er nu sprake van een linker én rechter verkorte crank, terwijl de patiënt rechts geen flexiebeperking heeft. Twee cranks van 4 cm in plaats van 18 cm vraagt 18 : 4 = 4,5x zo veel kracht op beide pedalen om met dezelfde snelheid te fietsen. De excentrische crank is dus aan te bevelen boven de verkorte crank. Slot De excentrische crank is een ideale oplossing voor mensen die op basis van een permanent aanwezige knie- of heupflexiebeperking geen gebruik kunnen maken van een fiets met twee normale cranks. U vraagt zich misschien af: Hoe fietst zoiets nu? Moet aan de kant van de excentrische crank niet veel meer kracht uitgeoefend worden dan aan de kant van de normale crank? Heel in het kort kan gesteld worden dat er, wat de laatste vraag aangaat, geen of nauwelijks verschil dienaangaande voelbaar is. Het beargumenteerd beantwoorden van bovengestelde vragen vergt echter een uitgebreide bespreking van het aspect >bekrachtiging=. In één van de volgende nummers zal hierop ingegaan worden. Met dank aan firma Van Raam, fabrikant van aangepaste rijwielen en frames. Aaltenseweg 56, 7051 CM Varsseveld. www.vanraam.nl LITERATUUR 1. Beld, F.B. van de Fietsen met een knieflexiebeperking Versus, Tijdschrift voor Fysiotherapie 1995 nr. 4, pag. 203-217.