De Krachtplaat in de atletiek

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
beschreven1. 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 Vervaet2 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-theoretisch3 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 loopsnelheid5.
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).
2.4 m
1.4 m
LZ
LZ
L
L
L
R
R
R
F
LZ
Rechter voet
net in contact
met de grond
Linker voet
op het punt
de grond te
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 Cross5)
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 aangegeven5 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
Gebruik je kracht bij het
mogelijk de voortstuwende kracht van de
hardlopen
vooral voor de
pendelbeweging van de benen moet zien te
voortstuwing. Voorkom een al
gebruiken. Dat wil tegelijkertijd zeggen dat de
te grote verticale beweging!
verticale kracht zo klein en zo efficiënt mogelijk dient
te worden gehouden (fig. 7). Natuurlijk is verticaal
gerichte kracht noodzakelijk om het lichaamsgewicht
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/.../RUG01001892594_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: [email protected] of 033 – 480 38 39
8