Herre faber Titel: Kracht en snelheid bij het klapschaatsen Jaargang

VERSUS, Tijdschrift voor Fysiotherapie, 16e jaargang 1998, no. 1 (pp.48-60)
Auteur(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: www.versus.nl
VERSUS, Tijdschrift voor Fysiotherapie, 16e jaargang 1998, no. 1 (pp.48-60)
KRACHT EN SNELHEID BIJ HET (KLAP)SCHAATSEN
Herre Faber, Bewegingstechnoloog, Den Haag
I
Herre Faber
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. Allereerst 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. Althans 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
(1)
voortstuwing . 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.
Afzetten 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 (vs) maakt een
hoek (ß) ten opzichte van de voortbewegingsrichting van
de romp (vr). De richting van de afzet (Fa) 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. Als 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.
VERSUS, Tijdschrift voor Fysiotherapie, 16e jaargang 1998, no. 1 (pp.48-60)
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? Als 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.
Afzetten 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
(vs) en de streksnelheid van het been (vb). 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 be(2)
kend dat de kniestrekking tijdens schaatsen plaatsvindt van 120 tot 150 graden knieflexie . Er wordt
VERSUS, Tijdschrift voor Fysiotherapie, 16e jaargang 1998, no. 1 (pp.48-60)
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 Amsterdam, 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.
Afzetten bij het schaatsen gebeurt in een schuin vlak.
VERSUS, Tijdschrift voor Fysiotherapie, 16e jaargang 1998, no. 1 (pp.48-60)
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
Afzet, 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.
Afzet 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-
VERSUS, Tijdschrift voor Fysiotherapie, 16e jaargang 1998, no. 1 (pp.48-60)
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
handig om te kijken naar de snelheid van de
Vey
afzonderlijke lichaamsdelen. In figuur 7 is een klapVey’
Ve
schaats getekend met het draaipunt onder de bal van
Ve’
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. Aan het begin van de afzet heeft de snelheid
van de enkel een behoorlijk grote verticale component (Ve in figuur 7a). Echter, naarmate de afzet vordert wordt deze component relatief steeds kleiner (Ve’
A
B
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
Figuur 8.
De effectieve snelheidscomponent van de enkel blijft
constant als het draaipunt tijdens het open klappen met
de enkel mee omhoog beweegt.
A
B
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.
Als 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
(Fn) 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 (Mn) 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.
VERSUS, Tijdschrift voor Fysiotherapie, 16e jaargang 1998, no. 1 (pp.48-60)
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.
D
B
Figuur 10, 11, 12.
Computersimulatie van een vierstangen systeem, waarbij het draaipunt omhoog verplaatst.
C
A
Figuur 10.
In figuur 11 is een tussenstand getekend waarbij de schaats
30 graden is open geklapt.
D B
C
A
Figuur 11.
In figuur 12 is de schaats 60 graden open geklapt.
Figuur 12.
De punten A, B, C en D zijn scharnierpunten. Punt A en D
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 AB en CD. Aangezien dit snijpunt gedurende
het openklappen via een bijna rechte lijn omhoog beweegt, is
A
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.
D B
LITERATUUR
1. Berger, M., Hollander, P.
Voortstuwing tijdens zwemmen.
VERSUS, tijdschrift voor fysiotherapie, 1997, 5: 223-233.
2. Ingen Schenau, G.J. van, Boer, R. De, Groot, G. De.
On the technique of speed skating.
Int. J. Of Sport Biom., 1987, 3: 419-431.