Auteur(s): M. Berger, P. Hollander Titel: Voortstuwing tijdens zwemmen Jaargang: 15 Jaartal: 1997 Nummer: 5 Oorspronkelijke paginanummers:

Versus Tijdschrift voor Fysiotherapie, 15e jrg 1997, no. 5 (pp. 223 - 233)

Auteur(s): M. Berger, P. Hollander Titel: Voortstuwing tijdens zwemmen Jaargang: 15 Jaartal: 1997 Nummer: 5 Oorspronkelijke paginanummers: 223 - 233

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


VOORTSTUWING TIJDENS ZWEMMEN Monique Berger Peter Hollander Dr. Monique Berger, Bewegingswetenschapper, VU, Vakgroep Kinesiologie, Faculteit der Bewegingswetenschappen, Amsterdam, Docent Anatomie, Vakgroep Anatomie, Opleiding Bewegingstechnologie, Haagse Hogeschool. Dr. Peter Hollander, Inspanningsfysioloog, VU, Vakgroep Kinesiologie, Faculteit der Bewegingswetenschappen, Amsterdam.

Inleiding

Z

wemmen is een afwijkende manier van voortbewegen omdat zwemmen plaatsvindt in water. Bij iedere manier van voortbewegen geldt dat voortstuwing alleen mogelijk is als resultaat van externe krachten die worden uitgeoefend op de omgeving. Bij veel vormen van voortbewegen wordt de afzetkracht gegenereerd door af te zetten tegen een vast punt (dat wil zeggen een punt dat door de afzet niet of nauwelijks in beweging komt). Bij zwemmen wordt de voortstuwing verkregen door tegen water af te zetten. Door deze afzet tegen water krijgt het water een achterwaartse snelheid wat betekent dat een deel van de energie die een zwemmer levert, verloren gaat aan het vergroten van de kinetische energie van het water en derhalve niet ten goede komt aan de voortstuwing. Bij zwemmen treden er daardoor veel grotere energieverliezen op dan bijvoorbeeld bij lopen, waar de verliezen beperkt blijven tot de vormveranderingen in schoenen en ondergrond. Het totale uitwendige vermogen (Po) dat een zwemmer levert kan daarom worden verdeeld in een deel waarmee de weerstand wordt overwonnen (Pd) en een deel dat tijdens de afzet in de vorm van kinetische energie aan het water wordt gegeven (Pk).

Po  Pd  Pk

(1)

De verdeling van Po in Pd en Pk kan een belangrijke prestatie bepalende factor bij het zwemmen zijn. Wanneer een ongeoefende zwemmer wild in het water beweegt zal die veel water in beweging zetten. In die situatie zal Pk zeer hoog zijn en zal er dus nog maar een klein deel van Po overblijven om de weerstand van het water te overwinnen. Ondanks intensieve bewegingen zal er niet erg hard gezwommen kunnen worden. De voortstuwingsefficiëntie (ep) beschrijft de verhouding tussen het voor de voortstuwing bruikbare vermogen (Pd) en het totaal geleverde vermogen:

ep 

Pd Pd  Po Pd  Pk

(2)

Met de thans beschikbare kennis is het niet precies duidelijk wat het voortstuwingsmechanisme is dat zwemmers gebruiken om hun lichamen door het water voort te stuwen. Er zijn verschillende theorieën over de manier van voortstuwen maar geen enkele is tot op heden voldoende bewezen. Dit artikel zal de huidige stand van zaken bespreken, en een drietal theorieën op een rijtje zetten. Hierbij wordt het borstcrawl zwemmen als voorbeeld genomen waarbij alleen de voortstuwingskrachten op de hand in de analyse wordt meegenomen. Verder wordt er voor de meeste berekeningen vanuit gegaan dat er met constante snelheid wordt gezwommen, waarbij de voortstuwingskracht dan gelijk is aan de weerstandskracht.

Newton Het belangrijkste voortstuwingsmechanisme dat zwemmers gebruiken is waarschijnlijk gebaseerd op de derde wet van Newton: actie = reactie. Deze wet kan als volgt worden uitgelegd: wanneer een zwemmer water naar achteren duwt, geeft hij/zij daarmee het lichaam een voorwaartse versnelling. De


achterwaartse versnelling van de watermassa is evenredig met de voorwaartse versnelling van de massa van de zwemmer (massa water x versnelling water = massa zwemmer x versnelling zwemmer). Met behulp van enkele berekeningen van het benodigde vermogen kan worden aangetoond dat niet alleen weerstandskrachten de voortstuwing tijdens zwemmen veroorzaken. Een rekenvoorbeeld. Stel: Een zwemmer zwemt met een snelheid van 1 m/s. De handsnelheid (vh) bedraagt 2.5 m/s. De weerstandskracht (Fd body) die de zwemmer ondervindt = 25 N. De kracht wordt volledig geleverd door weerstandskrachten van de hand (Fd = 25 N). De voortstuwingsefficiëntie (ep) = 0.5 (Toussaint e.a.1988). De mechanische efficiëntie (em) = 0.1 (d.w.z. dat slechts 10% van het metabool vermogen ten goede komt aan voortstuwing; de overige 90% komt vrij in de vorm van warmte) (Toussaint e.a., 1990). Het vermogen nodig om de weerstandskracht op te wekken bedraagt 62.5 Watt (Pd = Fd.vh = 25 x 2.5 = 62.5 Watt) Het totaal uitwendig geleverde vermogen (Po) is gelijk aan 125 Watt (Po = Pd/ep = 62.5 / 0.5 = 125 Watt) Het metabool vermogen (Pm) is dan gelijk aan 1250 Watt (Pm = Po/em = 125/0.1 = 1250 Watt). Wanneer we dit omrekenen naar de hoeveelheid benodigde zuurstof voor het leveren van 1250 Watt bedraagt dit ca. 3.5 l/min. Dit lijkt een onwaarschijnlijk hoge waarde voor borstcrawl zwemmen bij een snelheid van 1 m/s. Wanneer de zuurstofopname wordt gemeten bij borstcrawl zwemmen met een

dergelijke snelheid worden waarden gevonden van 1 - 1.2 l/min (Wakayoshi e.a., 1996).

Bernoulli Zo omstreeks 1970 werd de bovenstaande theorie min of meer verworpen doordat door verschillende auteurs gewezen werd op de bijdrage van liftkrachten aan de voortstuwing. Counsilman (1969, 1971) en Brown & Counsilman (1970) lieten zien dat zwemmers hun armen meer diagonaal door het water haalden. Hierdoor werd er gezocht naar een andere verklaring voor de voortstuwing dan het actie = reactie principe. De theorie van Bernoulli werd toen gezien als de verklaring voor voortstuwing in water. Deze theorie kan als volgt worden uitgelegd: De basis voor voortstuwing is dat de handen en armen werken als vleugels. De waterstroom over de rugzijde van de hand is sneller dan aan de kant van de handpalm. Dit snelheidsverschil veroorzaakt een drukverschil wat een liftkracht veroorzaakt. De liftkracht gecombineerd met de weerstandskracht op de hand produceert een resultante kracht die voor voortstuwing van de zwemmer zorgen (figuur 1).

a

b

Figuur 1. a. Vleugelprofiel waarbij de deeltjes aan de bovenkant van het profiel een hogere snelheid hebben dan onder het profiel. Dit resulteert in drukverschillen onder en boven het profiel wat weer resulteert in een liftkracht.


b. Hetzelfde principe geldt voor de hand. De hoek α is de 'angle of attack'.

Hoewel het erg waarschijnlijk is dat lift- en resultante krachten worden geproduceerd wanneer zwemmers een diagonale beweging onder water maken, hangt de grootte van deze krachten mogelijk meer samen met de hoek die de hand en onderarm maken met het water dan met snelheidsverschillen van de waterstroom onder en boven de hand. Zwemmers leveren de grootste krachten bij bepaalde posities van hand en onderarm t.o.v. het water (b.v. Schleihauf e.a., 1983, Berger e.a., 1995). In de literatuur wordt deze oriëntatie van hand en arm beschreven als 'angle of attack' of 'angle of pitch' (hoek α in figuur 1b).

Newton & Bernoulli Het lijkt erg waarschijnlijk dat beide theorieën: dus Newton's actie = reactie principe en Bernoulli’s theorie de voortstuwing tijdens zwemmen kunnen verklaren. Het is niet Newton versus Bernoulli maar Newton & Bernoulli. Liftkrachten kunnen niet worden opgewekt zonder weerstand! Voortstuwingskracht wordt opgewerkt door bewegingen van de ledematen. Eigenlijk dienen er 2 componenten van deze voortstuwingskracht onderscheiden te worden: a. de weerstandskracht: Het naar achteren duwen van water veroorzaakt een reactie naar voren. Deze kracht is dus tegengesteld gericht aan de bewegingsrichting van de ledematen. Er is hier dus sprake van een 'voortstuwende' weerstandskracht. Deze kracht moet men dus niet verwarren met de weerstandskracht op het totale lichaam van de zwemmer die minimaal moet worden geleverd om vooruit te komen. b. de liftkracht: een kracht die loodrecht staat op de weerstandskracht. Hoewel deze kracht bekend staat als liftkracht betekent dit niet dat deze kracht altijd omhoog gericht is. Bijvoorbeeld bij een propellor is de liftkracht voorwaarts gericht, nl. loodrecht op de bewegingsrichting van de propellerbladen. In figuur 2 staat een overzicht van de krachten die een rol spelen bij het borstcrawl zwemmen.

Figuur 2. Fd = de weerstandskracht van de hand, Fl = de liftkracht, F = de resulterende kracht, D = de weerstand op het totale lichaam, vb = de snelheid van de zwemmer, Fp = de voortstuwingskracht in voorwaartse richting en Fdx en Flx de weerstands- resp. de liftkracht in voorwaartse richting.

De grootte weerstands- en liftkrachten kunnen we berekenen met behulp van de volgende formules:

Fd  0.5    vh2  Aw  Cd

(3)

Fl  0.5    vh2  Aw  Cl

(4)

van

de

waar ρ = de dichtheid van het water, vh = de handsnelheid, Aw is het natte oppervlak van de hand en arm en Cd en Cl zijn respectievelijk de weerstands- en liftcoëfficiënten. De richting en grootte van de in figuur 2 getekende krachten kunnen worden gemeten, danwel worden berekend m.b.v. een driedimensionale kinematische analyse. Deze analyse bestaat eigenlijk uit 2 delen: 1. het meten van weerstands- en liftkrachten op modellen van hand en onderarm in een laboratoriumsituatie voor het berekenen van weerstands- en liftcoëfficiënten. 2. een 3D videoanalyse van zwemslagen.


Hieronder volgt in het kort de procedure om te komen tot een berekening van de voortstuwingskrachten tijdens het borstcrawl zwemmen. ad. 1 Voor het berekenen van weerstands- en liftkrachten als componenten van de totale voortstuwingskracht is het noodzakelijk weerstands- en liftcoëfficiënten te bepalen. Hiertoe kunnen in een sleeptank, zoals wordt gebruikt bij het beoordelen van (weerstands)eigenschappen van scheepsmodellen, driedimensionaal krachten worden gemeten die optreden bij het slepen van modellen van de hand en onderarm. Dit is gedaan voor 2 modellen van hand en onderarm met verschillende afmetingen (Berger e.a., 1995). Deze modellen zijn gesleept met verschillende snelheden terwijl de weerstands- en liftkrachten werden gemeten. Bij gemeten omtrekken (en dus bekende oppervlakten Aw) kon nu m.b.v. de formules 3 en 4 de waarden voor Cd en Cl worden berekend. De coëfficiënten blijken afhankelijk van de sleepsnelheid en de oriëntatie van de hand en arm t.o.v. de stroomrichting, de 'angle of attack' dus (Berger e.a., 1995). ad. 2. Voor het bepalen van de voortstuwingskrachten tijdens het zwemmen kunnen de Cd en Cl waarden, verkregen m.b.v. de hier-boven beschreven experimenten worden toegepast in combinatie met een drie dimensionale (3D) bewegingsanalyse. Deze 3D videoanalyse geeft dan informatie over de snelheid, vh, en de oriëntatie van de hand t.o.v. het water (nodig voor het bepalen van de bijbehorende Cd en Cl waarden). Met behulp van deze informatie kan de voortstuwingskracht tijdens zwemmen en de bijdragen van de weerstands- en liftkracht aan de voortstuwingskracht worden berekend. Deze procedure voor het berekenen van voortstuwingskrachten is gedaan voor een aantal triatleten en zwemmers (Berger e.a., 1997). In dit onderzoek is o.a. gekeken naar de bijdrage van de liftkracht aan de resulterende kracht. De bijdrage van de liftkracht aan de resulterende kracht blijkt aanzienlijk te zijn. De totale voortstuwingskracht bleek voor ongeveer 60 % te worden geleverd door liftkrachten. De bijdrage van de liftkracht aan de voortstuwing is min of meer gratis. Doordat de richting van de liftkracht loodrecht staat op de snelheidsvector van de hand zijn de energieverliezen verwaarloosbaar klein (Pk is nagenoeg 0). Wanneer we nu proberen in het voorgaande rekenvoorbeeld de liftkrachten te betrekken ziet de berekening van de zuurstofopname er als volgt uit: Stel: Een zwemmer zwemt met 1 m/s. De handsnelheid (vh) bedraagt 2.5 m/s. De weerstandskracht (Fd-body) die de zwemmer ondervindt = 25 N. De kracht wordt voor 40% geleverd door weerstandskrachten van de hand (Fd = 10 N) en voor 60 % door liftkrachten (Fl = 15 N). De voortstuwingsefficiëntie (ep) = 0.5. De mechanische efficiëntie (em) = 0.1. Het vermogen nodig om de weerstandskracht op te wekken bedraagt 25 Watt (Pd = Fd.vh = 10 x 2.5 = 25 Watt) Het totaal uitwendig geleverde vermogen (Po) is gelijk aan 50 Watt (Po = Pd/ep = 25 / 0.5 = 50 Watt) Het metabool vermogen (Pm) is dan gelijk aan 500 Watt (Pm = Po / em = 50/0.1 = 500 Watt). Wanneer we dit omrekenen naar de hoeveelheid zuurstof nodig voor het leveren van 500 Watt bedraagt dit ca. 1.45 l/min. Deze waarde voor de zuurstofopname lijkt veel realistischer voor borstcrawl zwemmen bij een snelheid van 1 m/s. Ook al is het nog wat aan de hoge kant.

Vortices Het concept van weerstands- en liftkrachten lijkt niet compleet te zijn. Alle berekeningen van menselijke zwemmers zijn gebaseerd op een laminaire stroming van het water rondom de hand en onderarm. Het is echter niet waarschijnlijk dat dit werkelijk het geval is. Door het bewegingstraject van de hand


beweegt een watermassa op een min of meer circulaire manier, waardoor zogenaamde vortices (wervelingen of draaistromingen) ontstaan. Verschillende auteurs hebben er op gewezen dat vortices een belangrijke rol spelen bij de voortstuwing (o.a. Lighthill, 1969, Ungerechts, 1987, Triantafyllou & Triantafyllou, 1995). Een onderzoek van Triantafyllou & Triantafyllou (1995) liet zien dat elk object in een stroom vortices creëert. Zij beargumenteren op grond van experimenten met dolfijnen dat door het terugwinnen van energie uit deze vortices de efficiëntie tijdens zwemmen enorm kan toenemen. Kunnen vortices nu het verschil in energie verklaren? Helaas zijn er nog geen technieken beschikbaar die het concept van vortices kan verifiëren. Het lijkt erop dat sommige processen die een rol spelen bij het opwekken van de voortstuwingskrachten tijdens zwemmen voorlopig nog niet gekwantificeerd kunnen worden. Ook al is er wat van de wetenschappelijke achtergronden die (een deel van) de voortstuwing tijdens zwemmen kunnen verklaren bekend, een goede zwemtechniek is voorlopig nog meer kunst dan wetenschap! LITERATUUR Berger, M.A.M., G. de Groot, A.P. Hollander. Hydrodynamic drag and lift forces on human hand/arm models. Journal of Biomechanics 28, 125 133, 1995. Berger, M.A.M., A.P. Hollander, G. de Groot. Swimming technique and energy losses in front crawl swimming. Medicine and Science in Sports and Exercise, in press, 1997. Brown, R.M., & J. E. Counsilman. Role of lift in propelling swimmers. In: Selected Topics on Biomechanics (Edited by J.M. Cooper), pp.179 188. The Athletic Institute, Chigago, 1970. Counsilman, J.E. The role of sculling movements in the arm pull. Swimming World 10, 6 7, 1969. Counsilman, J.E. The application of Bernouilli's principle to human propulsion in water. In: Swimming I (Edited by L. Lewillie & J.P. Clarys), pp. 59 71. University Park Press, Baltimore, 1971. Lighthill, J. Hydromechanics of aquatic animal propulsion. Annual Review of Fluid Mechanics 1, 413 445, 1969. Schleihauf, R.E. A hydrodynamic analysis of swimming propulsion. In: Swimming III (Edited by J. Terauds & E.W. Bedingfield), pp. 70 109. University Park Press Baltimore, 1979. Schleihauf, R.E., L. Gray, J. DeRose. Three Dimensional analysis of swimming propulsion in the sprint front crawlstroke. In: Biomechanics and medicine in swimming (Edited by A.P. Hollander, P.A. Huying, G. de Groot), pp.173 183. Human Kinetics Publishers, Champaign, Illinois, 1983. Toussaint, H.M., A. Beelen, A. Rodenburg, A.J. Sargeant, G. de Groot, A.P. Hollander, G.J. van Ingen Schenau. Propelling efficiency of front crawl swimming. Journal of Applied Physiology 65, 2506 2512, 1988. Toussaint, H.M., W. Knops, G. de Groot, A.P. Hollander. The mechanical efficiency of front crawl swimming. Medicine and Science in Sports and Exercise 22, 402 408, 1990.


Triantafyllou, M.S. & G.S. Triantafyllou. An efficient swimming machine. Scientific American, March, 40 48, 1995.

Ungerechts, B.E. On the relevance of rotating water flow for the propulsion in swimming. In: Biomechanics X B (Edited by B. Jonsson), pp. 713 716. Human Kinetics Publishers, Champaign, Illinois, 1987. Wakayoshi, K., J. d'Acquisto, J.M. Cappaert & J.P. Troup. Relationship between metabolic parameters and stroking characteristics in front crawl. In: Biomechanics and Medicine in Swimming (Edited by J.P. Troup, A.P. Hollander, D. Strasse, S.W. Trappe, J.M. Cappaert & T.A. Trappe), pp. 152 158. E & FN Spon, London, 1996 .

Auteur(s): M. Berger, P. Hollander Titel: Voortstuwing tijdens zwemmen Jaargang: 15 Jaartal: 1997 Nummer: 5 Oorspronkelijke paginanummers:

Recommend Documents