Versus Tijdschrift voor Fysiotherapie, 23 e jrg 2005, no. 6 (pp )

e

Versus Tijdschrift voor Fysiotherapie, 23 jrg 2005, no. 6 (pp. 334 - 354)

Auteur(s): A. Lagerberg Titel: Gaan en energiekosten Jaargang: 23 Jaartal: 2005 Nummer: 6 Oorspronkelijke paginanummers:334 - 354

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

e


The oretisch bezien GAAN EN ENERGIEKOSTEN Aad Lagerberg A. Lagerberg, Fysiotherapeut, Vakgroep Beweging & Analyse, opleiding Bewegingstechnologie, Haagse Hogeschool.

Inleiding

O

(10)

p de site van Becel (van de margarine) staat onderstaande tekst over de stappenteller, die door dit bedrijf in november 2005 gratis werd verstrekt bij aankoop van hun producten (figuur 1).

Figuur 1 De stappenteller van Becel

ABeweging is belangrijk voor een gezond hart. Helaas bewegen we in het algemeen te weinig in onze vrije tijd. Een makkelijke, niet belastende manier om in beweging te komen is wandelen. Daarom deelt Becel gratis stappentellers uit bij aankoop van 2 Becel producten. De hartstichting ondersteunt dit initiatief@.

Waarom deelt dit bedrijf gratis stappentellers uit zult u zich wellicht afvragen? De site maakt melding van de volgende overwegingen:

ADe Hartstichting stimuleert vooral eenvoudige, aantrekkelijke en laagdrempelige vormen van bewegen, zoals fietsen, wandelen, en voor kinderen buitenspelen. Deze bewegingsvormen zijn voor de meeste mensen makkelijker vol te houden dan meer intensievere vormen van sport.Uit onderzoek blijkt dat het gebruik van een stappenteller een enorme stimulans kan zijn. Je wordt je bewust van je eigen wandelgedrag en leert wandelen op te bouwen en vol te houden. Vandaar deze actie@! Ook een suggestie voor het gebruik ontbreekt niet op de webpagina:

AMeet eerst de basis: hoeveel stappen zet je op een normale thuis- of werkdag? Zijn dit ongeveer 6000 stappen of zijn het (veel) minder stappen? $ Stel een doel, probeer bijvoorbeeld elke dag 2000 stappen meer te zetten. Dat kan een lunchwandeling zijn, de kinderen lopend naar school brengen, een paar bushaltes eerder uitstappen of een mooie wandelroute in de omgeving uitproberen.

e


$ Ook op het werk kun je vaak meer lopen: een rondje koffie halen voor collega==s, de printer op een andere plek zetten, even langslopen bij een collega of de trap nemen in plaats van de lift. $ Meer een sociale wandelaar? Loop samen met anderen, zoals collega's, buren, familie, vrienden@. In de regio Haaglanden viel de actie van Becel toevallig samen met een postercampagne van het Medisch Centrum Haaglanden. Zo kon het gebeuren dat de argeloze Haagse burger bij het eerste bushuisje dat hij passeerde, werd gestimuleerd om 10.000 stappen per dag te halen, om bij het volgende bushuisje te vernemen dat hij voor zijn versleten heup (die hij door al dat extra wandelen blijkbaar op kon lopen) goed en snel geholpen kon worden in een Haags ziekenhuis (figuur 2).

De diagnose Slijtage heup

Snel terecht in het MCH

Figuur 2a en b Wat is wijsheid?

Wat doe je dan als goed geïnformeerde consument van gezondheidszorg? Blijf je een passieve levensstijl hanteren om daarmee de kans op een versleten heup te verkleinen? Of schat je het gevaar van hart en vaatziekten hoger in en neem je de versleten heup op de koop toe? Al met al bepaald geen heldere communicatie. Initiatieven om Nederland in beweging te krijgen verdienen ondersteuning. Een >gadget= als een stappenteller werkt in dit verband wellicht stimulerend en dat is dan mooi meegenomen. De vraag is echter wel of wat meer lopen, gaat helpen bij het bestrijden van overgewicht en de daaraan gerelateerde gezondheidsproblemen. Hoeveel (extra) energie verbruikt iemand die loopt? Welk effect heeft gangsnelheid op de energiekosten? Welk effect hebben staplengte en stapfrequentie? In dit artikel gaan wij in op bovenstaande- en soortgelijke vragen.

Gaan en metabole energiekosten Het behoeft nauwelijks betoog dat iemand die wandelt meer (metabole) energie verbruikt dan iemand die zit of ligt. Het voortbewegen vraagt immers extra spieractiviteit. Deze extra spieractiviteit verhoogt het energieverbruik van het lichaam. De metabole energiekosten van het gaan zijn het eenvoudigst meetbaar met behulp van zogenaamde indirecte calorimetrie. Hierbij wordt de O2 consumptie en de CO2 productie gemeten door middel van een analyse van de uitademingslucht. Grofweg staat de consumptie van 1liter zuurstof per minuut gelijk aan een energieverbruik van 5 kilocalorieën per minuut. De metabole kosten per tijdseenheid (metabool vermogen) nemen toe bij een toename van de gangsnelheid. In figuur 3 wordt een

e


grafiek getoond waarin het metabole vermogen (in watts) staat uitgezet tegen de gangsnelheid in meters per seconde. De grafiek heeft een kwadratisch karakter. Verdubbeling van de gangsnelheid verviervoudigt de metabole kosten. Gaan op een harde onderlaag met een comfortabele gangsnelheid (1.4 m/sec = 5 km/h) kost volgens deze grafiek aan metabool vermogen ongeveer 300 watt (4300 cal/min). Figuur 3 Grafiek van het verband tussen gangsnelheid en metabole energiekosten. Overgenomen en bewerkt uit (3).

De metabole kosten voor het voortbewegen blijken samen te hangen met het lichaamsgewicht. Het is daarom een goed gebruik om de energiekosten uit te drukken op een wijze die genormaliseerd is voor lichaamsgewicht. Een veelgebruikte eenheid hiervoor is cal/min/kg. Bij gangsnelheden tussen de 4 en 5 km/h ligt het energieverbruik gemiddeld tussen de 55 en 65 (3) cal/min/kg . Een rekenvoorbeeld: Lichaamsgewicht 75 kg. Metabole kosten: 60 cal/min/kg. Bij een uur wandelen komt dit neer op een energieverbruik van 75 60 60 = 270.000 cal (270 Kcal) (8) Dat is ongeveer gelijk aan het aantal Kcal in een marsreep . Hierbij moet worden opgemerkt dat een uur wandelen per dag niet leidt tot de bovengenoemde toename van het energieverbruik. Ook indien het uur niet wandelend maar zittend was doorgebracht, wordt er immers metabole energie verbruikt. De energiekosten bij activiteiten als zittend lezen of met de computer (3) werken bedragen ongeveer 20 cal/min/kg . De >winst= die iemand boekt indien hij een uur zittend werken verruilt voor een wandeling, bedraagt derhalve slechts 40 cal/min/kg. Het extra energieverbruik bij een uur wandelen komt daarmee op 180 Kcal. De consumptie van een marsreep (270Kcal) compenseren door een wandeling vraagt dus een wandeltocht van anderhalf uur. Nog een rekenvoorbeeld.: Stel, de persoon uit het bovengenoemde voorbeeld overweegt de keuze tussen een streng dieet of meer wandelen als methode om af te vallen. We gaan uit van een dagelijkse energiebehoefte van 2500Kcal en een dieet van 1500Kcal. Bij een dergelijk streng dieet consumeert iemand dus 1000 cal minder dan hij verbrandt. Per dag valt men dan ongeveer 100 gram af omdat de energiebehoefte niet met het ingenomen voedsel gedekt kan worden. Het verbranden van 100 gram lichaamsvet levert de benodigde extra 1000 cal (1gram vet heeft een verbrandingswaarde van ongeveer 10 cal). Hoeveel uur zou deze persoon per dag moeten wandelen om hetzelfde >afval-effect= te bereiken als met het dieet? Het verschil tussen energieverbruik en energie-opname zal door middel van het wandelen ook op 1000 Kcal moeten worden gebracht. Wandelen vraagt per uur 180 Kcal extra verbranding. Het verbranden van 1000 Kcal extra, om daarmee het energieverbruik op 3500 Kcal te brengen, vraagt dus 5,5 uur wandelen per dag. Meer bewegen is een goed streven om het bewegingsapparaat in conditie te houden. Als instrument om afvallen te bevorderen blijft een goed dieet echter onmisbaar. Op dit thema werd in een eerdere aflevering (7) van deze rubriek uitgebreider ingegaan . Uit onderzoek van Lazzer et al

(4)

onder adolescenten met een BMI van 30 of meer (ernsige obesitas),

e


bleek dat de energiekosten voor het gaan bij deze groep aanzienlijk hoger liggen dan bij niet obesen. Ook indien de gevonden waarden worden uitgedrukt in kosten per kilogram lichaamsgewicht, blijken de obesen ongeveer 25% meer energie te verbruiken dan mensen met een normale BMI. Dit is een van de redenen waarom ernstig zwaarlijvige mensen over het algemeen lagere comfortabele gangsnelheden kiezen dan mensen met een minder extreme BMI. Met een lagere gangsnelheid functioneren deze mensen uiteindelijk weer op een vergelijkbaar inspanningsniveau als niet obesen op een hogere gangsnelheid.

Gaan en arbeid De toename van de metabole kosten bij het gaan vinden hun oorsprong in de toegenomen activiteit van spieren. Spieren verbruiken energie bij het leveren van positieve arbeid (concentrische contracties), maar ook bij het leveren van negatieve arbeid (excentrische contracties). De vraag hoeveel arbeid er geleverd wordt tijdens het gaan is nog niet zo eenvoudig te beantwoorden. Niet alle metabole energie wordt namelijk omgezet in bewegingsenergie. Het lastige hierbij is verder nog dat er bij het gaan geen sprake is van het uitoefenen van arbeid op de buitenwereld. In de mechanica spreekt men van arbeid indien een kracht die wordt uitgeoefend ook over een zekere afstand verplaatst. Arbeid (Nm) is gelijk aan kracht (in Newtons) maal de afgelegde weg in de richting van de kracht (in meters). Zodra de tijd waarin deze arbeid geleverd wordt in de beschouwing wordt betrokken, spreken we van vermogen (Nm/sec). Indien we deze definities hanteren is er bij het gaan geen sprake van geleverde arbeid (en dus ook geen vermogen) op de buitenwereld (externe arbeid cq vermogen). De krachten die bij het gaan op de buitenwereld worden uitgeoefend (de grondreactiekrachten) verplaatsen immers niet ten opzichte van hun aangrijpingspunt en kunnen dus geen arbeid op de buitenwereld leveren. Netto is er (bij het gaan over een vlakke weg) ook geen sprake van een toename van de hoogte van het lichaamszwaartepunt. De enige arbeid op de buitenwereld die er bij het gaan op een harde vlakke weg wordt verricht, is gerelateerd aan het overwinnen van luchtweerstand. Deze externe arbeid is bij normale gangsnelheden echter verwaarloosbaar klein. Bij het lopen door mul zand of losse sneeuw wordt er wel externe arbeid geleverd, omdat het zand of de sneeuw wordt verplaatst of samengedrukt. De extra arbeid die dit mee zich meebrengt verhoogt de metabole kosten van het gaan (figuur 4).

Figuur 4 Het effect van de ondergrond op het metabool vermogen bij verschillende gangsnelheden. Overgenomen en bewerkt uit (3).

Vrijwel alle arbeid die bij het gaan op een vlakke weg verricht wordt, bestaat uit zogenaamde interne arbeid die wordt verricht door spieren op lichaamsdelen. Indien men wil vaststellen hoeveel interne arbeid er bij het gaan geleverd wordt, zijn er twee mogelijke strategieën. De eerste en meest nauwkeurige methode zou zijn het registreren van krachten in en de optredende verkortingen van alle spieren die tijdens het gaan activiteit vertonen. Deze meest zuivere methode is praktisch echter onuitvoerbaar. Onderzoekers die zich bezighouden met deze vraagstukken meten niet rechtstreeks de arbeid per spier, maar bepalen de effecten van deze spierarbeid op de lichaamssegmenten. Contracties van spieren leiden

e


tot een snelheidsverandering en/of een hoogte verandering van het segment waar de spieren hun krachten op uitoefenen. Verandering van de snelheid betekent een wijziging van de kinetische energie van een lichaamsdeel, verandering van de hoogte beïnvloedt de potentiële energie van het segment. De optelsom van deze twee vormt de energie-inhoud van een lichaamsdeel. Op deze wijze kan de energie-inhoud van het hele lichaam op elk moment in de gangcyclus worden bepaald (figuur 5).

Figuur 5 Energie-inhoud van de verschillende lichaamsdelen tijdens een schrede. Overgenomen uit (3).

In deze figuur wordt de energie-inhoud van het hele lichaam (body total) getoond in de bovenste lijn. Deze totale energie-inhoud is de optelsom van de momentane potentiele en kinetische energie van alle lichaamsdelen. Ter illustratie staat de potentiele en voorwaartse kinetische energie-inhoud van de deelmassa=s van hoofd, armen en romp (HAT, Head, Arms, Trunk) ook weergegeven. De voorwaartse kinetische energie van HAT is het laagst in het midden van de unipedale fase. Op dit moment bevindt het gemeenschappelijke zwaartepunt van deze deelmassa=s zich in zijn hoogste positie (zoals te zien in de onderste lijn). De grafiek heeft betrekking op een proefpersoon van 58,6 kg bij een gangsnelheid van 73,2 m/min. De positieve arbeid per stap (body total) blijkt in dit voorbeeld ongeveer 30 Joule (7,16 cal) te bedragen. Stel dat er sprake is van een stapfrequentie van 100, dan betekent dit een arbeid per minuut (vermogen) van 3000 J/min (716 cal/min) = 50 Watt.

Rendement Met behulp van deze waarden kan het rendement van de energie-omzetting bij het voortbewegen worden uitgerekend. De metabole kosten van het gaan bedragen (bij comfortabele snelheden) ongeveer 60cal/min/kg. Indien we de arbeid, die door deze proefpersoon wordt geleverd, ook uitdrukken in een maat per kg lichaamsgewicht (716 cal/min delen door het lichaamsgewicht (58,6 kg) van de proefpersoon) komen we op een arbeid van 12 cal/min/kg. Het rendement (geleverde arbeid gedeeld door de metabole energiekosten maal 100%) bedraagt dus 20%. De hier berekende waarde is natuurlijk niet bijzonder nauwkeurig aangezien er gemiddelde waarden uit verschillende datasets gebruikt worden. Toch is de uitkomst redelijk in lijn met onderzoeken op dit terrein. Rendementen bij het gaan met comfortabele gangsnelheden (3) liggen tussen de 20 en 25% . Van de metabool geleverde energie wordt dus >slechts= een vijfde deel omgezet in arbeid. Aangezien de externe arbeid verwaarloosbaar klein is, wordt al deze arbeid intern geleverd (op de lichaamssegmenten) De overige 80% van de metabole brandstof wordt gebruikt voor centrale processen als bijvoorbeeld ademhaling en circulatie of wordt omgezet in warmte. De omzetting in warmte komt grotendeels voor rekening van optredende excentrische spiercontracties. Excentrische contracties kosten wel metabole energie, maar leveren geen positieve arbeid. Een excen-

e


trische contractie ontneemt een lichaamsdeel juist een deel van zijn kinetische energie (afremmen). De bewegingsenergie wordt daarbij omgezet in warmte. Dergelijke contracties zijn nuttig indien iemand landt na een sprong of onder andere omstandigheden waarbij het lichaam of lichaamsdelen moeten worden afgeremd. In situaties waarin het doel juist is positieve arbeid te leveren, zoals bij het inzetten van de sprong, zijn excentrische contracties in principe niet gewenst. De metabole kosten van het leveren van een zekere hoeveelheid negatieve arbeid via een excentrische contractie, liggen overigens wel veel lager dan bij het leveren van eenzelfde hoeveelheid positieve arbeid (5) via een concentrische contractie . De verliezen kunnen verder nog worden beperkt door de >opslag= van energie in pezen. Bij het gaan wordt er vrijwel geen externe arbeid geleverd, maar is het wel de bedoeling om intern positieve arbeid te leveren. Ook bij deze bewegingsvorm lijken excentrische contracties dus niet erg doelmatig. Toch treden dergelijke contracties wel degelijk op. Het bekendste fenomeen in dit verband is de knieflexie direct na hielcontact (figuur 6). Figuur 6 Direct na hielcontact is er sprake van een excentrische contractie van de kniestrek kers. Deze excentrische contractie onttrekt kinetische energie aan het lichaam.

De reactiekracht verloopt in deze fase dorsaal van het kniegewricht. De optredende kniebuiging wordt in deze fase gereguleerd door een excentrische contractie van de kniestrekkers. De reden dat deze excentrisch gereguleerde knieflexie wordt uitgevoerd is gelegen in de noodzaak om de schok van de landing op het standbeen te reduceren. In deze fase wordt kinetische energie onttrokken aan het systeem en omgezet in warmte. Deze verliezen blijken af te hangen van de staplengte. Hoe groter de stap hoe groter de verliezen. Kleine stappen zijn in dit opzicht dus gunstiger dan grote. Daar staat natuurlijk tegenover dat kleine stappen bij een bepaalde gangsnelheid om een hogere stapfrequentie vragen. Een hogere stapfrequentie vraagt om grotere versnellingen van het zwaaiende been die met behulp van spierkracht moeten worden (2) gerealiseerd. Dit werkt weer kostenverhogend . Op dit optimalisatie vraagstuk komen we in een toekomstige aflevering van deze rubriek nog een keer uitgebreid terug.

Cost of transport Het berekenen van het rendement bij het gaan op bovengenoemde wijze is een ingewikkeld proces. Het meten van de metabole inspanning is nog betrekkelijk eenvoudig, maar het vastleggen van de geleverde interne arbeid bij het gaan is een complexe zaak. Alle verplaatsingen van de lichaamsdelen moeten nauwkeurig worden vastgelegd om de schommelingen in energie-inhoud te kunnen berekenen. De meeste onderzoekers die belangstelling hebben voor het rendementsvraagstuk bedienen zich om die reden graag van een andere en eenvoudiger te bepalen maat. De metabole kosten worden hierbij niet gedeeld door de geleverde arbeid, maar door de afgelegde weg. De efficiëntie van het gaan wordt dan dus uitgedrukt in de metabole kosten van het gaan per meter afgelegde weg. Genormaliseerd voor lichaamsgewicht levert dit een uitkomst op in cal/kg/m. Deze methode voor het weergeven van de efficiëntie is ook gangbaar bij motorvoertuigen. Ook hier spreken we van een verbruik van bijvoorbeeld 1 op 12. Met 1 liter benzine kan een auto in dat geval 12 km afleggen. Deze maat is gemakkelijker te interpreteren dan een zuiver mechanisch rendement waarin de energie-inhoud van de brandstof wordt vergeleken met de geleverde arbeid door de motor. De rendementen van een verbrandingsmotor en de menselijke motor liggen overigens op een vergelijkbaar niveau. Ook bij een verbrandingsmotor wordt ongeveer 20 tot 25% van de energie-inhoud van de (9) benzine omgezet in bewegingsenergie. De overige 75 tot 80% wordt omgezet in warmte . Bij motorvoertuigen is de efficiëntie, in termen van de afgelegde weg per liter brandstof, snelheidsafhankelijk. Een auto rijdt het zuinigst bij snelheden rond de 80 km/h. Zowel langzamer als sneller rijden leidt tot hogere brandstofkosten per kilometer. Bij het gaan is dat ook het geval. Figuur 7 toont een grafiek waarin de metabole kosten (cal/kg/m) zijn weergegeven voor verschillende gangsnelheden. Uit de vorm van de curve valt direct op te maken dat ook bij het menselijke gaan geldt dat er een, voor elk individu iets andere, meest efficiënte snelheid bestaat. Gangsnelheden die lager of hoger

e


liggen, leiden tot hogere metabole kosten per meter afgelegde weg. Mensen blijken helemaal vanzelf deze meest rendabele gangsnelheid te kiezen indien er geen omstandigheden zijn (zoals een trein die op het punt staat te vertrekken) die ze tot andere keuzes doen besluiten. Het lijkt wel alsof wij een soort economy meter ingebouwd hebben die ons helpt deze meest rendabele snelheid te vinden. De meest efficiënte snelheid bedraagt voor het individu in dit voorbeeld 80 m/min (4,8 km/h). Het verbruik bedraagt hierbij ongeveer 0,7 cal/kg/m. Deze waarde kan worden omgerekend naar een metabool vermogen (per minuut), door de waarde te vermenigvuldigen met de gangsnelheid. Dit levert een vermogen op van 56 cal/kg/min. Deze waarde is in overeenstemming met de eerdere schatting van de energiekosten bij comfortabele gangsnelheden van 55-65 cal/kg/min. Het gaan met hogere of lagere snelheden verhoogt het energieverbruik per meter afgelegde weg. Uit het feit dat de grafiek in de buurt van het optimum redelijk vlak verloopt, kan worden opgemaakt dat kleine afwijkingen van de optimale snelheid niet direct tot dramatische kostenstijgingen leiden. Het effect op het geleverde vermogen bij hogere of lagere gangsnelheden is verschillend. Bij een gangsnelheid van 40 m/min bedragen de kosten per meter ongeveer 0,9 cal/kg. Het vermogen dat daarbij geleverd wordt bedraagt dus 36 cal/kg/min. Bij een gangsnelheid van 120 m/min liggen de kosten per meter net boven de 0,8 cal/kg. Het vermogen bij deze snelheid bedraagt dus ongeveer 100 cal/kg/min.

Figuur 7 De metabole kosten van het gaan uitgedrukt in kosten per kg. lichaamsgewicht en per meter afgelegde weg (Verdere verklaring in de tekst). Overgenomen en bewerkt uit (3)

De conclusie dat het te leveren metabole vermogen toeneemt met de gangsnelheid hadden we in dit artikel natuurlijk al eerder getrokken. De door mensen van nature gekozen gangsnelheid blijkt niet gedicteerd te worden door de wens om te minimaliseren op het te leveren vermogen, maar is gebaseerd op de overweging om de metabole kosten voor het afleggen van een bepaalde afstand te beperken. Een prachtig voorbeeld van het overal in de levende natuur aanwezige minimum principe.

De invloed van staplengte en stapfrequentie Een vraag die met het bovenstaande nog onbeantwoord blijft, is welke combinatie van staplengte en stapfrequentie iemand kiest. De meest rendabele snelheid uit ons voorbeeld kan bijvoorbeeld worden bereikt met een stapfrequentie van 100 en stappen van 80 cm, maar ook met de combinatie 200/40 of 80/100. Iedereen zal wel aanvoelen dat niet elke keuze tot dezelfde energiekosten zal leiden. Onderzoek op dit gebied leert ons inderdaad het volgende. Mensen kiezen bij de comfortabele gangsnelheid, maar

e


ook bij elke andere snelheid, helemaal vanzelf de energetisch meest efficiënte stapfrequentie. Figuur 8 toont een grafiek waarin het metabole vermogen wordt weergeven van een proefpersoon die loopt met een (1) snelheid van 1,5 m/sec (5,4 km/h) . Met behulp van een lopende band en een metronoom is het metabole vermogen bepaald bij verschillende schredefrequenties. De loopband blijft dus op een constante snelheid, maar de proefpersoon kiest op geleide van de metronoom lagere of hogere schredefrequenties. Uit de grafiek blijkt dat de optimale schredefrequentie ongeveer 1 Hz. bedraagt. Dit is de frequentie die de proefpersoon ook spontaan kiest bij deze snelheid. De bijbehorende schredelengte is dan 1,5 meter (staplengte 75 cm). Zowel hogere als lagere frequenties verhogen het metabole vermogen dat nodig is om dezelfde gangsnelheid te behalen. Figuur 8 De relatie tussen het metabole vermogen en de gekozen schredefrequentie bij een vaste gangsnelheid (verdere verklaring in de tekst). Overgenomen en bewerkt uit (1)

Deze wetmatigheid gaat, zoals gezegd, op bij elke gangsnelheid. Samenvattend betekent dit dus dat er een per persoon unieke gangsnelheid is waarbij de energiekosten per meter afgelegde weg het geringst zijn (de comfortabele gangsnelheid). Bij deze snelheid hoort een unieke stapfrequentie om dit minimum te bereiken. Zodra iemand zijn gangsnelheid vanaf deze meest rendabele snelheid verhoogt of verlaagt, gaat dit gepaard met een verlaging van het rendement per meter. Bij elke gekozen snelheid blijft echter gelden dat deze bereikt wordt met het voor die snelheid laagst mogelijke vermogen (en dus ook de laagste kosten per meter afgelegde weg voor die snelheid) doordat steeds de meest rendabele combinatie van stapfrequentie en staplengte gekozen wordt. Wijzigingen van de spontaan gekozen stapfrequenties bij een ongewijzigde gangsnelheid leiden tot een verhoging van de kosten per meter afgelegde weg. (6) Met behulp van de figuren 9 tm 11 , wordt dit nogmaals toegelicht. In figuur 9 staat de stapfrequentie op de x-as uitgezet tegen de staplengte op de linker y-as. Het product van deze twee is de gangsnelheid. Punten met een gelijke gangsnelheid liggen op dezelfde hyperbool. De bijbehorende snelheden worden op de rechter y-as weergegeven. De punten a, b en c liggen bijvoorbeeld allemaal op de lijn 60 m/min, maar corresponderen met heel verschillende combinaties van staplengte en stapfrequenties.

Figuur 9 Gangsnelheden weergegeven als het product van verschillende stapfrequenties en staplengten. Overgenomen en bewerkt uit (6). Verdere verklaring in de tekst.

e


In figuur 10 is aangegeven welke combinatie van staplengte en stapfrequentie een proefpersoon bij elke snelheid spontaan kiest. Deze gegevens kunnen worden verzameld door iemand op een lopende band te laten lopen, de stapfrequentie te bepalen (bijvoorbeeld met sensoren onder de schoen) en de snelheid van de band langzaam op te voeren.

Figuur 10 De spontaan gekozen s/n verhoudingen bij elke snelheid zijn met elkaar verbonden. Overgenomen en be werkt uit (6). Verdere verklaring in de tekst.

In figuur 11 is het energieverbruik per kilogram lichaamsgewicht en per meter afgelegde weg toegevoegd. De kleinste ovaal (het gebied dat 100% wordt genoemd) correspondeert met de laagst gemeten energiekosten per meter afgelegde weg. Het verbruik per meter neemt toe naarmate de proefpersoon verder verwijderd raakt van dit gebied.

Figuur 11 De energiekosten per meter afgelegde weg uitgedrukt als een percentage van de minimale enrgiekosten (100%). Overgenomen en bewerkt uit (6). Verdere verklaring in de tekst.

e


Met behulp van deze weergave kan worden vastgesteld dat de vrij gekozen staplengte/stapfrequentie bij elke snelheid steeds zodanig is dat de kosten per meter afgelegde weg het laagst zijn. Alle overige punten op de zelfde snelheidslijn liggen altijd verder verwijderd van het minimaal mogelijke verbruik dan de spontaan gekozen s/n combinatie. De comfortabele gangsnelheid met de laagst mogelijke kosten per meter afgelegde weg blijkt bij deze proefpersoon 85 m/min te bedragen. De gekozen staplengte bedraagt dan ongeveer 75 cm en de stapfrequentie ligt rond de 113 stappen per minuut. Deze combinatie van snelheid en s/n verhouding ligt precies in het midden van het 100% niveau. Het gaan met elke andere snelheid leidt altijd tot hogere kosten. Bij elke andere snelheid wordt echter wel weer de meest rendabele s/n verhouding gekozen. Bestudering van de gekozen s/n combinaties bij de verschillende snelheden leert dat de proefpersoon op lage gangsnelheden (tot ongeveer 35 m/min, zijn snelheidsverhoging uitsluitend haalt uit het vergroten van de paslengte bij een gelijke stapfrequentie. Vanaf dit snelheidsniveau wordt bij verhoging van de snelheid gekozen voor zowel vergroten van de stap als verhogen van de frequentie. De proefpersoon blijkt beiden zodanig te verhogen dat er een vrijwel onveranderde verhouding tussen s en n gehandhaafd blijft (de gekozen combinaties liggen immers op een vrijwel rechte lijn). Deze verhouding (staplengte in cm gedeeld door aantal stappen per minuut) ligt tussen 0.6 en 0.7. De vraag waarom er voor elke snelheid een optimale stap frequentie bestaat en waarom de metabole kosten stijgen indien daarvan wordt afgeweken, is met bovenstaande constateringen natuurlijk nog niet beantwoord.

Discussie Mensen blijken uitstekend in staat om spontaan rendabele gangsnelheden en stapfrequenties te kiezen. Dit illustreert treffend dat bewegen als middel om af te vallen nooit een overweging is geweest in evolutionaire processen. Levende organismen hebben hun evolutionaire succes juist (ondermeer) te danken aan het vermogen om efficiënt om te gaan met energie. Deze fantastische eigenschap van ons bewegingsapparaat lijkt zich nu tegen ons te keren. Overgewicht is een probleem dat bij in het wild levende organismen volkomen onbekend is. Alleen huisdieren en westers levende mensen kunnen er aan lijden. Het vermogen van ons lijf om overmatig geconsumeerd voedsel in de vorm van lichaamsvet op te slaan voor consumptie op een later tijdstip was een nuttige eigenschap in een periode dat we om moesten kunnen gaan met periodes van voedseloverschot en voedselschaarste. Het gebrek aan schaarste speelt ons nu parten. Er zijn veel goede redenen om een actievere levensstijl te propageren. Het is vooral voor de integriteit van het bewegingsapparaat zelf van belang om voldoende te bewegen. Als instrument in de strijd tegen overgewicht moeten de verwachtingen rondom bewegen echter niet al te hoog gespannen zijn. Een substantiële verhoging van de energiebehoefte door lichaamsbeweging vraagt langdurige lichamelijke inspanning. Het is misleidend om mensen het beeld voor te houden dat tweemaal per week een uurtje fitness veel zal bijdragen aan het vermageren. Het door Becel voorgestelde streefdoel van 10.000 stappen per dag komt bij een stapfrequentie van rond de 110 stappen per minuut neer op een wandeling van anderhalf uur. Indien iemand zijn dagelijkse hoeveelheid stappen zou uitbreiden met deze 10.000 stappen is er sprake van een extra verbranding van ongeveer 270 Kcal. Het gewichtsverlies dat dit per dag oplevert bedraagt ongeveer 27 gram. Een gewichtsverlies van een kilogram bereiken vraagt (zonder dieet) dus ruim 5 weken lang een extra dagelijkse wandeling van anderhalf uur. Voor de revalidatie zijn er ook lessen te leren uit het bovenstaande. Ook mensen met functiebeperkingen zullen trachten het voortbewegen zo efficiënt mogelijk uit te voeren. Zij hebben echter te maken met een aantal keuzebeperkende randvoorwaarden. Binnen deze randvoorwaarden maken ook zij echter optimale keuzes. De aard van de randvoorwaarden kan sterk verschillen. Zo kunnen bijvoorbeeld factoren als angst en onzekerheid maken dat mensen de voorkeur geven aan lagere snelheden en kleinere passen. In het licht van het voorgaande hebben, onder dergelijke omstandigheden, opmerkingen als: loop eens wat door of maak de passen eens wat groter weinig betekenis. De patiënt zou daar ongetwijfeld graag voor kiezen, maar maakt door de angst of onzekerheid andere keuzes. Het doel van de therapeut zou moeten zijn de voorwaarden te verbeteren. Indien hij er in slaagt de angst te reduceren zal het gangbeeld spontaan in de meer rendabele richting wijzigen. Een ander voorbeeld van het verbeteren van randvoorwaarden ligt op het gebied van beperkte mobiliteit. Een patiënt met een beperkte heupextensie zou wellicht het meest efficiënt lopen met staplengten die hij door de beperkte heup niet meer halen kan. Het trainen op het maken van grotere passen heeft dan

e


natuurlijk geen zin. Binnen de gegeven randvoorwaarden maakt de patiënt goede keuzes. Na een geslaagde mobilisatie van de heup kiest een dergelijke patiënt zonder verdere aanwijzingen van de therapeut spontaan voor grotere passen indien zijn voortbewegen daar efficiënter van wordt. Het gegeven dat mensen kiezen voor de meest rendabele gangsnelheid in termen van de laagste metabole kosten per meter afgelegde weg, is alleen geldig indien het vermogen dat daarbij geleverd moe worden ook op een comfortabele wijze geleverd kan worden. Gaan met de meest rendabele gangsnelheid vraagt een hogere vermogensleverantie dan langzamer gaan. Bij een gangsnelheid lager dan de comfortabele gangsnelheid levert iemand weliswaar een lager vermogen, maar omdat dit lagere vermogen voor het overbruggen van een bepaalde afstand langduriger geleverd moet worden vallen de totale metabole kosten op de afgelegde afstand toch ongunstiger uit dan bij het gaan met de meest efficiënte gangsnelheid. Het te leveren vermogen bepaalt echter in hoge mate de ervaren inspanning. Bij patiënten met een ernstig beperkt inspanningsvermogen (zoals bijvoorbeeld patiënten met emfyseem) kan het voorkomen dat het vermogen, dat noodzakelijk is om op de meest rendabele snelheid te gaan, aan de grenzen ligt van hun maximaal te leveren vermogen. Onder dergelijke omstandigheden speelt het te leveren vermogen een belangrijker rol in de keuze van de gangsnelheid dan het rendement. De trage gangsnelheid met veelvuldige pauzemomenten die zo kenmerkend is voor patiënten met ernstig emfyseem is dus gebaseerd op de noodzaak om het te leveren vermogen te beperken. Dit resulteert uiteindelijk wel in hogere metabole kosten om een bepaalde afstand af te leggen. LITERATUUR 1.

Alexander R. Mcneill energetics and optimization of human walking and running: The 2000 Raymond Pearl Memorial Lecture. American journal of human biology 14: 641-648 (2002)

2.

Donelan J.M., Kram R., Kuo A.D. Mechanical work for step to step transitions is a major determinant of the metabolic cost of human walking. Journal of Experimental Biology 205, 3717-3727 (2002)

3.

Inman V.T. et al Human Walking Wiliams & Wilkins ISBN 0 683 04348 X 1981

4.

Lazzer S. et al. Assesement of energy expenditure associated with physical activities in free living obese and nonobese adolescents Am J Clin Nutr 2003;78:471-9.

5.

Leeuwen J.L. van Muscle function in locomotion in: Mechanics of anaimal locomotion red. Alexander R. Mcn Advances in comparative and enviromental physiology. Vol 11: 191-250. Springer, Heidelberg (1992)

6.

Rozendal R.H. Inleiding in de kinesiologie van de mens Stam technische boeken. e 3 druk 1974 ISBN 90 11 41665 1

7.

Riezebos C. Afvallen: Dieet versus bewegen. Versus Tijdschrift voor fysiotherapie 2004 nr 5. Internet 8.

http://www.calorietabel.nl (energie inhoud marsreep)

9.

http://nl.wikipedia.org/wiki/Rendement_(rendement verbrandingsmotor)

10.

www.Becel.nl (stappenteller)

e


Versus Tijdschrift voor Fysiotherapie, 23 e jrg 2005, no. 6 (pp )

Recommend Documents