13 september 2019

“Dit weekend is de finale van het WK Roeien in Oostenrijk. Let maar eens goed op de boeg van zo’n boot tijdens de race: bij elke haal gaat die verticaal op en neer en versnelt en vertraagt horizontaal. Wiskundige Miriam Loois legt uit waarom dat energie verspilt, en vertelt over onderzoek dat daar iets aan probeert te doen.”

Je leest:

Asynchroon roeien wil maar niet lukken

Asynchroon roeien wil maar niet lukken

Het zou harder moeten gaan, maar het werkt niet.

Auteur: | 30 augustus 2019
Arnout Jaspers

Het lijkt zo vanzelfsprekend: meerdere roeiers in één boot volgen precies elkaars bewegingen. Toch gaat asynchroon roeien in theorie harder. Om de menselijke factor uit te schakelen, zijn tests gedaan met kleine ‘rowbots’. Maar het blijft een open vraag of asynchroon roeien echt harder gaat.

Waarom zou het efficiënter zijn om asynchroon te roeien? Als de roeiers synchroon roeien heeft de boot geen constante snelheid, maar versnelt en vertraagt deze met iedere haal die de roeiers maken. Dat heeft twee oorzaken. De eerste oorzaak is dat de riemen maar een gedeelte van de tijd in het water zijn. In die fase wordt de boot voortgestuwd door de roeiers, en versnelt dus. In de fase dat de riemen uit het water zijn en weer worden teruggebracht in de beginpositie, is er geen aandrijving en vertraagt de boot door de waterweerstand.

Gastauteur Miriam Loois, statisticus en docent wiskunde, heeft een blog over Sport & Statistiek . Daarin belicht ze verrassende wiskundige en statistische aspecten van allerlei sporten. Vaak leidt dat tot het inzicht dat voor een eerlijker wedstrijdverloop de spelregels of de puntentelling veranderd zouden moeten worden.

Groot effect

De tweede oorzaak ligt minder voor de hand, maar heeft wel een groot effect. De roeiers bewegen tijdens één cyclus naar voren en naar achteren in de boot, omdat ze op een rolbankje zitten. Daardoor kunnen de roeiers ook hun beenspieren gebruiken, wat in feite bij de roeihaal het grootste gedeelte van de energie levert. Maar als de roeier de ene kant op beweegt, beweegt de boot in de tegengestelde richting. Hoewel boot en roeiers, vanaf de kant gezien, netto wel de hele tijd richting de finish bewegen, zit er een periodieke variatie in de snelheid van de boot en de snelheid van de roeiers die niet synchroon loopt.

Fysisch bekeken, komt dit door de behoudswet die geldt voor de impuls (massa x snelheid) van de boot inclusief roeier. Die zorgt ervoor dat als de impuls van de roeier toeneemt, de impuls van de boot afneemt. Als de roeiers, na het eind van hun haal, oprijden naar de achterkant van de boot (roeiers zitten immers met hun rug naar de vaarrichting), dan neemt hun snelheid ten opzichte van de oever af, dus moet de snelheid van de boot toenemen. De roeiers trekken in die fase als het ware de boot onder zich door bij het oprijden.

Afzetten tegen het voetenbord

De keerzijde is, dat de roeier zich bij het begin van de haal afzet tegen het voetenbord in de boot, zelf versnelt, en daardoor de boot afremt. Doordat de roeiers zich ten opzichte van de boot heen en weer bewegen, is het onvermijdelijk dat de snelheid van de boot varieert. Het effect is relatief groot omdat de massa van de roeiers een stuk hoger is dan de massa van de boot.

Dit (Engelstalige) filmpje illustreert het effect van het samenspel van krachten tussen de asynchrone aandrijving door de roeiers en de impulsuitwisseling tussen de roeiers en de boot op de bootsnelheid.

Zowel door de beweging van de roeiers als de discontinue aandrijving door de roeihaal varieert de snelheid van de boot, en dat is qua energie-efficiëntie ongunstig. Om te begrijpen waarom je beter met een constante snelheid kunt roeien moeten we de mechanica induiken. (zie het kader)

Smijten met je krachten

Roeiers leveren vermogen door kracht uit te oefenen op de riemen en het voetenbord. Deze kracht moet de weerstand van het water overwinnen, zodat de boot op gang blijft. Die weerstand neemt kwadratisch toe met de snelheid. Dat wil zeggen: als de boot twee keer zo hard gaat is de waterweerstand vier keer zo groot. Het vermogen (in watt, bijvoorbeeld) dat de roeiers moeten leveren om de waterweerstand te overwinnen is: kracht x snelheid van de boot.

Vergelijk nu twee situaties. In het eerste geval wordt geroeid met een constante bootsnelheid van 5 m/s gedurende 20 seconden. In het tweede geval roeien ze eerst 10 seconden 3 m/s en dan 10 seconden 7 m/s. In beide gevallen leggen ze 100 meter af. Maar wat is het gemiddelde vermogen dat geleverd moeten worden? De waterweerstand W is gelijk aan een constante C maal de snelheid in het kwadraat: W = C x v2.

Situatie 1: Snelheid 5 m/s, dus W = C x 5 2 = 25C. Het geleverde vermogen is de hele 20 seconden gelijk aan W x v = 25C x 5 = 125C.

Situatie 2: Snelheid in de eerste 10 seconden is 3 m/s, dus W = 9C, het vermogen is 9C x 3 = 27C. De tweede 10 seconden is de snelheid 7 m/s, dus W = 49C, het vermogen is 49C x 7 = 343C. Gemiddeld over 20 seconden is het geleverde vermogen (343C+27C)/2 = 185C, heel wat meer dan de 125C in situatie 1.

In situatie 1 leggen de roeiers dus met veel minder energie (vermogen x tijd) maar even snel de 100 meter af. Ditzelfde principe zorgt ervoor, dat elke ongelijkmatigheid in de snelheid, hoe kort die ook duurt, voor een roeier neerkomt op met je krachten smijten.

In de jaren ’80 werden er boten gebouwd met zogenaamde rolriggers. In normale roeiboten zitten de riemen en de plank (het voetenbord) waartegen de roeiers zich afzetten vast, en bewegen de roeiers naar voren en naar achteren. De rolriggers zorgden ervoor dat dit precies andersom was: de roeiers konden stil zitten, en het voetenbord en de plek waar de riemen aan de boot vastzitten bewoog. Hierdoor had de boot een constantere snelheid. En ging daarom ook een stuk harder. Deze uitvinding werd echter al snel verboden. Toch lijkt er nog een eenvoudige oplossing. Als de ene roeier naar voren beweegt moet de andere naar achter bewegen en vice versa. De roeiers bewegen dan asynchroon. Op die manier blijft de snelheid van de boot ook min of meer constant. Dat idee is al heel oud. In het volgende filmpje kun je zien hoe Londense roeiers dit in 1929 al in de praktijk proberen te brengen:

Twee ergometers

Toch is nooit in de praktijk aangetoond dat asynchroon roeien sneller gaat. De meest voor de hand liggende verklaring is dat mensen moeite hebben om asynchroon te roeien omdat het tegennatuurlijk is, zodat ze minder goed presteren. Dit hebben Anouk de Brouwer, Harjo de Poel en Mathijs Hofmijster, onderzoekers van de Faculteit Bewegingswetenschappen van de VU en de RUG in kaart gebracht door twee ergometers (roeimachines zoals in de sportschool) aan elkaar te koppelen. De weerstand van het vliegwiel lijkt op de waterweerstand. Verder werden de ergometers gekoppeld aan een demper. Deze demper zorgt ervoor dat net zoals in een roeibooit op het water, een deel van het geleverde vermogen verloren gaat als de ergometers bewegen. Paren van roeiers kregen de opdracht om een keer synchroon en een keer precies uit fase te roeien. De ergometer kan exact het vermogen meten dat de roeiers leveren, en het percentage van het vermogen dat wordt overgedragen aan het vliegwiel.

En wat bleek: de roeiers waren prima in staat om asynchroon te roeien. En daarbij ging er minder vermogen verloren. Bij synchroon roeien was het vermogen dat werd overgedragen aan het vliegwiel ongeveer 94% van het vermogen dat de roeiers leverden, bij asynchroon roeien 99%. Dit suggereert dat asynchroon roeien sneller zou moeten gaan.

Het nadeel van ergometers is, dat roeiers dan simpelweg een vliegwiel in beweging brengen, terwijl water waar je een roeiriem doorheen haalt zich in de praktijk wellicht heel wat ingewikkelder gedraagt. Daarom bouwden Jean-Philippe Boucher, Romain Labbé en Christophe Clanet een roeiboot na op een schaal van 1:10. Om ook de menselijke factor uit te sluiten en alle omstandigheden zoveel mogelijk constant te houden lieten ze robots roeien in de boot in een zwembad. De uitslag van de wedstrijd kun je in dit filmpje zien

De asynchroon roeiende robots hadden inderdaad een constantere snelheid. De fluctuaties rondom de gemiddelde snelheid waren ongeveer 2%, bij de synchroon roeiende robots was dit 12%. Maar zoals te zien is gingen de synchroon roeiende robots toch sneller! Strijd beslist? Toch niet, want er is ook kritiek. Hoewel de robots dezelfde beweging maken kan het toch zijn dat de synchroon roeiende robots meer vermogen leveren. Dan zijn de omstandigheden niet gelijk, en worden er appels met peren vergeleken. Ook roept hun verklaring wat vraagtekens op. Ze hebben het over een extra boost in de snelheid van de boot als de roeiers weer naar voren bewegen, tegen de vaarrichting van de boot in. Dat zorgt er inderdaad voor dat de boot wat extra versnelt zoals we eerder zagen, maar het omgekeerde geldt ook. Als de roeiers naar achteren bewegen terwijl de riemen door het water gaan zorgt de verplaatsing van het massamiddelpunt van de roeiers ervoor dat de boot juist iets vertraagt.

Dit krill-diertje (Meganyctiphanes norvegica) beweegt z’n pootjes asynchroon en zwemt daardoor efficiënter. Dit is een evolutionair argument dat ook asynchroon roeien efficiënter is.

Ook de biologie kan erbij worden gehaald. Krill, garnaalachtige zeedieren met pootjes, bewegen hun pootjes asynchroon en verplaatsen zich daardoor efficiënter door het water. Dit evolutionaire voordeel is weer een argument voor asynchroon roeien. Aan de andere kant is het wellicht mogelijk dat ingewikkelde stromingen langs de roeiriemen nadelig uitpakken, en stromingsleer erbij moet worden gehaald om het probleem op te lossen. Het laatste woord is er nog niet over gezegd. In de tussentijd houdt iedereen het waarschijnlijk bij de huidige techniek.

(met dank aan Mathijs Hofmijster voor zijn hulp en uitleg)

Bronnen

  • Row bots, J. Boucher e.a., Physics Today, 2017, 70(6), 82-83.
  • Don’t rock the boat: how antiphase crew coordination affects rowing, A. de Brouwer e.a., PloS one, 2013, 8(1), e54996.
  • Roeien: balanceren tussen kracht en techniek, M. Hofmijster.
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 augustus 2019

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.