Je leest:

Olympische natuurkunde

Olympische natuurkunde

Auteur: | 5 augustus 2004

Ze zullen het niet beseffen, maar sporters zijn wetenschappers. Hoe hard ze schieten, zwemmen, lopen of gooien, wordt bepaald door natuurwetten. Echte kampioenen tarten die wetten en zetten ze soms naar hun hand.

Niets lijkt eenvoudiger dan het benutten van een strafschop. Een bal die met een snelheid van 90 km/h wordt ingeschoten legt de elf meter tot de doellijn af in 0,45 seconde, terwijl een keeper tussen de 0,5 en 0,7 seconde nodig heeft om vanuit het midden van zijn doel de hoek te bereiken. Als de strafschop hard en precies in de hoek wordt geplaatst, is de keeper dus kansloos.

Klare taal. En al ver voor het Nederlandse strafschoppendrama tijdens Euro 2000 verwoord in het boek De bal is niet rond. De auteur daarvan, Frank van Kolfschooten, heeft het bij het rechte eind. Het lag echt aan onze voetballers. Keepers horen kansloos te zijn bij het nemen van strafschoppen. De regel is dat een doelman pas van zijn plaats mag als de bal is geraakt. Binnen een halve seconde redt hij dat nooit. Er is alleen al 0,15 tot 0,2 seconde nodig om in beweging te komen. Dat is de minimale reactietijd. En vervolgens moet je ook nog naar de hoek duiken.

Dat er af en toe toch strafschoppen worden gestopt, komt doordat een speler te zacht schiet of doordat de keeper zijn bewegingen doorziet voordat de bal geraakt wordt. Onderzoek tijdens voetbaltoernooien wees uit dat keepers informatie halen uit de hoek waaronder de aanloop wordt genomen en de bewegingen van de voetballer. Met name kijken ze naar heupen, benen en voeten. Daarna ook naar schouderbewegingen. Ervaren voetballers horen dat te weten en moeten in staat zijn met subtiele schijnbewegingen een doelman op het verkeerde been te zetten.

Aan de faculteit voor bewegingswetenschappen aan de universiteit van Wales Swansea onderzoekt men o.a. hoe de beweging van een voetballer die een strafschop neemt verraadt in welke hoek hij mikt. In dit onderzoek wordt o.a. gefilmd hoe een proefpersoon een penalty te schiet. Aan de hand van de lichtgekleurde “dots” op zijn lichaam (zie afbeelding) kan dan vervolgens met de computer de relatie tussen zijn aanloophoek, de stand van zijn lichaam en de hoek waarin hij probeert te schieten onderzocht worden. beeldmateriaal van de University of Wales Swansea

Voetbal is maar een van de sporten waarbij het aankomt op techniek, timing en coördinatie van bewegingen. Bij tafeltennis luistert het nog nauwer. Daarbij nadert het balletje met snelheden van rond de zestig kilometer per uur. Doordat de tafel zo klein is heb je slechts 25 tot 40 milliseconden om hem te raken. Om hem goed te kunnen retourneren is het dus nog belangrijker om te weten wanneer een beweging moet worden ingezet.

Praktijk verslaat theorie

“Alle sporters beoefenen natuurkunde, alleen beseffen de meesten dat niet,” zegt Gilles Dietrich, van het Institut National du Sport et de l’Education Physique (INSEP) in Frankrijk. “Kijk maar eens naar hoogspringen. Net als bij andere sporten geldt daarbij dat chemische energie van het lichaam wordt omgezet in beweging. Die kinetische energie moet worden gebruikt om de potentiële energie te evenaren die geldt voor een lichaam ter hoogte van de lat. In formulevorm kun je dat precies uitrekenen. Je moet nog even rekening houden met het zwaartepunt van de atleet, dat zich voor de sprong al op ongeveer een meter hoogte boven de grond bevindt. Maar met die correctie erbij kom je tot een wiskundige vergelijking waarmee iedere sprong is vastgelegd. Althans, in theorie. In de praktijk spelen veel meer factoren een rol. Zoals de bewegingen van handen en voeten, de manier van afzetten, en ook de techniek van de sprong.”

Alain Durey, docent en onderzoeker aan de technische hogeschool van Cachan, kan dat laatste beamen: “De bewegingen van een atleet vormen een ongelooflijk complex geheel, dat je als onderzoeker nooit in een simpele formule kunt vatten. Daarom verzinnen sportlaboratoria nieuwe methoden of technieken. Maar telkens opnieuw zullen ze worden verrast door toevallige verbeteringen door topsporters.”

Richard Fosbury introduceerde tijdens de Olympische Spelen van 1968 een compleet nieuwe manier van hoogspringen: de “Fosbury Flop”. Bij de “Fosbury Flop” hoeft de hoogspringer zijn zwaartepunt niet boven de lat te tillen om er overheen te komen, zodat hij met dezelfde energie veel hoger komt dan bij een “traditionele” sprong. Deze manier van hoogspringen bleek zo’n goede verbetering dat hij tegenwoordig nog steeds door bijna alle hoogspringers wordt gebruikt.

Een schitterend voorbeeld van zo’n verbetering staat op naam van Richard ‘Dick’ Fosbury. Tijdens de Olympische Spelen van 1968 introduceerde hij een geheel nieuwe manier van hoogspringen. Die heet nog steeds de ‘Fosbury Flop’. Vóór 1968 werd bij het hoogspringen eerst een been over de lat geslingerd. Daarna volgde zijdelings het lichaam. Fosbury bedacht iets nieuws en sprong achterover, met eerst zijn hoofd en daarna zijn gekromde rug en benen, over de lat. Op die manier haalde hij een hoogte van maar liefst 2,24 meter; goed voor een gouden medaille.

Fosbury’s tegenstanders waren verbijsterd omdat zoiets tot dan toe niet mogelijk leek. De Amerikaanse atleet haalde een truc uit met zijn zwaartepunt. Want op het moment dat hij zijn hoogste punt bereikte, hingen zijn handen en benen lager dan de lat. Daarmee lag het zwaartepunt van zijn lichaam niet boven, maar verscheidene centimeters onder de lat. Het gunstige resultaat was dat hij maar net zoveel energie hoefde te ontwikkelen als voor een lagere sprong. Dat tilde hem boven zijn tegenstanders uit. Tegenwoordig doet nagenoeg elke hoogspringer de ‘Fosbury Flop’ en staat het olympische record, van de Amerikaan Charles Austin, sinds de spelen van Atlanta op 2,39 meter.

Nog een voorbeeld van het belang van het menselijk lichaam boven de natuurwetten is speerwerpen. Door de stroomlijn en het hoge soortelijk gewicht van de speer speelt de luchtweerstand nauwelijks een rol en is zijn baan praktisch gelijk aan de beruchte ‘kogelbaan’ uit de schoolvraagstukjes. Om zo ver mogelijk te komen moeten projectielen onder een hoek van 45 graden worden afgeschoten. Maar bij speerwerpen is de praktijk ver van de veronderstellingen van de oude schoolmechanica verwijderd is. De beginsnelheid van de speer is namelijk nooit constant, maar hangt sterk af van de stijghoek.

Natuurkundig gezien is de ideale hoek waaronder een speer geworpen zou moeten worden (ongeveer) 45o

“Dat ligt aan de bouw van ons lichaam, waardoor de beweging van het werpen beter in de ene dan in de andere richting lukt,” zegt Durey. “In de praktijk vinden de beste worpen plaats onder een hoek van ongeveer 40 graden. Kleinere stijghoeken dan de ideale 45 graden vind je trouwens ook bij kogelstoten (37 graden) en honkbal (41 graden). In al die gevallen moeten sporters net zo lang oefenen totdat ze de ideale, bij hun lichaam passende prestatie bereiken. Maar dat is ook precies waar het om gaat, want dat is sport!”

Weg met het haaienpak?

Ondertussen blijven bewegingswetenschappers in samenwerking met topsporters aan prestatieverbeteringen werken. Met behulp van film, stroboscopische fotografie (waarbij de sluiter van een fototoestel open blijft staan en door middel van snel opeenvolgende lichtflitsen vele afbeeldingen op één opname worden gemaakt) en vervolgens computersimulaties moeten nog seconden en meters te winnen zijn. Of iedere wetenschappelijke vernieuwing ook tot een verbetering leidt, kun je tijdens deze Olympische Spelen bij het zwemmen zien. Zwemmers worden altijd gedwarsboomd door drie tegenwerkende krachten: de frontale weerstand, de golfweerstand en de wrijvingsweerstand. De eerste factor wordt verkleind door zo horizontaal mogelijk in het water te liggen. De golfweerstand wordt beïnvloed door de lichaamslengte. Des te langer de zwemmer, des te lager is zijn golfweerstand. Daarom proberen zwemmers zich ook bij iedere slag zo volledig mogelijk te strekken. De wrijvingsweerstand kan worden verkleind door een zo glad mogelijk lichaamsoppervlak. Veel mannelijke topzwemmers scheren bij belangrijke wedstrijden dan ook al hun zichtbare lichaamsbeharing af.

De “Fastskin”, ofwel het haaienpak; er is duidelijk te zien hoe de structuur van het pak (linksonder) de hydrodynamische eigenschappen van een haaienhuid (rechtsonder) probeert na te bootsen…

Veel zwemmers gebruiken nu het Fastskin, ofwel het ‘haaienpak’. Dat is het zwempak dat, strak over het lichaam getrokken, de hydrodynamische eigenschappen van een haaienhuid nabootst. De truc zit hem in minuscule groefjes aan de buitenkant. Die zorgen ervoor dat langsstromend water langer in een zogenaamde laminaire stroming tegen het lichaam blijft plakken, waardoor de zwemmer minder turbulentie en dus minder weerstand ondervindt. Speedo International, het bedrijf dat het haaienpak op de markt brengt, claimt een prestatieverbetering van drie procent. Dat is het verschil tussen goud of zilver. Overigens gelooft niet iedereen in het nieuwe pak. Want als de snelheid van de zwemmer niet optimaal is (te langzaam of te snel ten opzichte van de vorm en de grootte van de groefjes) zou er juist extra wrijving kunnen onstaan.

Resultaten van het haaienpak (rode lijn) t.o.v. die van een “traditioneel” zwempak (blauwe lijn). Zoals je kunt zien, ondervindt het haaienpak bij gelijke snelheden minder weerstand in het water dan het traditionele zwempak: dit betekent dat de zwemmer in het haaienpak met dezelfde inspanning als de zwemmer in het traditionele zwempak een hogere snelheid kan halen.

Kieren Perkins, in 1996 olympisch kampioen op de 1500 meter vrije slag, verfoeit het haaienpak. “Het zwembad dreigt een laboratorium te worden. Nog even en wetenschappers zijn belangrijker dan zwemmers,” brieste hij vlak voor de laatste Olympische Spelen in 2000. “Ik moet nu wel ook wel zo’n pak kopen, want ik ga mijn concurrenten natuurlijk geen voorsprong geven.”

Het wetenschappelijke zwempak leverde toen inderdaad diverse nieuwe records op. Maar hoe lang zullen die standhouden? Tien tegen één dat er wel weer een zwemmer komt die gewoon door zijn speciale lichaamsbouw of een betere techniek de records zal breken, al het gereken van wetenschappers ten spijt.

Literatuur

Bruno Clément: Quand le sport défie la physique; Ça m’intéresse, april 1995

Prof. dr. M. Minnaert: De natuurkunde van ’t vrije veld (3: Rust en beweging); W.J. Thieme, Zutphen

Broer Scholtens: Haaienzwempak kan zwemmer zelfs remmen; De Volkskrant, 25 maart 2000

Ian Stewart: The Interplanetary Olympics; Scientific American, augustus 1992

wetenschapsdocumentaire ‘overLeven’ (Canvas)

Dit artikel is een publicatie van Astronet.
© Astronet, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 05 augustus 2004

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.