Efficiëntie in Cyclische Sporten

Wetenschappelijk onderzoek
Wetenschappelijk onderzoek
Efficiëntie in
Cyclische Sporten
Door: D.A. Noordhof
een toename in efficiëntie.1
Samenvatting
Om prestaties in de wieler- en schaatssport beter te kunnen begrijpen wordt er gebruik
gemaakt van een vermogensbalansmodel. Een van de variabelen in dit model is de
efficiëntie, een belangrijke prestatiebepalende factor. Maar hoe bepalen we de efficiëntie
tijdens het fietsen en schaatsen en wat is de invloed van verschillende factoren, zoals het
dag-nacht ritme van de atleet en de hoogte boven zeeniveau waarop gepresteerd wordt, op
de efficiëntie? Dit is onderzocht aan de hand van een serie experimenten.
Inleiding
Om prestaties in sporten zoals wielrennen en schaatsen te
kunnen verbeteren, moet het mechanisch vermogen dat de
atleet levert toenemen of het vermogen dat verloren gaat
aan wrijvingskrachten, zoals de luchtwrijving, verminderen. Wanneer we de vermogensverliezen buiten beschouwing laten, kan de atleet zijn prestatie enkel verbeteren
door een toename van het mechanisch vermogen. Het
mechanisch vermogen dat een atleet levert wordt bepaald
door de hoeveelheid metabole energie die in het lichaam
wordt vrijgemaakt uit de verbranding van voedingsstoffen
en door de efficiëntie (in het Engels de ‘gross efficiency’
(GE)) waarmee deze metabole energie wordt omgezet naar
mechanisch vermogen. Uit onderzoek blijkt dat de mens de
grens van de maximale metabole energie productie lijkt te
naderen1 en daarom verschuift de aandacht binnen de wetenschap richting efficiëntie. Zo is bijvoorbeeld de toename
in prestatie, bewerkstelligd met de komst van de klapschaats, te danken aan een toename in efficiëntie van
14,8% met de conventionele schaats naar 16,3% met de
klapschaats.2 Daarnaast is gebleken dat in de schaatssport
ongeveer de helft van de verbetering in wereldrecords over
de afgelopen 50 jaar te danken is aan technologische innovaties, zoals overdekte ijsbanen en de klapschaats, maar
dat de overige 50% waarschijnlijk deels te verklaren is door
1
Sport & Geneeskunde | maart 2014 | nummer 2
Het bepalen van de efficiëntie tijdens het fietsen en
schaatsen
De efficiëntie van een atleet
bepaald het mechanisch vermogen of de snelheid die de
atleet kan genereren op basis
van de metabole energie die is
vrijgemaakt uit de verbranding
van voedingsstoffen. Hoe hoger de efficiëntie hoe meer snelheid de atleet kan genereren met behulp van dezelfde metabole energie. Sporters
willen daarom een zo hoog als mogelijke efficiëntie, maar
hoe bepalen we de efficiëntie van atleten tijdens het fietsen
en schaatsen?
De fiets- of schaatsefficiëntie wordt bepaald op een submaximale snelheid, een snelheid waarop de sporter in
‘steady state’ is en de respiratoire gaswisselingsverhouding
(‘respiratory exchange ratio’ (RER)) gelijk is aan of kleiner
is dan 1,0.3 Tijdens het fietsen kan het mechanisch vermogen waarop de sporter rijdt ingesteld worden (zoals op een
fietsergometer) of worden gemeten met bijvoorbeeld een
SRM-systeem. Met behulp van zuurstofopnameapparatuur
kan de uitademingslucht geanalyseerd worden en vervolgens kan de efficiëntie bepaald worden aan de hand van
vergelijking 1.
GE =
mechanisch vermogen
metabool vermogen
. 100
Vergelijking 1
Het metabool vermogen kan bepaald worden door de ‘steady state’ zuurstofopname (), d.w.z. de gemiddelde over de
laatste 3 minuten van een 6 minuten durend inspannings-
blok op bijvoorbeeld 65% van het vermogen behaald bij de
maximale zuurstofopname (),3 te vermenigvuldigen met
het zuurstofequivalent, zoals beschreven in vergelijking 2.
Het zuurstofequivalent bepaalt de hoeveelheid energie die
met behulp van 1 liter zuurstof vrijgemaakt kan worden.
metabool vermogen = VO2 . (4940 . RER + 16040)
Vergelijking 2
In deze vergelijking wordt de uitgedrukt in L/s. Op deze
manier kan met behulp van een submaximaaltest, uitgevoerd op de fiets, de efficiëntie van een sporter bepaald
worden.
Tijdens het schaatsen is het bepalen van de efficiëntie lastiger, omdat het tot op heden niet mogelijk is om via een
directe methode het mechanisch vermogen dat een schaatser levert te meten. Aangezien enkele kinematische karakteristieken van de schaatshouding/techniek een relatie
lijken te hebben met de efficiëntie tijdens het schaatsen,4,5
geeft het bestuderen van de schaatshouding/techniek ons
inzicht in de schaatsefficiëntie. De volgende drie parameters bepalen in belangrijke mate de schaatshouding/techniek: de kniehoek (q0; figuur 1A), de romphoek (q1; figuur
1A) en de effectiviteit van de afzet (e; figuur 1B). Er wordt
vanuit gegaan dat de effectiviteit van de afzet, de hoek
tussen het afzetbeen en de horizontaal, gerelateerd is aan
de schaatsefficiëntie. Een kleine hoek tussen het afzetbeen
en de horizontaal betekend een effectieve afzet en dus een
hoge schaatsefficiëntie.4 De effectiviteit van de afzet kan
bepaald worden met behulp van een videocamera, die in
het verlengde van het rechte eind (waar de schaatsers niet
van baan wisselen) geplaatst wordt. Aan de hand van de
2-D pixelcoördinaten van het midden van het afzetbeen, ter
hoogte van de heup, en de punt van het ijzer kan de effectiviteit van de afzet bepaald worden. Het is hierbij belangrijk dat de hoogte van het statief waarop de camera staat
overeenkomt met de heuphoogte van de schaatsers en dat
de camera waterpas staat. Alleen wanneer voldaan wordt
aan deze voorwaarden is het mogelijk om de effectiviteit
van de afzet nauwkeurig te bepalen, zoals beschreven in
Noordhof et al.6
Het vermogensbalansmodel
Bij het gebruik van het vermogensbalansmodel (zie tekstvak 1) voor het simuleren van wedstrijdprestaties wordt er
Figuur 1. De kinematische karakteristieken van de
schaatshouding/techniek. A: De pre-extensie kniehoek (q0) en
romphoek (q1). B: De effectiviteit van de afzet (e) (afkomstig uit
Noordhof et al.6).
vanuit gegaan dat een aantal factoren, zoals het dag-nacht
ritme en de hoogte boven zeeniveau waarop gepresteerd
wordt, geen invloed hebben op de efficiëntie. Of deze aannames correct zijn is onderzocht aan de hand van een serie
experimenten.
Vermogensbalans
Een wielrenner levert een moment rond zijn trapas door op de pedalen
van zijn fiets te trappen. Dit moment en de trapfrequentie bepalen
samen het mechanisch vermogen dat de wielrenner levert. Het mechanisch vermogen dat de wielrenner levert (op een vlakke weg) is nodig
om de rolwrijving en de luchtwrijving te overwinnen. Wanneer het
mechanisch vermogen gelijk is aan de vermogensverliezen (rolwrijving
+ luchtwrijving) rijdt de wielrenner met een constante snelheid. In de
situatie dat het mechanisch vermogen geleverd door de wielrenner
groter is dan de vermogensverliezen zal de wielrenner versnellen en
wanneer de vermogensverliezen groter zijn dan het mechanisch
vermogen dan zal de wielrenner vertragen. Het weergeven van deze
situatie in een vergelijking (3), ziet er als volgt uit:
PO – Prol – Plucht =
dekin
dt
Vergelijking 3
In deze vergelijking is PO het mechanisch vermogen dat de wielrenner
levert (bijv. 400 W), Prol is het vermogen dat verloren gaat aan de
rolwrijving, Plucht het vermogen dat verloren gaat aan de luchtwrijving en de verandering in kinetische energie, oftewel de verandering
in snelheid van de wielrenner (positief = versnellen, negatief =
vertragen). Deze vergelijking wordt de vermogensbalans genoemd.
nummer 2 | maart 2014 | Sport & Geneeskunde
2
Wetenschappelijk onderzoek
Aanname 1: De efficiëntie bepaald tijdens
submaximale inspanning is constant over de dag
Door een groep proefpersonen drie keer een etmaal bij de
Vrije Universiteit (Amsterdam) te laten verblijven en om de
vier uur een inspanningstest te laten doen op een fietsergometer,3 is de eerste aanname onderzocht. In figuur 2 zijn
de gemiddelde efficiëntiewaardes van alle proefpersonen
voor de drie verschillende etmalen weergegeven. Er was
geen significant verschil aanwezig tussen de efficiëntiewaardes op de verschillende tijdstippen. We kunnen dan
ook concluderen dat er geen dag-nacht (circadiaan) ritme
aanwezig is in de efficiëntie. Wat betreft de efficiëntie zou
een sporter dus op ieder moment van de dag evengoed
moeten kunnen presteren. Echter, voor het leveren van een
goede prestatie is niet alleen de efficiëntie van belang,
waardoor een sporter wel degelijk een voorkeur kan hebben voor een bepaald tijdstip op de dag.
Figuur 2. De binnen-dag variatie in efficiëntie (GE).
Figuur 3. Het effect van relatieve inspanningsintensiteit op de efficiëntie
(GE; afkomstig uit de Koning et al.9). PPO, peak power output.
3
Sport & Geneeskunde | maart 2014 | nummer 2
Aanname 2: De efficiëntie is onafhankelijk van de hoogte
boven zeeniveau waarop de inspanning wordt geleverd
Of de efficiëntie onafhankelijk is van de hoogte boven zeeniveau waarop de inspanning wordt geleverd is onderzocht
in een studie waarbij een groep proefpersonen fietstesten
in het lab bij de VU moesten volbrengen (zeeniveau) en
fietstesten in een zogenaamde druktank (hypobare kamer)
op een gesimuleerde hoogte van 1,500 m (Centrum voor
Mens en Luchtvaart, Soesterberg).7 Uit eerder onderzoek is
bekend dat de en op hoogte lager zijn dan op zeeniveau.8
Om deze reden zijn de proefpersonen op eenzelfde relatieve
belasting getest. Dus op zeeniveau en op hoogte was de
mate van inspanning even zwaar. Vervolgens bleek dat de
efficiëntie significant lager was op hoogte dan op zeeniveau. Dit betekend dat een sporter met hetzelfde metabool
vermogen, dus minder mechanisch vermogen (of snelheid)
kan genereren op hoogte dan op zeeniveau. De oorzaak van
de lagere efficiëntie op hoogte, wanneer deze wordt bepaald op eenzelfde relatieve inspanningsintensiteit, is op
dit moment onduidelijk.7
Aanname 3: De efficiëntie bepaald tijdens een submaximale intensiteit is representatief voor de efficiëntie
gedurende een maximale en supramaximale intensiteit
GE neemt toe tot een inspanningsintensiteit van ongeveer
50% ‘peak power output’ (PPO), hierna blijft GE min of meer
constant (figuur 3).9 Het is dus belangrijk om de efficiëntie
op een zo hoog als mogelijke intensiteit te bepalen. Echter,
GE kan alleen nauwkeurig worden bepaald wanneer inspanning op een intensiteit beneden de ventilatoire drempel
wordt uitgevoerd, omdat er anders een late (secundaire)
toename in VO2 te zien zal zijn (de ‘VO2 slow component’)
en RER boven de 1,0 zal uitstijgen. Vanwege moeilijkheden
bij het bepalen van GE tijdens maximale en supramaximale
inspanning, is de derde assumptie in deze serie experimenten dan ook niet expliciet onderzocht.
Aanname 4: De efficiëntie blijft constant tijdens
vermoeiende inspanning
De vierde aanname is onderzocht doormiddel van een nieuwe methode10 waarmee meer inzicht in de efficiëntie tijdens maximale of supramaximale inspanning (bijv. een
tijdrit) verkregen kan worden. Met deze nieuwe methode
wordt de efficiëntie bepaald voor (GE-pre) en na (GE-post1
en GE-post2) een inspanningsblok op een zeer hoge intensiteit, waarna de efficiëntie geschat kan worden aan het
einde van het vermoeiende inspanningsblok (GE-extrap; zie
figuur 4). Uit de resultaten verkregen met deze methode
bleek dat de efficiëntie afnam tijdens tijdritten van diverse
lengtes (500 m tot 40,000 m).11 In figuur 4 is te zien dat de
afname in efficiëntie groter is voor relatief korte tijdritten
(500 m tot 4,000 m) dan voor de 15,000 m en 40,000 m
tijdritten. Dus wanneer sporters vermoeid worden, neemt
de efficiëntie (GE) af en deze afname in efficiëntie is het
grootst tijdens relatief korte all-out inspanningen. Aanname 4, de efficiëntie blijft constant tijdens vermoeiende inspanning, blijkt dus onjuist te zijn.
Aanname 4 onderzocht in de schaatssport
De fietsefficiëntie blijkt af te nemen tijdens tijdritten, maar
neemt de schaatsefficiëntie ook af tijdens wedstrijden? Dit
is onderzocht tijdens wereldbekerwedstrijden verreden in
Thialf (Heerenveen). Uit een eerste studie bleek dat de effectiviteit van de afzet (e) toenam gedurende een race en
dat deze toename geassocieerd kon worden met de afname
in snelheid tijdens het middelste gedeelte van een 5,000
m.6 Een afzet die minder effectief wordt gedurende de race
(toenemende e), oftewel een afname in efficiëntie, zorgt
ervoor dat de hoeveelheid mechanisch vermogen die nuttig
gebruikt kan worden voor het genereren van snelheid, afneemt. Een schaatser die over de gehele race blijft afzetten
in de goede richting en met een kleine e zal dus minder
snelheid verliezen dan een schaatser waarvan e toeneemt
over de race. In aanvulling op deze resultaten is onderzocht
of schaatsafstand (1,500 m vs. 5,000 m), geslacht en prestatieniveau invloed hebben op de onderlinge relatie tussen
veranderingen in kinematische karakteristieken en de verandering in snelheid. Hieruit bleek dat een toename in e
van één hoekgraad (minder effectieve afzet) bij de 5,000 m
resulteert in een afname in snelheid van 0.069 m/s en bij
de 1,500 m in een afname in snelheid van 0.011 m/s. Geslacht en prestatieniveau hadden geen substantiële invloed
op de relatie tussen veranderingen in kinematische karakteristieken en de verandering in snelheid. Dus een verminderde effectiviteit van de afzet over de race kan geassocieerd worden met de afname in snelheid en deze relatie is
hetzelfde voor mannen en vrouwen en voor A- en B-divisierijders. Hierbij moet wel opgemerkt worden dat de vrouwen t.o.v. de mannen en de minder snelle schaatsers t.o.v.
de snelste schaatsers een significant grotere e lieten zien
over de race. De resultaten van beide schaatsstudies suggereren dat aanname 4 ook voor het schaatsen onjuist is.
Het vermogensbalansmodel herzien
Samenvattend blijkt dat aannames 2 en 4, die ten grondslag liggen aan het bestaande vermogensbalansmodel,
Figuur 4. De efficiëntie voor en na tijdritten van verschillende afstanden. Het
gearceerde gebied representeert een van de verschillende tijdritten. pre, post1 en
post2 de efficiëntie bepaald op een submaximale intensiteit respectievelijk voor en
na een tijdrit.
niet valide lijken te zijn. Op basis van de besproken resultaten kan geconcludeerd worden dat het bestaande vermogensbalansmodel voor zowel fietsen als schaatsen aangepast moet worden. 12,13 In plaats van een constante
efficiëntie lijkt het beter om een dalende efficiëntie te gebruiken. Het bestaande vermogensbalansmodel was al uitermate geschikt om de invloed van fysiologische parameters, techniekvariabelen, materiaal en omgevingsfactoren
op de prestatie te onderzoeken, maar de voorgestelde aanpassing zal het model nog nauwkeuriger maken in het voorspellen van prestaties.
De beschreven serie experimenten levert naast deze aanpassing aan het vermogensbalansmodel een aantal relevante bevindingen op voor de sportpraktijk.
-- Wat betreft de efficiëntie hoeven atleten hun dagnacht ritme niet te verschuiven voor belangrijke
sportevenementen, aangezien de efficiëntie relatief
constant blijft over de dag.
-- Wanneer er op hoogte gepresteerd moet worden,
moet er rekening worden gehouden met een lagere
efficiëntie op eenzelfde relatieve belasting. Dus met
dezelfde metabole energie kan er op hoogte minder
mechanisch vermogen (of snelheid) gegenereerd
worden. Ondanks dat laten schaatsers op hoogte bij
korte en middellange afstanden toch snellere tijden
zien, dit is te danken aan de lagere luchtweerstand op
hoogte. Het zou kunnen dat hoogteacclimatisatie het
nummer 2 | maart 2014 | Sport & Geneeskunde
4
Wetenschappelijk onderzoek
Over de auteur
Dionne Noordhof heeft de
afgelopen 4 jaar promotieonderzoek verricht bij de Faculteit
der Bewegingswetenschappen
van de Vrije Universiteit (VU
Amsteram), wat resulteerde in
het proefschrift ‘Gross
Efficiency in Cyclic Sports –
The Underlying Assumptions
Investigated’, waarvan dit
artikel een kort overzicht geeft.
De komende jaren zal zij
onderzoek gaan doen naar
concurrent training (de
combinatie van kracht- en
duurtraining) bij het schaatsen
en als universitair docent
werkzaam zijn bij de Faculteit
der Bewegingswetenschappen
van de VU.
Dr. Dionne A. Noordhof
MOVE Research Institute
Amsterdam,
Faculteit der Bewegingswetenschappen,
Vrije Universiteit Amsterdam
Van der Boechorststraat 9
1081 BT Amsterdam
Tel: +31 (0) 20 59 88542
Fax: +31 (0) 20 59 88529
[email protected]
negatieve effect van acute hoogte op de efficiëntie verminderd.
-- Er is aangetoond dat de fietsefficiëntie en de
effectiviteit van de afzet tijdens het schaatsen
verslechteren tijdens hoog intensieve inspanning. Door training bewerkstelligde veranderingen in wedstrijdstrategie en techniek zouden invloed kunnen hebben op de afname in
efficiëntie.
-- Coaches en hun atleten moeten aandacht besteden aan het schaatsen met een kleine en
constante e, dit is vooral belangrijk voor de
minst snelle schaatsers, aangezien deze
groep over de gehele race een minder effectieve afzet laten zien. De door Noordhof et
al.6,14 beschreven 2-D bewegingsregistratiemethode kan gebruikt worden voor dit doel.
technique of speed skating. Int J Sport Biomech 1987;3:419–31.
6. Noordhof DA, Foster C, Hoozemans MJM, de Koning JJ.
Changes in speed skating velocity in relation to push-off
effectiveness. Int J Sports Physiol Perform 2013;8(2):188–94.
7. Noordhof DA, Schoots T, Hoekert DH, de Koning JJ. Is gross
efficiency lower at acute simulated altitude as compared to
sea level? Int J Sports Physiol Perform 2013;8(3):319-22.
8. Wehrlin JP, Hallén J. Linear decrease in VO2max and
wperformance with increasing altitude in endurance athletes.
Eur J Appl Physiol 2006;96:404–12.
9. De Koning JJ, Noordhof DA, Lucia A, Foster C. Factors
affecting gross efficiency in cycling. Int J Sports Med
2012;33(11):880–5.
10. De Koning JJ, Noordhof DA, Uitslag TP, Galiart RE, Dodge C,
Foster C. An approach to estimating gross efficiency during
high intensity exercise. Int J Sports Physiol Perform
2013;8(6):682-84.
Referenties
1. De Koning JJ. World records: how much athlete? How much
technology? Int J Sports Physiol Perform 2010;5(2):262–7.
2. Houdijk H, Heijnsdijk EAM, de Koning JJ, de Groot G, Bobbert
MF. Physiological responses that account for the increased
power output in speed skating using klapskates. Eur J Appl
Physiol 2000;83:283–8.
3. Noordhof DA, de Koning JJ, van Erp T, van Keimpema B, de
Ridder D, Otter R, et al. The between and within day variation
in gross efficiency. Eur J Appl Physiol 2010;109(6):1209–18.
4. De Koning JJ, de Boer RW, de Groot G, van Ingen Schenau GJ.
5
5. Van Ingen Schenau GJ, de Boer RW, de Groot G. On the
11. Noordhof DA, Mulder RCM, Malterer KR, Foster C, de Koning
JJ. Changes in gross efficiency in relation to time trial length.
Med Sci Sports Exerc 2013;45(5):S112.
12. De Koning JJ, Bobbert MF, Foster C. Determination of optimal
pacing strategy in track cycling with an energy flow model. J
Sci Med Sport 1999;2(3):266–77.
13. De Koning JJ, Foster C, Lampen J, Hettinga F, Bobbert MF.
Experimental evaluation of the power balance model of speed
skating. J Appl Physiol 2005;98(1):227–33.
14. Noordhof DA, Foster C, Hoozemans M JM, de Koning JJ. The
association between changes in speed skating technique and
Push-off force in speed skating. Int J Sport Biomech
changes in skating velocity. Int J Sports Physiol Perform In
1987;3:103–9.
Press.
Sport & Geneeskunde | maart 2014 | nummer 2

Download Report