Wereldrecord zwemmen dankzij biomechanica?

Door John Videler

 

Pieter van den Hoogenband kan van de natuur leren hoe hij zijn mooiste wereldrecord terug kan krijgen. Het koningsnummer bij het zwemmen is de 100 m vrije slag. Op zaterdag 22 maart 2008 bracht de Fransman Alain Bernard het wereldrecord bij de mannen op 47,50 s. Hij was daarmee 0.34 s sneller dan ‘onze’ Pieter. Hoe die dat record kan aanscherpen zal duidelijk worden wanneer we het verloop van een race analyseren en daarbij relevante kennis van de biomechanica van zwemmers uit het dierenrijk gebruiken om te zien waar het sneller kan.

 

De wedstrijd begin met een startduik. Vervolgens mogen de zwemmers maximaal 15 m onder water zwemmen en moeten ze de resterende 35 m naar het keerpunt aan het oppervlak afleggen. Na het keerpunt is het opnieuw toegestaan 15 m onder water te zwemmen. Tenslotte resten er 35 m tot de finish.

De startduik lijkt bij topzwemmers nauwelijks voor verbetering vatbaar, toch zijn er een paar zaken die we uit het gedrag van duikende dieren kunnen leren. Fervente duikers zoals pinguïns, jan van genten en ijsvogels spatten vrijwel niet bij het doorbreken van het wateroppervlak. Spattend water wordt tegen de zwaartekracht in omhoog gegooid. Dat levert weerstand op die ten koste gaat van de resterende snelheid onder water. Analyses van high speed films van startduiken laten zien waar verbetering mogelijk is. Duikende zoogdieren en vogels ademen maximaal uit voor ze onder water verdwijnen omdat ze daardoor minder sterk opdrijven. Opgeblazen longen verplaatsen meer water en de opdrijvende kracht is volgens Archimedes gelijk aan het gewicht van het verplaatste water. Met lege longen wordt de stuwkracht van de zwembeweging vooral gebruikt om de voorwaartse snelheid op te voeren en niet verspild aan correcties om op de juiste diepte te blijven. Wat is die juiste diepte?Proeven met vissen en met gestroomlijnde voorwerpen hebben aangetoond dat de weerstand bij voortbeweging op een diepte van meer dan drie maal de grootste diameter vijf maal kleiner is dan die aan het oppervlak. Dat komt door de golven die daar ontstaan. Het is dus gunstig om over de maximaal toegestane afstand op een kleine meter diepte te zwemmen. Onder water gebruiken wedstrijdzwemmers een soort dolfijnslag. Dolfijnen zwemmen met een verticale golfbeweging op het lichaam waarvan de amplitude naar achteren toeneemt. Bij de staart is de totale uitwijking van boven naar beneden ongeveer een derde van de lichaamslengte. Natuurlijke selectie heeft er vast voor gezorgd dat die waarde optimaal is. Tijdens het zwemmen onder water is het de moeite waard om vast te stellen op welk punt de actieve zwembeweging moet beginnen. De weerstand van het bewegende lichaam is namelijk veel (4-5 maal) groter dan dat van een uitgestrekt lichaam zonder beweging. Met behulp van kinematische analyse van high speed filmopnamen is dat punt goed vast te stellen.

De volgende 35 m moeten aan het oppervlak worden afgelegd. Vanwege de hoge golfweerstand zwemmen dieren daar vrijwel nooit. Zeeleeuwen doen het bij het zoeken naar een plek om het water te kunnen verlaten wanneer ze worden opgejaagd. Hun snelheid wordt er sterk door gereduceerd. Net als alle goed getrainde wedstrijdzwemmers gaan ze dan niet harder dan hun rompsnelheid die beperkt wordt door de maximale golfweerstand. Kleine schepen met sterke motoren gaan planeren over het oppervlak om nog sneller vooruit te komen, zwemmers kunnen dit niet. De rompsnelheid is afhankelijk van de lengte op de waterlijn: hoe langer hoe hoger. Gebaseerd op lichaamslengtes is die van Pieter 1.96 m s^-1 en die van Alain 1.97 m s^-1. Daar kan Pieter dus geen winst boeken, hooguit door te proberen minder te spatten, dat scheelt niet in de snelheid maar wel in het energieverbruik.

Die energie kan hij gebruiken bij het keerpunt. Daar komt het aan op kracht in de strekspieren van de benen en op techniek. De afzet dient zo lang en zo krachtig mogelijk te zijn. De lengte wordt bepaald door de beenlengte en door de hurkhouding met de voeten tegen de muur. Wanneer die zo diep mogelijk is kan de afzet langer worden en de bijbehorende versnelling groter. De klauwkikvors zet zich af tegen het water en hij heeft om die slag te verlengen een bekken dat langs de wervelkolom kan schuiven. Zwemmers hebben dat niet en moeten dus zo veel mogelijk hun gehele beenlengte benutten. Het is verder zaak om voor het keerpunt uit te ademen om zo de toegestane 15 m op de optimale diepte te zwemmen zonder extra opwaartse kracht.

De zwemsnelheid wordt beperkt door weerstand van het water. Onder water onderscheiden we de vorm– en de wrijvingsweerstand naast de geïnduceerde weerstand; aan het oppervlak komt daar de golfweerstand bij. De vormweerstand heeft zoals het woord al zegt te maken met de vorm van het lichaam. De vorm van een naald geeft de laagste waarden. Pieter lijkt meer op een naald dan zijn rivaal en heeft daardoor voordeel onder water. Snel zwemmende en vliegende dieren zijn gestroomlijnd, dat wil zeggen dat ze een vorm hebben die de laagste weerstand heeft met het grootst mogelijke volume. Dat is de vorm van een sigaar met een stompe voorkant en spitse achterzijde. De grootste dikte ligt op een derde van de lengte van voren en is ongeveer een kwart van de lengte. Wrijvingsweerstand ontstaat doordat het langsstromende water afgeremd wordt door het huidoppervlak. Een glad waterafstotend oppervlak heeft daar weinig last van. Snelle haaien hebben schubben met minuscule groefjes. De afmetingen en vorm van deze groefjes veranderen van voor naar achteren over het lichaam. Zo’n haaienhuid veroorzaakt onder water een vermindering van de wrijvingsweerstand met maximaal 9%. Haaienhuid zwempakken doen dat niet, ze hebben overal dezelfde schubben. Die pakken zullen de weerstand iets verhogen, maar dat merkt de zwemmer niet want de wrijvingsweerstand is heel klein ten opzichte van de totale weerstand. Geïnduceerde weerstand is het gevolg van de beweging die de voortstuwing veroorzaakt. Die is bij vissen naar schatting drie maal hoger dan de weerstand tijdens het uitglijden met een gestrekt lichaam. Zwemmend aan het oppervlak is de golfweerstand veruit de belangrijkste remmende kracht.

De tijden op de 100 m vrije slag die in 25 m baden worden gezwommen zijn sneller. Of dat komt door het grotere aantal keerpunten of door de dubbele afstand die onder water kan worden afgelegd (60 m i.p.v. 30 m), is een vraag die door bestudering van high speed filmopnamen met een camera in vaste positie beantwoord kan worden. De 100 m in een 50 m bad bestaat uit 70 m borstcrawl aan het oppervlak, in een 25 m bad is dat gereduceerd tot 40 m. Pieter kan de strijd om een wereldrecord beter aangaan in een 25 m bad. Daar kan hij bij de keerpunten en tijdens het onder water zwemmen tijdwinst halen. Ook in het Olympische 50 m bad hoeft hij de hoop op de herovering van de beste tijd niet op te geven. Gewoon de aanwijzingen uit het dierenrijk volgen.