Aerodynamica en biomechanica slaan de handen in elkaar
Een continuüm scheppen tussen het onderzoek in de biomechanica en metingen in de windtunnel. Dat is de doelstelling van het innoverende project dat de universiteit van Luik ontwikkelde ten behoeve van valide en gehandicapte sporters. Er ontstond een samenwerking tussen het 'Laboratoire d'analyse du mouvement humain' (LAMH) en het Wind Tunnel Lab (WTL) van de faculteit toegepaste wetenschappen en geneeskunde. Tot nog toe volgden beide disciplines hun eigen weg. De samenwerking betekent een doorbraak.
Onderzoek in de biomechanica beoogt de bewegingen van een sporter te optimaliseren, zodat zijn prestaties verbeteren en letsels vermeden worden. Met de windtunnel streeft men naar de beste aerodynamische efficiëntie geleverd door de sporter zelf, of door het koppel dat hij vormt met het materiaal eigen aan zijn discipline (fiets, ski's, bolide, ...).
Maar niet zelden zijn de aanbevelingen voor een optimale aerodynamische efficiëntie strijdig met wat experts vanuit de biomechanica voorschrijven. In dat geval moet een compromis worden gesloten. Zo plaatsen professionele wielrenners hun borstkas evenwijdig met de baan en hun hoofd op het niveau van het stuur als ze een afdaling aanvatten. Maar deze houding kan sommige spieren te sterk vermoeien en daardoor het prestatievermogen tijdens het vervolg van de wedstrijd in het gedrang brengen. "De doorgezakte houding is ingegeven door tests in de windtunnel op statische poppen die op schaal vervaardigd zijn (meestal verkleind tot OE), waaruit blijkt dat men zo sneller kan rijden", zegt Thomas Andrianne, directeur van het windtunnellabo van de universiteit van Luik. "Om die poppen te vervaardigen maken we scans van renners, die we gebruiken om met 3D-printing een schaalmodel te produceren."
Posities waarbij de renner veel kracht uitoefent op de pedalen, zijn geschikt voor de sprint, maar niet voor lange afstanden
Compromissen sluiten
Voor het project dat wordt opgezet met het LAMH, stelt het WTL voor de tests in de windtunnel dynamischer aan te pakken. In de categorie van de valide sporters, komen eerst de wielrenners aan bod.
"Tests met statische poppen vormen een goed uitgangspunt, maar we willen ook rekening kunnen houden met de beweging van de benen bij een sporter in levenden lijve. De beweging van de benen beïnvloedt de luchtstroom en dus de wrijving, die de rennen afremt. Dat is relevant voor de aerodynamische efficiëntie", weet Thomas Andrianne. "Bij wielrenners wordt tussen 50 en 90% van het geleverde vermogen omgezet in aerodynamische krachten. Een renner die dankzij een betere aerodynamica een aantal watt kan sparen, gaat sneller dan een tegenstrever die in een minder voordelige positie op zijn fiets zit." Krachtplatformen onder de fiets meten de wrijving.
Tegelijk komt het LAMH in beeld om biomechanische parameters op te nemen. In een eerste fase wordt gebruikgemaakt van krachtsensoren die zijn ingebouwd in de pedalen van de fiets, aangevuld met oppervlakte-elektromyografie (EMG). De krachtsensoren detecteren de kracht die de renner op de pedalen uitoefent in verschillende omstandigheden, naargelang de positie die hij inneemt en de windrichting. "Men kan zich posities voorstellen waarmee de renner veel kracht uitoefent op de pedalen, maar dat niet lang volhoudt, omdat de spieren te sterk op de proef gesteld worden", zegt ingenieur Cédric Schwartz, hoofd van het LAMH. "Die posities zijn geschikt tijdens een sprint, maar niet voor lange afstanden. Voor iedere situatie komt het erop aan een compromis te vinden tussen aerodynamische, biomechanische en fysiologische parameters."
Een gecombineerde evaluatie vanuit de verschillende invalshoeken is dus noodzakelijk. Met oppervlakte-elektromyografie kan men tijdens een beweging de spieractiviteit meten en nagaan welke spieren precies bij bewegingen betrokken worden. Men kan dus bepalen welke spieren op welk moment bijdragen tot een beweging, en met welke intensiteit. Kennis van die patronen maakt het mogelijk na te gaan of het proces zich bij een renner op de juiste manier ontrolt.
Momenteel is het niet mogelijk om in de windtunnel ook nog eens de gewrichtskinematica te bestuderen, met andere woorden: de verplaatsing, de snelheid en de versnelling van de verschillende lichaamsdelen (enkels, knieën, heupen) tijdens een beweging. De opto-elektronische uitrusting neemt immers te veel plaats in beslag. "We zullen voorlopig het protocol dat wordt gebruikt voor de tests in de windtunnel, nabootsen in het LAMH. Met andere woorden, dat aspect van de gegevensverzameling verloopt momenteel afzonderlijk. Maar we zoeken wel naar oplossingen om alles te combineren", geeft Cédric Schwartz aan.
Valide en gehandicapte sporters
In de eerste fase van het onderzoek zullen de experts van de universiteit van Luik zich niet alleen richten op valide renners maar ook op wielerdisciplines voor rolstoelsporters. Ook hier kan tijdens het sporten een belangrijke aerodynamische wrijving optreden. Men probeert dit tegen te gaan door op alle mogelijke niveaus in te grijpen: positie van de sporter, kledij, helm, materiaal zoals buizen en velgen, enzovoort. Aerodynamische aanhangsels worden echter door sportfederaties verboden.
"Voor een aerodynamische studie bij een sporter in beweging, spitsen we ons toe op het evalueren van hoogfrequente pedaalslagen bij valide sporters en van hoogfrequente armbewegingen waarmee gehandicapte sporters hun rolstoel voortbewegen", licht Thomas Andrianne toe. "In die omstandigheden worden hoge snelheden bereikt en worden de aerodynamische parameters relevant voor de prestaties. Op dat ogenblik leggen ook de biomechanische en fysiologische parameters bijzonder veel gewicht in de schaal. Daarom is het belangrijk de gegevens daarrond te koppelen aan de resultaten van tests in de windtunnel."
Al meer dan 20 jaar interesseren talrijke studies zich voor de aerodynamica van wielrenners, maar gehandicapte sporters worden stiefmoederlijk behandeld. De cijfers die Thomas Andrianne aanhaalt, spreken voor zich: er zit een factor honderd tussen onderzoek naar sport in de klassieke zin van het woord en sport voor gehandicapten. "Nochtans kan men even krachtig op de aerodynamische efficiëntie ingrijpen bij gehandicapte atleten als bij valide atleten", weet hij. Net daarom willen de Luikse onderzoekers de kloof tussen beide categorieën sporters op vlak van wetenschappelijk onderzoek dichtrijden.
Het gezamenlijk project van het LAMH en het WTL bevindt zich momenteel in een opstartfase. Valideringswerk is aan de gang. Daarom worden de tests voorlopig niet uitgevoerd bij topsporters, maar bij vrijwilligers.
Een prestigieus lab
Het LAMH kan op een stevige reputatie bogen. In oktober 2016 werd het door de FIFA uitgeroepen tot officieel excellence center, samen met SportS2, een andere structuur van de universiteit van Luik. Hier worden, ten behoeve van professionele sporters en amateursporters, een hele reeks competenties en tools samengebracht, die niet onder het LAMH vallen: orthopedische chirurgie, cardiologie, fysische geneeskunde, pneumologie-allergologie, kinesitherapie, isokinetische krachtmeting, bewegingsleer, psychologie van de sport, enzovoort.
"Topsporters, onder wie olympische medaillewinnaars, doen een beroep op ons lab en zijn vragende partij om deel te nemen aan de tests in de windtunnel. Ze steunen het concept van geïntegreerde aerodynamische en biomechanische testing. Nu we over de eerste resultaten met vrijwilligers beschikken, hebben we er vertrouwen in dat we ons programma met topsporters ten uitvoer zullen kunnen brengen. We moeten wel nog het protocol voor de topsporters afronden", zegt Cédric Schwartz.
Bredere noden
Voor gehandicapte sporters beperken de behoeften zich zeker niet tot het optimaliseren van de prestaties bij rolstoelsporters. Er is nood aan prothesen waarvan de vorm leidt tot een hogere aerodynamische efficiëntie - naargelang de sport die de atleet bedrijft -, terwijl ook op biomechanisch en fysiologisch vlak naar het optimum moet worden gestreefd. Op middellange termijn zal het gezamenlijke werk van het LAMH en het WTL zich dus uitbreiden naar andere sportieve disciplines dan wielrennen en wielerdisciplines voor rolstoelsporters. Bovendien zijn de onderzoekers van plan hun werk gedeeltelijk te richten op de preventie van blessures.
