Icon left Vorige Icon up Overzicht Volgende Icon right

Verende hardloopschoenen: (on)eerlijke concurrentie?

Onderwerp: Biofysica (vwo), Kracht en beweging, Menselijk lichaam (havo)

Begrippen: Kracht, Massa, Energie

Zou je ook wel eens supersnel willen hardlopen? Met speciaal ontworpen verende hardloopschoenen waar professionele marathonlopers op lopen, kun je sneller lopen dan op je gewone schoenen. Hoeveel sneller loop je eigenlijk met deze schoenen en hoe werkt dat dan? En waarom is er discussie of deze schoenen wel eerlijk zijn?

Een marathon lopen in minder dan twee uur? Heel lang leek het onmogelijk om onder de magische grens van twee uur te komen. Toch is het de Keniaan Eliud Kipchoge op 12 oktober 2019 in Wenen gelukt om 42,195 kilometer te lopen in 1 uur, 59 minuten en 40 seconden – maar liefst 21,16 kilometer per uur! Een enorme prestatie van deze professionele atleet, maar hij kreeg wel een beetje hulp. Zo was de ideale looproute aangegeven op het asfalt en was er rekening gehouden met de ideale weersomstandigheden. Ook werd Kipchoge uit de wind gehouden door een groep van 41 elkaar afwisselende ‘hazen’. En ja, hij liep ook op speciale schoenen: de Vaporfly-schoenen van Nike. 

4% minder energieverbruik

Een paar schoenen, maakt dat nou zo veel verschil? Inderdaad kun je met deze speciale schoenen een snellere tijd halen dan met ‘gewone’ hardloopschoenen door de speciale opbouw van de zool. In 2017 publiceerde de Nederlander Wouter Hoogkamer, assistent professor aan de Universiteit van Massachusetts in Amherst, met een aantal anderen een onderzoek, waarin hij aantoonde dat hardlopers met het prototype van de Vaporfly-schoenen ongeveer 4% minder energie verbruikten tijdens het lopen. Aan het eind van zijn artikel voorspelt hij dat een marathon onder de twee uur binnen handbereik ligt. Een vooruitziende blik!

Energieverbruik bepalen 
Het onderzoek om het energieverbruik met de nieuwe schoenen te onderzoeken was nog best ingewikkeld. De wetenschappers lieten 18 mannen op het prototype van de Vaporfly-schoenen lopen en op twee andere goede wedstrijdschoenen. De proefpersonen moesten steeds vijf minuten lopen bij snelheden van 14, 16 en 18 kilometer per uur. Om de meetgegevens goed te kunnen vergelijken, moesten de proefpersonen vergelijkbaar zijn. Daarom zochten ze een groep mannen die allemaal dezelfde schoenmaat hadden, rond de 24 jaar oud waren, rond de 64 kg wogen en ongeveer 1,78 lang waren. Ten slotte moesten ze een vergelijkbaar trainingsniveau hebben.

Voorbereiden test marathonschoenen
Figuur 1: Wouter Hoogkamer bereidt de metingen voor. Bron: Casey A. Cass/CU Boulder.

Om de schoenen eerlijk te kunnen vergelijken, moesten de schoenen ook even zwaar zijn. Omdat het prototype van de Vaporfly-schoen iets lichter was dan de andere schoenen uit het onderzoek, werden in de Vaporfly-zool extra gewichtjes aangebracht. Ook werd de test met elke schoen twee keer gedaan en werd bij de volgorde van de test met de verschillende schoenen afgewisseld, om te voorkomen dat de volgorde een rol zouden spelen. Om het energieverbruik te bepalen, werd tijdens het lopen de zuurstofopname en de CO2-productie van de proefpersonen gemeten. Hieruit berekenden ze voor elke test het energieverbruik.

In dit filmpje zie je de opstelling waarin de proefpersonen hun test afleggen.

Zich herhalende beweging

Wat gebeurt er tijdens het hardlopen eigenlijk met je lichaam? Hardlopen is een langdurige zichzelf herhalende beweging, waarbij je been en voet steeds de volgende cyclus doorloopt: je voet landt op de grond, je zet je voet af van de grond, je onderbeen zwaait naar achteren waarbij je knie buigt en je voet naar je billen gaat, vervolgens breng je je been weer naar voren en gaat je voet weer naar de grond. Beide benen doorlopen deze cyclus, maar dan in tegenfase. Per minuut doorloop je deze cyclus wel zo’n 90 keer!

Figuur 2: Hardlooppatroon van Kipchoge. Bron: YouTube. 

Zo licht mogelijk

Je kunt je wel voorstellen dat wanneer je je been steeds omhoog gooit, je elke keer weer het gewicht van het onderbeen, de voet en de schoen moet optillen. Het is dus voordelig als je schoenen zo licht mogelijk zijn, zeker als je lange afstanden loopt. Ook helpt het als je van nature dunne kuiten hebt, kijk maar eens naar de kuiten van de snelste atleten!

Voetbescherming en grip

“Tijdens het hardlopen is het belangrijkste doel van schoenen dat deze je voeten beschermen en dat je hiermee goed grip hebt.” legt Noël Keijsers uit. Hij is senior-onderzoeker bij de Maartenskliniek in Nijmegen en weet als bewegingswetenschapper en enthousiast hardloper veel over de techniek van hardlopen en de werking van de Vaporfly-schoen. “Tot een aantal jaar geleden richtten schoenfabrikanten zich vooral op het maken van een lichte schoen met genoeg grip. Vaak gaven fabrikanten ook aan dat hun schoen energie teruggeeft, maar dat leek verwaarloosbaar.”

Snellere wedstrijdtijden

Noël Keijsers was daarom eerst wat sceptisch toen Nike claimde dat de Vaporfly energie teruggeeft en dat je hiermee 4% minder energie zou verbruiken. Tot hij het onderzoek zag waaraan Wouter Hoogkamer meewerkte en zag dat het ook echt aangetoond was. Ook zag hij dat de wedstrijdatleten met deze schoenen aan tijdens wedstrijden ineens twee tot drie minuten sneller liepen dan voorheen.

Flexibel én stijf

“Je voet is een fantastische mooi systeem,” vertelt Noël Keijsers enthousiast. “Hij kan namelijk flexibel zijn, maar ook stijf. De flexibiliteit, die vooral komt door de beweeglijkheid van je tenen en je enkel, heb je nodig bij het lopen om in balans te blijven en je aan te passen aan de ondergrond. De stijfheid, die in het rechte deel van je voet zit, is juist weer nodig om kracht over te brengen. Bij het afzetten van de grond moet je voet juist stijf zijn, om een hefboom te vormen.”

Opbouw zool

Het succes van de Vaporfly-schoen zit hem dan ook in de opbouw van de zool. De zool is gemaakt van een heel licht kunststof schuim – de schoen is hierdoor licht en verend – met hierin een stijve plaat gemaakt van koolstofvezels.

Opbouw zool Vaporfly

Figuur 3: De opbouw van de zool van de Vaporfly bestaat uit twee lagen schuim (foam), een tussenplaat (plate) van koolstofvezels en een rubber onderzool (rubber outsole). Bron: A comparison of the energetic cost of running in marathon racing shoes.

Figuur 4: Hier zie je hoe iemand de schoen helemaal uit elkaar haalt om alle onderdelen te onderzoeken. Bron: YouTube.

Massa-veersysteem

De plaat die in de Vaporfly is aangebracht maakt je hele voet stijver, zodat je een grotere hefboomwerking hebt. Dit zorgt ervoor dat er minder energie nodig is in je teengewrichten. De stabiliteit haal je als loper dan alleen nog uit je enkel, die daardoor wel wat harder moet werken. Alleen de plaat geeft dus nog geen overtuigende energiewinst. Juist de combinatie van de plaat met de schuimlaag maakt het verschil. De schuimlaag drukt namelijk in bij het in contact komen met de grond en veert weer terug bij het loskomen van de grond. Het is een soort massa-veersysteem, waarbij je de potentiële veerenergie kunt berekenen als je de veerconstante weet van het materiaal (C) en de afstand waarover de laag is ingedrukt (Δl):

 

De indrukking van de verende zool kun je uitrekenen als je de veerconstante weet en de kracht die op de veer werkt:

 

Je kunt je voorstellen dat de kracht op de veer afhangt van het gewicht van de hardloper. Hoe lichter de hardloper, hoe kleiner deze kracht. Ook hangt het samen met de manier van landen van de loper.

Energieteruggave

Als de loper op de grond landt, oefent deze een kracht uit op de schuimlaag (de veer) die indrukt (Δl) en zo potentiële energie opslaat. Gaat de voet weer van de grond, dan neemt de kracht op de laag af en wordt de potentiële energie omgezet in energie die de schoen omhoog duwt. De schuimlaag geeft dan energie terug aan de loper. “Je kunt het vergelijken met een springplank in de gymzaal. De springplank duwt je omhoog, dat doet de schoen eigenlijk ook als deze energie teruggeeft,” legt Noël Keijsers uit. “Een aantal jaar geleden gaven de gebruikte materialen voor schoenzolen zo’n 60% energie terug, maar uit het onderzoek van Wouter Hoogkamer bleek dat dit bij de Vaporfly wel 87% is.”

Testen energieteruggave schoenen
Naast de hardlooptest met proefpersonen, keek Wouter Hoogkamer met zijn team ook wat bij een bepaalde kracht het indrukeffect was van de zool van de drie geteste schoenen en hoeveel energie er door de zool werd teruggegeven. Ze gebruikten hiervoor een opstelling waarmee ze een kracht op de schoen konden uitoefenen die vergelijkbaar is met de kracht die een loper op de schoen uitoefent tijdens het lopen (dit hadden ze ook gemeten in het onderzoek). Met de opstelling konden ze de mate van indrukking van de zool meten en de hoeveelheid energie die de zool teruggeeft.

Mechanische test marathonschoen
Figuur 5: Mechanische meetopstelling om het indrukeffect en het teruggeven van energie te meten. Bron: A comparison of the energetic cost of running in marathon racing shoes

Uit de test bleek dat de prototype Vaporfly verder indrukbaar was dan de andere twee schoenen (12 mm, de andere twee schoenen maar 6 mm) en dat deze rond de 87% energie teruggaf, terwijl dit bij de andere twee testschoenen 76% en 66% was.

Testresultaten mechanische test marathonschoen
Figuur 6: Drie soorten geteste schoenen NS en AB zijn ‘gewone’ goede hardloopschoenen, NP is het prototype van de Vaporfly-schoen. Bron: A comparison of the energetic cost of running in marathon racing shoes.

Wedstrijdschoenen

De combinatie van de zeer lichte en goed verende schuimlaag die energie teruggeeft met de stijve koolstofvezel plaat ertussen maakt de Vaporfly tot een schoen waar je sneller op kunt lopen. Klinkt helemaal ideaal toch? Helaas zijn de schoenen wel erg duur, rond de 300 euro, en ze gaan ook niet lang mee, doordat de zolen snel slijten. Dit geldt trouwens voor meer speciale marathonschoenen. Professionele hardlopers trainen daarom op andere schoenen en gebruiken de Vaporfly-schoenen alleen bij wedstrijden.

Voorwaarden aan schoenzool

De Vaporfly van Nike was de eerste schoen met hierin een plaat in combinatie met de verende zool. Daarom was het onderzoek van Wouter Hoogkamer ook gericht op deze schoen. Inmiddels zijn er ook vergelijkbare schoenen van andere fabrikanten. De opbouw van de zool biedt hardlopers voordelen, maar binnen de internationale atletiekbond ontstond wel discussie over wat nog eerlijk is. Mag een schoenfabrikant zomaar allerlei foefjes stoppen in een schoen, die de hardloper met deze schoenen een voordeel kan geven ten opzichte van lopers die deze schoenen niet hebben? Er is sinds januari 2020 een duidelijke grens getrokken: de schoen mag een zool hebben van maximaal 40 mm dik en er mag maar één plaat in verwerkt zitten. Bovendien moet de schoen voor iedereen verkrijgbaar zijn. Wel zo eerlijk.

Gebruik spieren en pezen

Natuurlijk is het niet zo dat alleen je schoenen bepalen hoeveel energie het kost als je hardloopt. Er zijn allerlei externe factoren, zoals de luchtweerstand en de ondergrond waarop je loopt, die dit beïnvloeden. Ook je eigen gewicht en hoe je beweegt (grondcontacttijd, mate van buiging van je knie, pasfrequentie, hak- of voorvoetlanding) hebben invloed, maar bijvoorbeeld ook je bouw en hoe je je spieren en pezen gebruikt. “Sprinters gebruiken vooral hun spieren – vandaar die enorm gespierde benen – en kunnen daarmee kortstondig heel hard lopen,” legt Noël Keijsers uit. “maar het gebruik van de spieren bij sprinten vreet energie, waardoor je het niet lang volhoudt. Marathonlopers gebruiken ook hun spieren, maar maken ook optimaal gebruik van het uitrekken en terugveren van hun pezen. Dit verschil zie je ook in de dierenwereld. Kijk maar naar de leeuw, die gebruikt vooral zijn spieren en kan kortstondig heel hard lopen, terwijl een gazelle door gebruik te maken van zijn pezen het rennen veel langer volhoudt.”

Energieteruggave pezen

Het voordeel van het gebruik van je pezen bij hardlopen is dat je hierin ook energie opslaat, die later weer vrijkomt. Daar waar je de schoenzool kunt vergelijken met een veer die je indrukt, kun je pezen vergelijken met een veer die je uitrekt. Als je voet op de grond staat en je roteert om je enkel, dan wordt je achillespees in je kuit langer en als je weer afzet, wordt deze weer korter en komt de potentiële veerenergie weer vrij. Ter vergelijking: de vrijkomende energie bij de zool van de prototype Vaporfly was in het onderzoek 7,5 Joule, terwijl de achillespees ongeveer 35 Joule teruggeeft.

Grenzen stellen

“Bij de revalidatie van patiënten gebruiken we regelmatig speciale veersystemen die functies van het lichaam kunnen overnemen of ondersteunen,” vertelt Noël Keijsers. Ook zijn er systemen die ondersteuning geven bij het wandelen en die wel 7% energie teruggeven. Als je dit soort systemen in kleding zou kunnen verwerken, dan zouden hardlopers nog sneller kunnen lopen,” legt Noël Keijsers uit. “Het is belangrijk dat de internationale sportfederatie een duidelijke grens trekt: tot hier en niet verder. Het gaat uiteindelijk om de prestatie van de sporter!”