Efficiëntie in cyclische sporten

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 een toename in efficiëntie.¹

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.

Het metabool vermogen kan bepaald worden door de ‘steady state’ zuurstofopname (V.O₂), d.w.z. de gemiddelde V.O₂ over de laatste 3 minuten van een 6 minuten durend inspanningsblok op bijvoorbeeld 65% van het vermogen behaald bij de maximale zuurstofopname (V.O₂),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.

In deze vergelijking wordt de V.O₂ 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 (Ɵ₁; figuur 1A), de romphoek (Ɵ₀; 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 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.

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.

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 V.O_2max en PV.O_2max 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, 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 dag-nacht 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 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.

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. Push-off force in speed skating. Int J Sport Biomech 1987;3:103–9.
5. Van Ingen Schenau GJ, de Boer RW, de Groot G. On the 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.
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 changes in skating velocity. Int J Sports Physiol Perform In Press.