Klapskate heet ie in het Engels, Klappschlittschuh in het Duits, klappkøyter in het Noors en klapskato in het Japans. Het jongste type glij-ijzer voor oerhollands volksvermaak én topsport verloochent in naam zijn Nederlandse afkomst niet- ere wie ere toekomt. Vorig jaar moest de internationale schaatstop erkennen dat er met die rare Hollandse vinding niet te spotten valt. De wereldpers nam onmiddellijk de benaming over die de Amsterdamse uitvinders aan hun beweegbare noren gaven: klapschaats.
Topatleten zijn er niet snel toe te bewegen over te stappen op nieuw materiaal. Er staan grote belangen op het spel. Pas als bij voorbaat duidelijk is dat er voordeel valt te behalen, durven zij de stap aan. Met de klapschaats heeft dat meer dan tien jaar geduurd. De eerste is reeds in 1985 door onderzoekers en instrumentmakers van de Faculteit der Bewegingswetenschappen van de Amsterdamse VU gebouwd en ook toen al door diverse leden van de nationale kernploegen beproefd.
Opnieuw het wiel uitgevonden
Het eerste idee om een klapschaats te ontwikkelen werd binnen de Faculteit der Bewegingswetenschappen van de Amsterdamse Vrije Universiteit geboren op een receptie waar de toenmalige schaats-onderzoekers van de Faculteit, Gerrit Jan van Ingen Schenau en Gert de Groot, in gesprek waren met de instrumentmakers Wim Schreurs en Hans Meester van het Academisch Medisch Centrum (Universiteit van Amsterdam). Zij besloten het project gevieren als ‘uitvinders’ aan te pakken.
De oud-sprinter Ron Ket werd aan het eind van het seizoen 1984/1985 bereid gevonden om zijn schaatsen door de instrumentmakers te laten ombouwen en onder toeziend oog van de pers op de 500m een tijd te zetten. De eerste officiële klapschaatstijd bedroeg 40,63 s met een opening van 10,20 s (!). Gezien de geringe voorbereiding van Ket voldoende reden om het project voort te zetten. Op 21 februari 1985 werd onder volgnummer 8500483 Nederlands octrooi aangevraagd. Na een marktonderzoek zijn de uitvinders in 1985 door het Uitvinderscentrum in Rotterdam in contact gebracht met de firma Viking. In 1986 besloten zij de exclusieve rechten aan Viking over te dragen en de octrooibescherming uit te breiden naar meer landen. In dit proces kwam aan het licht dat de hoofdredacteur van het blad Fiets, Guus van de Beek, ook ideeën voor een vergelijkbaar principe had ontwikkeld en daarvoor in december 1985 Nederlands octrooi had aangevraagd. Besloten werd toen de krachten te verenigen en gezamenlijk met de octrooigemachtigde van Viking één Europese aanvraag in te dienen.
Het nieuwheidsonderzoek van het Europees octrooibureau bracht aan het licht dat de klapschaats geen bescherming kan krijgen, aangezien tussen 1894 en 1937 maar liefst vijf keer een octrooi was verleend op verschillende typen, merendeels kunstschaatsen.
De uitvinders kozen voor de naam ‘klapschaats’ om aan te duiden dat deze schaats het mogelijk maakt om aan het eind van de afzet ‘een klap na’ te geven. De naam heeft niets te maken met het geluid waarmee het ijzer tegen de schoen terugklapt. Het woord is inmiddels als soortnaam opgenomen in de meeste woordenboeken en in het vocabulaire van de internationale schaatswereld, ondanks het feit dat de uitvinders in hun octrooiaanvraag van slapskate spraken. Deze taalverrijking vormt een aardige compensatie voor de teleurstelling dat de uitvinders het wiel opnieuw uitvonden.
In het seizoen 1994/1995 werd de spits afgebeten door de juniorenselectie van Zuid-Holland. Eén van de trainers van dit gewest, Erik van Kordelaar, studeerde aan onze faculteit en raakte ervan overtuigd dat de theorie achter de klapschaats in de praktijk moest werken. Nadat hij zijn persoonlijke records spectaculair had verbeterd, vond hij met zijn collega Dick de Bles elf junioren bereid het avontuur aan te gaan. Zij boekten succes. Een jaar later bleek reeds meer dan de helft van de Nederlandse topjunioren overgestapt, waarna drie Nederlandse dames uit de seniorenkernploeg (Tonny de Jong, Carla Zijlstra en Barbara de Loor) het vorig seizoen aandurfden om de klapschaats in het internationale topschaatsen te introduceren.
Andere dames (waaronder Gunda Niemann en Marianne Timmer) volgden met wereldkampioenschappen en wereldrecords. Zelfs de scepsis van de heren (een ‘vrouwenschaats’) verdween in de loop van het seizoen. De vraag of met de klapschaats voordeel valt te behalen is door de praktijk bevestigend beantwoord.
Afzet
De schoen van een klapschaats kan draaien ten opzichte van het glij-ijzer. Dat stelt de schaatser in staat om aan het einde van de slag een krachtige enkelstrekking in te zetten. Hardlopers en springers doen dat ook. Het besluit om een klapschaats te gaan bouwen werd in 1984 genomen op basis van een vergelijking van explosieve afzetten op de schaats met afzetten bij springen. Uit een highspeed-filmanalyse van tien schaatssters die in 1983 deelnamen aan het WK in Karl-Marx-Stadt (nu Chemnitz), bleek dat bij de afzet de schaats al los is van het ijs ver voordat de knie gestrekt is. De vergelijking met springen leidde tot het inzicht dat dit komt doordat tijdens het schaatsen geen explosieve enkelstrekking optreedt.
Schaatsers leren om tijdens zowel de glij- als de afzetfase de druk zo goed mogelijk op het achterste deel van de schaats te houden. Deze didactische aanwijzing is bedoeld om de enkelstrekking die we bij springen en hardlopen altijd inzetten, te leren onderdrukken. Bij de glijtechniek moet het been worden gestrekt terwijl de schaats gewoon blijft doorglijden. Hierdoor kunnen we veel harder schaatsen dan lopen.
Energie
Een hardloper zet tegen een vaste positie af. Als de heup met een snelheid v naar voren beweegt, dan moet de voet met een snelheid v ten opzichte van de heup naar achteren worden bewogen. De grootste component die dit moet bewerkstelligen, vr, vergt een snelle rotatie van het gehele been ten opzichte van de romp. Na de afzet moet het been juist naar voren worden versneld.
Een schaatser kan veel efficienter afzetten dan een hardloper doordat hij de schaats tijdens de beenstrekking mee laat glijden (y-richting). De noodzaak van snelle beenrotaties is bij de glijtechniek grotendeels afwezig. Een klein nadeel van de glijtechniek is dat de afzetkracht Fp in het x-z-vlak loodrecht op de glijrichting ligt, waardoor de schaatser een zig-zag-baan beschrijft.
Door de afwezigheid van een krachtige enkelstrekking verliest een normale schaats het contact met het ijs voordat de knie is gestrekt.
Een hardloper kan zich alleen maar voortstuwen door steeds tegen een nieuwe positie op de grond af te zetten. In het contactpunt met de grond staat zijn voet stil terwijl z’n romp zich met een bepaalde snelheid naar voren beweegt. Het been moet dus ten opzichte van de romp naar achteren bewegen. Na de afzet moet deze beweging worden afgeremd en moet het been naar voren worden versneld en weer afgeremd. Vervolgens moet het weer naar achteren worden gebracht. Berekeningen laten zien dat dit versnellen en vertragen van de benen zo’n tachtig procent van alle energie opslokt die in de spieren wordt vrijgemaakt. Een hardloper houdt weinig energie over om luchtwrijving te overwinnen.
Bij de glijdende afzet op de schaats kan de voor-achterwaartse beweging van het been ten opzichte van de romp grotendeels achterwege blijven, waardoor de schaatser zo’n tachtig procent van zijn energie kan aanwenden om ijs- en luchtwrijving te overwinnen. Schaatsers zijn daardoor ongeveer tweemaal zo snel als hardlopers. Een groot nadeel van de glijtechniek bij het schaatsen is dat de krachtige enkelstrekking aan het eind van elke slag onmogelijk is. Zou de schaatser z’n tenen wel naar het ijs richten, dan zou de punt van zijn schaats in het ijs schieten. De wrijving neemt daarbij sterk toe en bij echt krachtig afzetten zou de schaatser zelfs onderuit gaan. Door de afwezigheid van een krachtige enkelstrekking verliest de schaats het contact met het ijs ver voordat de knie is gestrekt.
Een gehandicapte afzet
Het snelheidsverschil v(HE) tussen heup (H) en enkel (E) bereikt bij schaatsen reeds bij een kniehoek (q) van ongeveer 150 graden zijn maximum.
Schaatsers op noren verliezen het contact met het ijs ver voordat de knie volledig is gestrekt. Dit feit hangt samen met het gegeven dat het snelheidsverschil vHE tussen heup (H) en enkel (E) niet kan blijven toenemen tot de knie volledig is gestrekt. Elke explosieve afzet heeft tot doel het lichaamszwaartepunt een zo hoog mogelijke snelheid te geven ten opzichte van het afzetpunt. Om te voorkomen dat de glijdende schaats in het ijs schiet, moeten schaatsers daarbij de voet horizontaal houden. Aangezien ze tevens de romp horizontaal houden om de luchtwrijving te minimaliseren, wordt de snelheid van het lichaamszwaartepunt grotendeels bepaald door vHE. Naarmate echter de kniestrekking vordert, wordt de kniestreksnelheid dq/dt steeds minder goed omgezet in het (translatie)snelheidsverschil vHE. Immers, als het been de gestrekte stand nadert, gaat vHE naar nul, hoe groot de streksnelheid ook is (anders zou het been langer moeten worden).
De overdrachtsfunctie die de omzetting van dq/dt naar vHE beschrijft kan worden afgeleid door de cosinusregel op de driehoek HKE toe te passen en deze naar de tijd te differentiëren:
cosinusregel: HE2 = HK2 + KE2 – 2HK * KE * cosq
links en rechts differentiëren geeft:
2HE * dHE/dt = 2HK * KE * sinq dq/dt
met vHE = dHE/dt krijgen we tenslotte:
vHE = {HK * KE * sinq / Ö(HK2 + KE2 – 2HK * KE * cos q )} * dq/dt
De term tussen haken is te beschouwen als de overdrachtsfunctie tussen de streksnelheid in het kniegewricht en de translatiesnelheid vHE. Dit is een functie die naar nul gaat als de kniehoek q nadert tot 180°. Het effect van deze overdrachtsfunctie wordt nog versterkt doordat de hoeksnelheid bij dit soort bewegingen actief wordt geremd om te voorkomen dat de rotatie-energie van boven- en onderbeen door de passieve structuren in de knie moeten worden weggewerkt. Deze twee factoren leiden er toe dat vHE bij schaatsen reeds bij een kniehoek van ongeveer 150° zijn maximum bereikt. Daarna daalt dit snelheidsverschil en gaat het contact met het ijs verloren.
Tweekoppige kuitspier
Uit analyses van verticaal springen en later ook sprinten en hardlopen hebben we geleerd dat bij deze bewegingen aan het eind van de afzet een krachtige enkelstreking wordt ingezet. Die voorkomt dat het contact met de ondergrond verloren gaat voordat de knie gestrekt is. De vergelijking leerde tevens dat een felle enkelstrekking niet alleen de kuitspieren beter bij de voortstuwing betrekt, maar ook noodzakelijk is om de arbeid van de spieren die de knie strekken vollediger te benutten.
Uit het spring- en sprintonderzoek bleek dat bij de gecoördineerde knie- en enkelstrekking de zogenaamde tweekoppige kuitspier een bijzondere rol vervult. Deze grote spier in de kuit verbindt het bovenbeen net boven de knie met de hiel en overspant dus zowel het knie- als het enkelgewricht. Door aan het eind van de afzet deze spier aan te spannen, blijven de kniestrekkers aan de voorkant van het been langer actief zonder dat de kracht die zij uitoefenen tot een beschadiging van het kniegewricht leidt.
De tweekoppige kuitspier remt de streksnelheid van de knie af en draagt tegelijkertijd bij aan de strekking van de enkel. Zo komt de arbeid van kuitspieren en kniestrekkers ook aan het eind van de afzet nog aan de voortstuwing ten goede. Uit modelsimulaties van het spier-skeletstelsel hebben we kunnen afleiden dat ongeveer een kwart van de energie waarmee een hardloper zijn enkel strekt, afkomstig is van zijn knie- en heupstrekkers.
Katapult
De analyses en simulaties toonden ook aan dat bij de explosieve acties slim gebruik wordt gemaakt van energie die tijdelijk in de elastische structuren van de kuitspieren wordt opgeslagen. De hoge snelheid waarmee de enkel zich strekt zou onmogelijk zijn zonder dit mechanisme. De enkelstrekking laat zich tot op zekere hoogte vergelijken met de werking van een katapult: de enigszins rekbare peesplaten en achillespees worden voorafgaande aan de strekking opgerekt. Hun elastische energie komt tijdens de felle enkelstrekking in zeer korte tijd vrij.
Het grote voordeel van de klapschaats schuilt erin dat schaatsers deze mechanismen nu ook kunnen gebruiken. De enkelstrekking duurt slechts ongeveer 0,05 seconde. Tijdens de rest van de schaatsslag (0,5 – 0,8 s) is de klapschaats dicht en gedraagt die zich als een normale noor.
Voordeel
Een begrijpelijke maar niet eenvoudig te beantwoorden vraag is hoeveel voordeel een rijder van de klapschaats mag verwachten. Om te beginnen willen we er met nadruk op wijzen dat de klapschaatser niets cadeau krijgt. Het klapmechanisme stelt de rijder in staat om vollediger af te zetten en de kniestrekkers en kuitspieren meer arbeid te laten leveren dan op noren. Deze extra arbeid moet de atleet echter wel kunnen opbrengen (Gunda Niemann: “Es steckt kein Motor drin”). Dit in tegenstelling tot bijvoorbeeld het gebruik van snellere pakken of van ijzers met een lagere ijswrijving, waarbij men met dezelfde inspanning vanzelf harder gaat.
Uit een vergelijking tussen de hoeveelheid arbeid die bij het schaatsen op noren in heup-, knie- en enkelgewricht wordt vrijgemaakt en de waarden die we voor hardlopen, sprinten en springen hebben gevonden, valt een theoretische voorspelling te doen over het mogelijke voordeel van de klapschaats. In deze voorspelling is aangenomen dat het aantal slagen per minuut constant blijft. Dit kan betekenen dat de voorspelling iets te hoog is, doordat een verhoging van de afzetarbeid in de bocht tot een iets lagere slagfrequentie kan leiden.
Perfectie
Tegenover de mogelijke overschatting staat dat de voorspelling geen rekening houdt met een verminderde ijswrijving. Vooral als de vermoeidheid toeslaat, hebben schaatsers de neiging om in de kuitspieren te gaan hangen. Dat vergemakkelijkt hun balans, maar zij kunnen de enkelstrekking daarbij minder goed onderdrukken. ‘Op de punten rijden’ of kortweg ‘punteren’ noemen trainers dat. De punt van de schaats schraapt door het ijs, waardoor de wrijving toeneemt. Aangezien de punt van een klapschaats niet in het ijs kan worden gedrukt, is punteren onmogelijk en kan er dus sprake zijn van een bijkomend voordeel van een verminderde ijswrijving. Toprijder Rintje Ritsma concludeerde hieruit vorig seizoen dat de ‘werkers’ onder de schaatsers meer voordeel kunnen hebben van klapschaatsen dan de technisch betere rijders.
Sommigen vinden dit een negatief effect van de klapschaats. Men kan echter ook verdedigen dat het nieuwe materiaal een nieuwe techniek vereist die weer een geheel eigen graad van perfectie kent.
Voorspelling
De reeds gerealiseerde tijdwinst komt voor de middenafstanden al dicht bij de theoretische voorspelling. Het geringe voordeel voor de vijfhonderd meter heeft onmiskenbaar te maken met het feit dat het geruime tijd duurt voor de sprinters weer de openingstijden evenaren die zij op noren maakten. Inmiddels zijn er op klapschaatsen echter al openingstijden gerealiseerd van ruim onder de tien seconden – ter vergelijking: slechts zelden legt iemand de eerste honderd meter in 9,5 seconden af.
Op grond van onze berekeningen en overwegingen durven we te voorspellen dat het theoretisch voordeel binnen één of twee jaar in nieuwe wereldrecords tot uitdrukking zal komen. Bij die voorspelling zijn we uitgegaan van de persoonlijke records van de huidige toprijders (dus die van bijvoorbeeld Bonnie Blair, Karin Kania en Johann Olav Koss zijn buiten beschouwing gelaten). Het is overigens de vraag of de records tijdens de olympische winterspelen in het Japanse Nagano al aan flarden worden gereden. Nagano ligt namelijk veel minder hoog dan Calgary, de Canadese stad waar vrijwel alle tijden zijn gerealiseerd waarop de voorspelling is gebaseerd.
Onrustig
Het feit dat de klapschaats zich in de praktijk heeft bewezen, bevestigt nog niet de theorie op basis waarvan we deze schaats destijds hebben gelanceerd. In tegendeel. Vele nieuwe vragen zijn inmiddels gerezen. Gelukkig zijn we door de Stichting voor Technische Wetenschappen van NWO in staat gesteld om meer over de biomechanica en fysiologie van het rijden op klapschaatsen te weten te komen. Het afgelopen schaatsseizoen zijn in dit STW-project onder andere drie groepen schaatsers met elkaar vergeleken met betrekking tot techniek en energieverbruik.
Uit deze vergelijking komt het beeld naar voren dat klapschaatsers geheel volgens de verwachting een krachtige enkelstrekking paren aan een vollediger kniestrekking, zij het dat de Rotrax-rijders dat minder uitgesproken doen dan de rijders op klapschaatsen met vaste as. Deze laatsten bleken efficiënter te rijden dan hun collega’s op noren en op Rotrax-schaatsen, maar de rijders op de Rotrax-schaatsen kwamen tot een hoger energieverbruik dan de twee andere groepen. We begrijpen nog niet goed hoe dat komt. Met een nieuwe meetschaats, registratie van spieractiviteit en simulatietechnieken hopen we het beeld in de nabije toekomst te completeren. Wat onze inbreng betreft zal het nog wel enkele jaren onrustig blijven aan het schaatsfront.
Scharnieren
De klapschaats die nu op topniveau is doorgebroken, wijkt niet wezenlijk af van het ontwerp dat onderzoekers van de VU in 1986 in samenwerking met de firma Viking hebben gelanceerd. Deze schaats heeft één vaste as waarin de schoen ten opzichte van het ijzer scharniert.
Na de successen van de junioren in het seizoen 1994/1995 heeft de firma Interraps in samenwerking met de Technische Universiteit Delft de Rotrax ontwikkeld, een schaats waarbij de rotatie-as zich verplaatst tijdens de enkelstrekking. Dat zou een voetafwikkeling zoals bij het hardlopen mogelijk moeten maken. De schaats is nooit doorgebroken doordat de rotatie-as geen echt bruikbaar traject doorliep.
Een meer serieuze uitvoering van dit idee werd mogelijk door tussenkomst van de Groningse bewegingswetenschapper Bert Otten. Hij bereikte met behulp van een uiterst geavanceerd mechanisme van zeven scharnieren dat de plaats van de rotatie-as binnen realistische grenzen bleef. Bij deze schaats, de Rotrax 7 die in de loop van het seizoen 1995/1996 gereed kwam, ligt de rotatie-as aanvankelijk achter de voorvoet en loopt die tijdens de enkelstrekking naar voren. De Rotrax 7 is vorig seizoen door enkele toprijders en -rijdsters beproefd maar nog niet aangeslagen bij de internationale top.
