Spring naar content

Vraag aerodynamica van schaatspakken

Kort antwoord

Aan de hand van de beschikbare literatuur is niet te concluderen welke materialen aerodynamisch gezien het meest geschikt zijn om een schaatspak van te maken. Dit komt doordat de eigenschappen van de onderzochte materialen niet beschreven zijn in de literatuur. Als er al uitspraken gedaan zijn over de aerodynamica, dan is het zeer algemeen. Bijvoorbeeld dat stof 1 beter is dan stof 2. Een bijkomend nadeel van de beschikbare gegevens is dat de resultaten verkregen zijn aan de hand van statische metingen in windtunnels. In hoeverre deze resultaten zich laten vertalen naar het ‘echte’ schaatsen in een schaatshal is onduidelijk. Toch is het statisch meten van de aerodynamica tot op heden het hoogst haalbare voor de schaatssport. Om de resultaten van statische metingen zo realistisch mogelijk te maken is het raadzaam de te onderzoeken stof te bevestigen op een levensecht model dat in een schaatshouding staat. En dan nog is het belangrijk de gevonden resultaten voorzichtig te interpreteren. Naast de materiaaleigenschappen blijkt de pasvorm van een schaatspak ook van wezenlijk belang te zijn voor de aerodynamica. Het is dan ook aan te raden schaatspakken individueel passend te maken op basis van een 3D-scan van het lichaam van de schaatsers.

Uitgebreid antwoord

De luchtweerstand die een schaatser moet overwinnen is voor het overgrote deel afhankelijk van het frontale oppervlak van de schaatser. Hoe kleiner het frontale oppervlak, hoe minder de weerstand. De luchtweerstand is echter ook afhankelijk van de wijze waarop de lucht langs het schaatspak stroomt en van het moment waarop de lucht weer loslaat van het schaatspak. De lucht die direct langs het schaatspak stroomt heet ‘de grenslaag’. Indien de grenslaag weinig weerstand ondervindt wanneer die langs het pak stroomt, is er sprake van een laminaire stroming. Wanneer de grenslaag veel weerstand ondervindt, zal de grenslaag zich meer ‘warrelig’ gaan gedragen [9] en spreekt men van een turbulente luchtstroom. Bij een glad schaatspak ondervindt de grenslaag weinig weerstand en zal de luchtstroom laminair zijn. Men zou dus kunnen veronderstellen dat een schaatspak zo glad mogelijk moet zijn. Zo eenvoudig is het echter niet. Er komt namelijk een moment dat de grenslaag weer loslaat van het oppervlak. Dit gebied heet ‘het zog’. Doordat de luchtdruk in het zog lager is dan de luchtdruk voor de schaatser, ondervindt de schaatser drukweerstand [9]. Het is dan ook wenselijk het zog zo klein mogelijk te houden. Dit blijkt een knelpunt. Hoewel een laminaire luchtstroom zoals gezegd minder weerstand ondervindt wanneer die langs het oppervlak stroomt, laat hij eerder los van het pak. Het zog is dus groter bij een laminaire luchtstroom. Het is dan ook de kunst de luchtstroom op het juiste moment op de juiste plek van het pak te laten veranderen van laminair naar turbulent. Het moment waarop de luchtstroom verandert blijkt onder andere afhankelijk te zijn van de stroomsnelheid van de lucht en de materiaaleigenschappen van het schaatspak.

Ondanks dat het er inderdaad op lijkt dat de materiaaleigenschappen van een schaatspak de schaatsprestatie positief beïnvloeden[1], is het onduidelijk wat de ideale materiaaleigenschappen zijn. In de afgelopen 2 jaar is de nodige literatuur gepubliceerd waarin de aerodynamica van sportkleding is onderzocht [1-10]. Hoewel in deze studies wel degelijk verschil is gevonden in de aerodynamische eigenschappen van de onderzochte materialen is niet beschreven welke materialen onderzocht zijn en wat de materiaaleigenschappen waren. Zo is bijvoorbeeld niet beschreven wat de dikte is van het onderzochte materiaal of wat de breedte is van de gebruikte steken. De beschikbare literatuur geeft dus wel inzicht in de methode waarop de aerodynamische eigenschappen van het materiaal te meten zijn, maar niet op de vraag welk materiaal welke eigenschappen heeft. Het is ook maar zeer de vraag of de aerodynamische eigenschappen van sportkleding ooit openbaar gepubliceerd zullen worden. Het is immers voor bedrijven als Nike en Adidas commercieel gezien niet interessant deze kennis openbaar te delen. Naast de soort stof of de breedte van de steken, de variabelen die tot op heden zijn beschreven in wetenschappelijk literatuur, is er wellicht nog een andere mogelijkheid om de aerodynamica van een schaatspak te beïnvloeden. Navraag bij medewerkers van AkzoNobel leert dat er wellicht mogelijkheden liggen in het gebruik van verschillende coatings. In 2010 is er op een Duitse website al het nodige gepubliceerd over coatings die de luchtweerstand zouden verminderen [11]. Deze coatings waren bedoeld voor harde materialen, maar er zijn mogelijkheden deze ook voor textiel te ontwikkelen. Of dit al gebeurd is, is bij Topsport Topics niet bekend.

Omdat het dus niet duidelijk is uit welke materialen een schaatspak ideaal gezien moet bestaan, zal nu ingegaan worden op de methode van het meten van de aerodynamische eigenschappen van materiaal. Het meten van de aerodynamische eigenschappen van materialen is tot op heden voornamelijk gedaan door de te onderzoeken stof om cilinders te wikkelen en deze in een windtunnel te analyseren. De diameter van de cilinder kan men aanpassen, zodat het zo goed mogelijk overeenkomt met de diameter van bijvoorbeeld een boven- of onderbeen. In de nieuwste studies zijn aerodynamische testen uitgevoerd op een levensecht model dat in een specifieke schaatshouding werd gezet. Dit is bijvoorbeeld uitgevoerd door een Canadese onderzoeksgroep uit Ottawa onder leiding van Annick D’Auteuil [6]. Zij hebben een levensecht model [5] in 3 verschillende schaatshoudingen gezet en op verschillende plaatsen gemeten wat de invloed is van zowel laminaire als turbulente luchtstromen op de drukweerstand. Dit hebben ze bij verschillende luchtsnelheden gemeten. De reden waarom zowel laminaire als turbulente luchtstromen zijn onderzocht is omdat de luchtstroom in een schaatshal nooit zuiver laminair is [6]. Uit de resultaten blijkt dat de gemeten drukweerstanden bij de 3 posities verschillend zijn, mede afhankelijk van de onderzochte luchtstroom.

Het nadeel van de bestaande studies over de aerodynamica van het schaatsen is dat de metingen onder statische omstandigheden zijn uitgevoerd. In hoeverre dit representatief is voor een werkelijke schaatsbeweging is onduidelijk. Voor bijvoorbeeld wielrenners is een statische meting een redelijke benadering van de werkelijke aerodynamica omdat zij stil zitten op hun fiets en maar in één richting bewegen. Voor schaatsers echter is de aerodynamica van één bepaalde houding veel minder representatief. Een schaatser beweegt immers ook in meerdere richtingen, waarbij de armen en de benen de luchtstroom ook nog eens beïnvloeden. Toch is het bepalen van de aerodynamica in één bepaalde houding momenteel in de schaatssport het hoogst haalbare. Zeer recent heeft D’Auteuil een eerste aanzet gedaan om een dynamische meting uit te voeren bij het schaatsen [5]. Het eerder genoemde levensechte model was op een draaibare schijf geplaatst. Terwijl de schijf draaide is de drukweerstand gemeten. De resultaten van deze ‘dynamische’ meting lijken goed overeen te komen met de resultaten die verkregen zijn met een statische meting. Toch is enige nuance op zijn plaats. Hoewel er zogenaamd dynamisch is gemeten was de enige beweging dat het model in zijn geheel draaide zonder dat er lichaamsdelen ten opzichte van elkaar bewogen. Dit is niet representatief voor een echte schaatsbeweging.

Al met al is aan de hand van de beschikbare literatuur niet te concluderen welke materialen het meest geschikt zijn voor het maken van een schaatspak. Dit komt doordat de materiaaleigenschappen niet beschreven zijn. Als er al uitspraken gedaan zijn over de aerodynamische eigenschappen dan is het zeer algemeen. Bijvoorbeeld dat stof 1 beter is dan stof 2. Een bijkomend nadeel van de beschikbare gegevens is dat de resultaten verkregen zijn aan de hand van statische metingen. Toch is het statisch meten tot op heden het hoogst haalbare voor de schaatssport. Indien gekozen wordt voor een statische meting is het raadzaam deze zo ‘echt’ mogelijk uit te voeren. Maak dus bijvoorbeeld gebruik van een soortgelijk model als dat van D’Auteuil. En dan nog is het belangrijk de gevonden resultaten voorzichtig te interpreteren, aangezien het onduidelijk is hoe de luchtstroom zich gedraagt tijdens een echte schaatsbeweging in een schaatshal. Naast de materiaaleigenschappen lijkt de pasvorm van het schaatspak ook van wezenlijk belang te zijn voor de aerodynamica. Zo pleit de Australische Chowdhury ervoor om van elke atleet een 3D-scan van het lichaam te maken, zodat de pasvorm van de sportkleding optimaal is.

Bronnen

  1. Brownlie LW, Kyle CR (2012) Evidence that skin suits affect long track speed skating performance. Procedia Engeneering, 34: 26-31
  2. Chowdhury H, Alam F, Mainwaring D, Beneyto-Forro J, Tate M, Forster D, Subic A (2012) Aerodynamics of textiles for elite cyclist. ICME09-FM-20
  3. Chowdhury H, Alam F, Mainwaring D, Beneyto-Forro J, Tate M (2012) Rapid prototyping of high performance sportswear. Procedia Engineering, 34: 38-43
  4. Harun Chowdhury (2012). Aerodynamic Design of Sports Garments, Applied Aerodynamics. ISBN: 978-953-51-0611-1, Available from: http://www.intechopen.com/books/applied-aerodynamics/aerodynamic-design-of-sports-garments
  5. D’Auteuil A, Larose GL, Zan SJ (2012) The effect of motion on wind tunnel drag measurement for athletes. Procedia Engineering, 32: 62-67
  6. D’Auteuil A, Larose GL, Zan SJ (2012) Wind turbulence in speed skating: measurement, simulation and its effect on aerodynamic drag. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., 104-106: 585-593
  7. Oggiano L, Roar SL, Morten BL, Brian H (2012) Air permeability and drag crisis on high tech fabrics for cross country ski competitions. Procedia Engineering, 34: 15-19
  8. Oggiano L, Troynikov O, Konopov I, Subic A, Alam F (2009) Aerodynamic behaviour of single sport jersey fabrics with different roughness and cover factors. Sports Eng., 12: 1-12
  9. Timmer WA, Veldhuis LLM (1997) Onderzoek naar de aerodynamische weerstand van schaatsers. Onderzoeksrapport IW-97119R, TU Delft
  10. Underwood L, Jermy MC (2011) Fabric testing for cycling skinsuits. Procedia Engineering, 13: 350-356
  11. http://www.weser-kurier.de/bremen/wirtschaft2_artikel,-Forscher-entwickeln-Haifischhaut-Lack-_arid,99464.html Geraadpleegd op 7 november 2012