Op de baan: technologie voor lopers Understand article

Vertaald door Roland Van Kerschaver. Wanneer we kijken naar de lopers die wereldrecords breken, denken we zelden aan de chemie en fysica van de renbanen.

Figuur 1: Olympisch stadium
João Havelange in Rio de
Janeiro, dat zal gebruikt
worden gedurende de
Olympische Spelen van 2016

Image courtesy van  Andrew
Hecker; image source:
Wikimedia Commons

Dit jaar zullen de Olympische Spelen aan de wereldtop van de athleten nog eens de kans geven om zichzelf te bewijzen en records te vermorzelen bij sportevenementen in Rio de Janeiro, Brazilië. Samen met hun training, geschiktheid en gewoon talent, zullen de deelnemers nog iets hebben die hen kan helpen te slagen in hun opzet: technologie.

Voor lopers zijn het vooral de nieuwste baanoppervlakken die hen in staat zullen stellen om hun beste resultaten te behalen. In tegenstelling met lopers die als hobby oefenen in straten en parken en die betrouwen op hun sportschoenen om de schokken op te vangen en ook voor het springvermogen nodig bij elke stap, verwacht je niet dat voor professionele lopers het baanoppervlak op zich daarvoor moet zorgen. Dit toont de kloof in performatieniveau tussen school- of amateursporten met als doel ontspanning of fitness en competitief  sporten op topniveau. De energiën vereist voor versnellen, vertragen, springen ondermeer zijn merkelijk verschillend: een Olympische sprintster lopend op volle snelheid zou zich waarschijnlijk kwetsen op een harde baan door de hoge impact op haar gewrichten. In tegenstelling hiermee zal een jogger of een leerling van een school die schoenen draagt gevoerd met kussentjes atheletiekbanen te zacht vinden.

Figuur 2: Een athleet klaar om te starten. Noteer de schoenen zonder kussentjes: bij topniveau wedstrijden, is het de baan die de impacten absorbeert tijdens het lopen, niet de schoenen
Image courtesy van Mondo SpA

Krachten in actie

Lopen is feitelijk een serie gecontroleerde impacten op de grond, zodat het ideaal oppervlak voor voldoende absorptie van schokken moet zorgen om kwetsuren te vermijden (speciaal van de enkels, kniëen en ligamenten) en terzelfde tijd een sterke, stabiele ondergrond moet leveren om de athleet toe te laten om zich vooruit te duwen.

Laten we kijken naar de krachten tussen de athleet en de renbaan bij het lopen. Bij iedere stap, gebruikt  die de spieren van z’n  benen (en de wrijving tussen de baan en de zool van z’n schoenen) om tegen de grond te duwen.  Newton’s derde bewegingswet zegt:

Voor iedere actie[kracht], is er een gelijke en tegengesteld gerichte reactie[kracht].

Dit betekent dat als een athlete drukt tegen de baan, de baan een even grote en tegengesteld gerichte kracht uitoefent op de athlete, haar vooruit duwend. Dit wordt dikwijls de reactiekracht van de grond genoemd.

Newton’s tweede bewegingswet zegt:

Kracht = massa x versnelling.

Voor de athlete geldt dat hoe groter de kracht is die haar vooruit duwt, hoe groter haar versnelling is.

Figuur 3. Een sprinter op het punt om te starten
Image courtesy van tableatny; image source: Wikimedia Commons

Newton’s tweede wet helpt ook om uit te leggen wat er iedere keer gebeurt wanneer een athleet de grond raakt bij het lopen. Wanneer de voet de baan raakt, wordt die afgeremd tot stilstand alvorens de baan terug te verlaten. Hoe vlugger de afremming, hoe groter de impactkracht op de voet. Daarom zal de baan er voor moeten zorgen dat de afremming traag genoeg gebeurt om de impact dragelijk te houden, maar vlug genoeg om de snelheid bij het lopen in stand te houden. Het is daarom dat er bijzondere materialen moeten gemaakt  worden die noch te zacht noch te hard zijn.

Figuur 4: Olympisch Stadium van Londen met oppervlak van rubberpolymeer voor baan-  en veldwedstrijden
Image courtesy van Mondo SpA

Harde en zachte materialen

In het dagelijks leven, krijgen we maken met materialen met verschillende samenstelling: van hard (vaste metalen) tot zacht, (vloeistoffen). Laten we dieper  nadenken over die karakteristieken.

  • Alhoewel hard zijn metalen elastische materialen. Zoals een veer zal een metaaldraad uitrekken wanneer een kracht erop werkt en daarna terugkeren naar z’n beginlengte wanneer de kracht verdwijnt. (Als de kracht te sterk is en het metaal uitrekt voorbij z’n elasticiteitsgrens, zal de draad permanent uitgerokken blijven.) Energie wordt opgestapeld door het materiaal wanneer het uitgerokken wordt en wordt vlug vrijgegeven wanneer het terug springt.
  • Vloeistoffen zijn zachte, niet elastische materialen. Ze zullen vrij vloeien als een kracht (zoals de zwaartekracht) erop werkt en zullen hun vorm niet behouden. De mechanische energie wordt omgezet in warmte, eerder dan opgeslagen in het materiaal. Materialen van die aard worden visceus genoemd.

Zoals figuur 5 aantoont, zal een zuiver elastisch materiaal (bijv. metaal of beton) al de energie van de impact opslaan en onmiddelijk terug afgeven.  Dit veroorzaakt echter reactiekrachten van de baan die niet veilig zijn voor de lopers: er moet energie geabsorbeerd worden door het materiaal van de baan. Anderzijds zullen visceuse oppervlakken de volledige energie van de impact van de voet absorberen en niets teruggeven.

Viscoelastische materialen worden aangetroffen tussen die twee extremen. Deze kunnen een deel van de energie van de impact in warmte omzetten – genoeg om de ligamenten van de atleet te beschermen – terwijl ook genoeg energie opgeslagen wordt  om een bruikbare reactiekracht te leveren om de atleet vooruit  te doen bewegen.

Figuur 5. Kracht (F) versus vervorming (D) grafieken tonen hoe plastische (A), viscoelastische (B) en visceuse (C) materialen reageren op toegepast krachten.
Image courtesy van  Joao Bomfim

Waarom polymeren het antwoord kunnen zijn

Wel waar kunnen we een materiaal vinden met de juiste viscoelastische karakteristieken? Een belangrijke groep van viscoelastische materialen zijn de polymeren – de familie van materialen die plastics, rubbers en lijmen omvat. Polymeren bestaan uit grote molecules die honderden en zelfs duizenden atomen bevatten. Omwille van hun grote, kunnen polymeermolecules met elkaar interageren door in rijen te gaan liggen en fysisch met elkaar te verstrengelen. Rubbermolecules zijn speciaal omdat alhoewel ze met elkaar verstrengelen, ze normaal gezien niet met elkaar in rijen gaan liggen, ze blijven enigszins ‘los van elkaar’; ze hebben wat polymeerwetenschappers noemen vrij volume. Dit betekent dat de molecules kunnen buigen en bewegen, van elkaar weg of naar elkaar toe glijden, en toelaten dat het materiaal uitrekt.

Figuur 6. Natuurlijk rubber
(A) reageert met zwavel (S),
dat leidt tot gevulcaniseerd
rubber (B)

Image courtesy van  Joao
Bomfim

Naast fysische interacties, kunnen chemische (covalente) bindingen die dwarsverbindingen genoemd worden gevormd worden tussen polymeermolecules. Polymeermaterialen met veel dwarsverbindingen zijn gewoonlijk hard: epoxylijm is daar een voorbeeld van. In tegenstelling hiermee, hebben de meeste rubbers een relatief klein aantal dwarsverbindingen, zodat ze zachter zijn. Rubber kan gehard worden met een proces dat vulcanisatie genoemd wordt, waarbij zwavelatomen bijkomende dwarsverbindingen vormen tussen de molecules (figuur 6).

Als het vrij volume rubber toelaat uitgerokken te worden, zullen de krachten en de verstrengelingen tussen de polymeermolecules, speciaal de dwarsverbindingen, hen terugtrekken in hun beginposities, rubber zijn elasticiteit gevend.

Figuur 7. Versleten banden
wachtend om gerecycleerd of
verbrand te worden

Image courtesy of Mark
Buckawicki; image source:
Wikimedia Commons

Het is de taak van een polymeerchemist om te weten hoe de juiste materialen en verwerkingsvoorschriften te kiezen voor een bepaalde toepassing, zoals voor renbanen. Naast het kiezen van het juiste rubber met het gepast aantal dwarsverbindingen, moet een polymeerchemist ook aandacht schenken aan de juiste antioxidanten, zodat de banen niet zullen degraderen. Van de warmte, het UV licht door de blootstelling aan zonlicht en het weer is geweten dat ze chemische reacties te bevorderen. Dit is waarom het proces van het harden van rubber (door vulcanisatie, veroudering of het weer) verder blijft doorgaan. Zonder de juiste antioxidanten om dit te beletten zullen meer en meer dwarsverbindingen  gevormd worden, zodat  een renbaan hard zou worden en z’n schokabsorberende eigenschappen zou verliezen, zich meer en meer zou gedragen als een zuiver elastisch materiaal, totdat de lopers het gevoel krijgen dat ze op beton lopen.

Figuur 8. Het oppervlak van
een speelplein bestaande uit
gerecycleerd rubber

Image courtesy van Oxyman;
image source: Wikimedia
Commons

Een ander belangrijke bijdrage van de wetenschap aan de renbanen heeft te maken met de zorg voor het milieu en het recycleren. Inderdaad, veel banen zijn samengesteld uit gerecycleerd rubber. Dit is een slimme manier om het afval dat op een stort terecht komt of verbrandt te verminderen. Banden zijn sterk en soepel – ze moeten het gewicht van een auto dragen en mogen niet breken zelfs als ze terecht komen op een ribbel of in een put van de weg. Oude banden kunnen vermalen worden tot kruimels , gereinigd en gebruikt in de onderste laag van de baan, die niet zichtbaar is en niet in contact komt met de athleten. Rubber van banden heeft uitstekende  viscoelastische eigenschappen en,  gecombineerd met nieuw rubbermateriaal aan het oppervlak van de baan die het beschermt tegen oxidatie, kan het een veilige en vlugge renbaan geven. Inderdaad, kruimels van rubber van banden worden reeds gebruikt op veel speelplaatsen als een veilige, absorberende ondergrond om kinderen te beschermen wanneer ze vallen. Op nagenoeg dezelfde manier, beschermt het topathleten die trachten wereldrecords te breken. Als je de athleten bekijkt die deelnemen aan de Olympische Spelen, kan je de wetenschap achter die gouden medailes meer op waarde schatten.

Download

Download this article as a PDF

Resources

Author(s)

João AS Bomfim is een chemist die een  PhD in polymeerwetenschappen heeft van  de Federale Universiteit  van Rio de Janeiro, Brazilïe. Hij  werkte als researchwetenschapper zowel in de academische wereld als de industrie,  en heeft nieuwe plastic- en rubberachtige materialen ontwikkeld vooraleer de Luxemburgse tak van Mondo Group te vervoegen als  research- en ontwikkelingsexpert met als opdracht nieuwe  sportoppervlakken op punt te stellen.


Review

Vooraleer te beginnen met een tradicionele les over polymeren of de wetten van Newton, neem de tijd om dit artikel over de technologische geheimen van moderne sportbanen te lezen. Deze beknotte en eenvoudige tekst bevat veel interessante informatie en heelwat inspirerende ideëen voor het onderwijzen van organische chemie, fysica, biologie en milieuleer. De auteur doet een beroep op de nieuwsgierigheid  van de leerling en z’n interesse voor sport in de aanloop naar de Olympische Spelen van 2016, en maakt gebruik van heldere voorbeelden die uit het leven van elke dag gegrepen zijn.

Dit artikel is bruikbaar voor leraars  wetenschappen en leerlingen van de secundaire school. Het zou kunnen gebruikt worden als opwarmingsactiviteit voor het inleiden van organische chemie (polymeren, chemische structuur van natuurlijk of synthetisch rubber, chemische bindingen, vulcanisatie,  chemische eigenschappen van rubber en industrieel gebruik). Het zou ook gebruikt kunnen worden als het startpunt voor een les fysica  (Newton’s tweede en derde wet, elasticiteit, viscositeit, of menselijke lichaamshefbomen), biologie (anatomie, samentrekken van spieren, of biomechanica) of milieuleer (het gebruik van rubber, productie van rubber, verwerking, natuurlijk en synthetisch rubber, levensloop van rubber, opslag en recycling). Een ander interessant onderwerp voor discussie zou kunnen zijn de technologie van inrichtingen voor professionele en amateur sporten. Het zou ook kunnen gebruikt worden als een startpunt voor een onderzoek in verband met de  technische kanten van sportuitrusting zoals  schoenen, ballen, zwempakken of helmen.

Mogelijke denkvragen:

  1. Welke delen van het lichaam worden gewoonlijk NIET gekwetst bij het impact met de grond gedurende het lopen?
  1. Enkels
  2. Tenen
  3. Ligamenten
  4. Kniëen.
  1. Vergeleken met de banen voor amateursporten,  zijn professionele renbanen:
  1. Zachter
  2. Harder
  3. Elastischer
  4. Vergelijkbaar.
  1. Welke van de volgende beweringen over rubbermolecules is vals?
  1. Ze zijn grote polymeren
  2. Ze zijn fysisch verstrengeld
  3. Ze hebben een vrij volume
  4. Ze vormen rijen met elkaar.

Giulia Realdon, Italië




License

CC-BY
CC-BY