De zwakste schakel
Chris Riezebos
Iemand probeert een zware kast te verschuiven (figuur 1a). We tekenen de krachten op de persoon. De man duwt naar links tegen de kast en dus duwt de kast naar rechts tegen de persoon (Fd).
Figuur 1
a. Fd = reactiekracht van de kast op de persoon. Fz = zwaartekracht (lichaamsgewicht). V = contactpunt van de voet met de vloer. p = momentsarm van Fd. q = momentsarm van Fz. Fr = reactiekracht van de vloer op de voet.
b. Fw = vereiste wrijvingskracht. Fn = normaalkracht. Verder als in figuur 1a.
c. Het been is veel groter dan de arm (beide in de juiste verhouding weergegeven).
d. Het inschakelen van de beenspieren (Fb).
e. Indien de beenspieren meer kracht leveren dan de armspieren aankunnen, duw je met de benen de armen “krom”.
De maximaal te leveren kracht wordt gelimiteerd door het lichaamsgewicht. Er moet immers gelden:
Fd . p = Fz . q. In de aangegeven positie in figuur 1a is de momentsarm (p) van de reactiekracht Fd ca. vier keer zo groot als de momentsarm (q) van de zwaartekracht (Fz). Dat betekent dat deze persoon maximaal slechts een duwkracht kan ontwikkelen van ca. 25% van het lichaamsgewicht. Bij een grotere duwkracht zou hij zichzelf achterover duwen.
Natuurlijk kan iemand een schuinere positie innemen (figuur 1b). Dit stelt echter steeds hogere eisen aan de wrijving en tevens aan de noodzakelijke spierkrachten rond de schouder en elleboog, alsmede die van met name de buikspieren en de heupflexoren. In de aangegeven positie zijn de momentsarmen p en q vrijwel even groot. In dit geval kan de duwkracht Fd maximaal even groot worden als het lichaamsgewicht (Fg). De wrijvingscoëfficiënt moet dan echter de waarde 1 bezitten. Een rubber zool op een droge betonnen weg heeft echter een wrijvingscoëfficiënt van “slechts” 0.6-0.85 (LIT: 1) en de getoonde positie zou dan ook niet mogelijk zijn omdat de voeten naar achteren weg zouden glijden.
Een manier om veel hogere krachten dan het lichaamsgewicht te kunnen leveren lijkt het inschakelen van de beenspieren. Bij hardlopen en springen worden immers reactiekrachten gemeten van 3 tot 6 maal het lichaamsgewicht en de beenspieren zijn dus kennelijk in staat tot deze krachtleverantie.
Het gebruik van de beenspieren bij het duwen wordt weergegeven in figuur 1d.
Echter, de beenspieren staan in deze keten in serie geschakeld met de armspieren. De gezamenlijke beenspieren zijn veel sterker dan de gezamenlijke armspieren. Vanuit rechtopstaande stand een verticale sprong maken van bijvoorbeeld 30 cm is voor de meeste volwassenen een peuleschil. Een dergelijke sprong maken met de armen vanuit een handstandpositie is onmogelijk. Het verschil in kracht tussen arm en beenspieren zit hem in het veel grotere volume – en daarmee een grotere fysiologische doorsnede – van de beenspieren vergeleken met de armspieren (figuur 1c). Bij voluit inschakelen van de beenspieren zouden de armspieren de benodigde kracht dan ook niet kunnen leveren en duwt deze persoon met de benen zijn armen “krom” (figuur 1e).
Literatuur
https://www.engineeringtoolbox.com/friction-coefficients-d_778.html