Naar een veiliger bochtbescherming bij schaatsen

Jos Dielis

1. Inleiding

Recente valpartijen bij wedstrijden (oa Wennemars in Moskou, 2009) laten zien dat bij de huidige hoge snelheden in het hardrijden de bochtenbescherming onvoldoende is. Ernstige blessures zijn een gevolg. Dit artikel gaat in op de fysische en mechanische verschijnselen die bij een dergelijke val optreden. Op basis hiervan (en op gezond boeren verstand) zullen een aantal oplossingsrichtingen voor vermindering van de blessurekans gegeven worden.

2. Enkele valpartijen

In de volgende video-opnames zijn de problemen goed te zien.



Na de val glijdt de schaatser door volgens de raaklijn aan de bocht. Hij botst schuin op de kussens en wordt onder eenzelfde hoek teruggekaatst op het ijs. Deze hoek lijkt behoorlijk groot.

In onderstaande beelden komt de schaatser met de rug in de kussens. De indeuking van de kussens is heel klein wat een korte remweg en grote vertragingskrachten oplevert. Ook zie je dat het hoofd naar de borst knikt.

 

 

Dit is de val van Wennemars in Moskou.



Ook hier is de indeuking van de kussens minimaal. Ook hij komt schuin op de kussens waardoor zowel het hoofd als de uitstekende benen een snelle rotatie krijgen. Verder zie je dat Wennemars heel ver terug op de baan geworpen wordt.

 

3. Vóór de botsing met de kussens
 
Hieronder volgen enkele kengetallen die we bij de analyse gebruiken:


Snelheid v

 15 m/s

Massa schaatser m

80 kg

Versnelling zwaartekracht g

9,8 m/s2

Radius bochten (binnen-, buitenbocht, kussens) m

25, 30, 35

Wrijvingscoëfficiënt met ijs Cw

0,1 [1,2,3]

De wrijvingscoëfficiënt van schaatspakken op ijs is niet bekend. Uit een vergelijking met andere stoffen in de literatuur lijkt 0,1 een redelijke afschatting te zijn.

We gaan eerst bepalen met welke snelheid de schaatser tegen de kussens komt en onder welke hoek.
De schaatser beweegt in de bocht volgens de raaklijn aan de straal van de bocht. Hij ondervindt een centrifugale kracht gericht volgens de straal van de bocht en die door het ijs wordt tegengewerkt. Bij een val is direct deze kracht nul en glijdt de rijder volgens de raaklijn over het ijs.
 


De afstand van de valplaats tot aan de bochtenbescherming is resp 18 (buitenbocht) en 24,5 m (buitenbocht). Hij glijdt in een rechte lijn naar de bochtenbescherming. De hoek die hij maakt met de normaal van de kussens is 45 resp 60 graden (binnen resp. buitenbocht).
Een wrijvingscoëfficiënt Cw zorgt voor een vertraging (afremming) a van – Cw.g m/s2. In ons geval betekent dat -0,98 m/s2. Verder
 
            Snelheid v(t) = v(0) + a.t
            Afstand  s(t) = v(0).t + ½. a.t2
            Vertraging a = -Cw.g

Met v(0) is snelheid op moment van vallen en a de vertraging door de ijswrijving kunnen de tijd en de snelheid uitgerekend worden op het moment van botsen met de kussens. Voor de gegevens in de tabel betekent dit

            Val in binnenbocht     na 1,8 sec                    met 13,2 m/s
            Val in buitenbocht      na 1,2 sec                    met 13,8 m/s

De schaatser verliest dus nauwelijks snelheid en komt onder een schuine hoek op de kussens.

 

4. Tijdens de botsing met de kussens

De bochtenbescherming bestaat tegenwoordig uit opblaaskussens. Bij de meeste (?)  ijsbanen zijn de kussens ‘vergrendeld’ aan de grond (zo ook in  Eindhoven via palen achter de kussens). Ze zijn ook zwaar. Een schatting is 50-75 kg per kussen. De kussens zijn hard opgepompt om ze een grote stevigheid te geven. Dat blijkt ook uit de geringe indrukking die een botsende rijder veroorzaakt (zie foto’s).

Door deze (relatief) hoge opblaasdruk en de hoge massa en vergrendeling, is de botsing van de rijder met de kussens in hoge mate als een elastische botsing te beschouwen. Dat is te zien aan de geringe indeuking bij de botsing en de verre terugstoot terug op de baan. Deze geringe indrukking veroorzaakt een hoge vertraging. Bij een indrukking van het kussen van 50cm is de snelheid van 10 m/s (is de component van 15 m/s onder  45 graden)  tot 0 gereduceerd in 0,1 sec. Dit is een vertraging van 100 m/s2. En dit is 10g. In de berekening gaan we uit van een eenparige vertraging, maar bij een hardere boarding heb je scherpe piek die groter is dan 10g. Bij een rekbare boarding neemt de vertraging langzamer toe en heeft geen uitgesproken piekwaarden.  

Wat moeten we ons voorstellen bij een g-force van 10g? [4].   Een mens kan ongeveer 7g positieve versnelling doorstaan. Geoefende piloten kunnen 9g gedurende 30 sec doorstaan zonder drukpak. Voor achtbanen geldt wettelijk een maximaal toegestane g-kracht van 5g. We zien dus dat bij de botsing tegen de kussens, een schaatser versnellingen ver boven de toegestane achtbaan-waardes ondervindt.

Een meer nadelige g-force is de zijdelingse/laterale g-kracht. Hiertegen kan de mens maar veilig 2,5g doorstaan. Deze versnelling treedt bij een botsing tegen de kussens ook op. Door de stroefheid van de kussens en de indrukking glijdt de rijder niet af langs het kussen, maar roteert en krijgt hierdoor een laterale g-kracht. Deze kan in ongunstige situaties zelfs een whiplash veroorzaken. Ook het hoofd dat tegen de kussens botst en een snelheidsomkering krijgt.

 

5. Verbeteringen
5.1. Snelheidsvermindering

Er kunnen verschillende oplossingsrichtingen gevolgd worden. Als eerste zou de snelheid op het moment van de botsing verlaagd kunnen worden. Dit kan door de wrijvingscoëfficiënt van de schuivende rijder met het ijs te vergroten. Een vergroting van deze coëfficiënt van 0,1 naar 0,35 zou de snelheid op het moment van botsen terugbrengen van 13,2 naar 7 m/s voor de binnenbaan en van 13,8 naar 10 m/s voor de buitenbaan. Een verdere verhoging van de wrijving naar 0,5 geeft een reductie van 13,2 naar zelfs 0 m/s voor de binnenbocht (de rijder bereikt de kussens niet) tot een afname van 13,8 naar 7 m/s voor de buitenbocht.

Er is een patent gevonden voor een handschoen die aan de binnenzijde voorzien is van een hoge-wrijvings pad [5].. Hiermee kan de rijder zichzelf afremmen zonder dat deze handschoen een nadelige invloed heeft op de luchtwrijving tijdens het schaatsen.

Geinspireerd op de opmerkelijke haren die een gekko in staat stelt aan gladde vertikale oppervlaktes te blijven hangen, hebben onderzoekers van de Universiteit van Californie [6] een synthetische micro-vezel ontwikkeld die dit ‘gekko’ effect kan nabootsen. De vezels zijn 0,6 micron dik bij een lengte van 20 micron. Het mogelijke gevaar van het verwerken van deze microvezel in een schaatspak is dat de luchtwrijving toe kan nemen. Het zou mogelijk ook positief kunnen bijdragen aan zelfs een vermindering ervan. Dit zal in een windtunnel uitgezocht moeten worden.


Een kleiner gevaar van het vergroten van de wrijving tussen pak en ijs is dat de wrijvingscoëfficiënt groter wordt dan die tussen huid en pak. Deze laatste frictie is in de literatuur bekend. Waardes van 0,37 tussen huid en nylon zijn gemeten. De wrijving van lycra (schaatspakken) met huid is niet gevonden, maar zal in dezelfde orde liggen. Een te grote wrijvingscoëfficiënt met het ijs kan brandplekken op de huid veroorzaken bij een val (denk aan wielrenners die vallen).

 

 

 

 

 

5.2. Bochtbescherming aanpassen

In de auto- en motorracesport is het aantal dodelijke ongevallen sterk afgenomen met de introductie van de grindbak. Waar vroeger de raceauto met een betonnen muur werd tegengehouden bij het uit de bocht vliegen en teruggekatapulteerd werd, ging men de remweg verlengen met een grindbak om  zo de g-kracht drastisch te verlagen. Deze techniek van een onelastische botsing kan men ook bij het schaatsen toepassen. Men heeft daar wel meer ruimte voor nodig.

A. Bochtbescherming loodrecht op valbeweging.
Dit reduceert de zijdelingse g-kracht doordat de botsingshoek rond 0 graden wordt. Dit kan door de individuele kussens elk een aparte stand te geven zoals in onderstaande figuur.



De kussens kunnen roteren rond een van de hoekpunten. Een beschermfolie tussen ijs en kussen voorkomt schaafwonden. Een verbinding tussen de kussens zorgt dat de rijder er niet tussendoor kan schieten.
Nadeel van deze constructie is dat de voorwaartse g-kracht niet vermindert. Ook is het gevaar aanwezig dat de rijder op de punt van het kussen belandt en zo toch een grote rotatie krijgt.

B. Bochtbescherming die ver indeukt
Een remweg van 2 meter is voldoende om in 0,3 sec de snelheid tot 0 te reduceren. Dit betekent een maximale g-kracht van 50 m/s2 (5g). Het kussen is in het geheel niet of zacht opgepompt en wordt met buigzame fibers in vorm gehouden. Tijdens de botsing drukt het kussen geleidelijk in en remt de botsing.

 


C. Bochtbescherming die meebeweegt.
Hierbij is het individuele kussen lichter (max 40 kg) en is in staat om soepel met de rijder mee te bewegen tijdens de botsing. Het kussen kan bijv aan de onderzijde van kleine wieltjes voorzien zijn (zoals onder koffers). Een uitvouwbaar folie, dat zowel aan de ijsrand als aan het kussen bevestigd is, zorgt dat de rijder met het folie over de stenen glijdt. Hierdoor hoeven geen brand cq schaafwonden te ontstaan.
De massa van het kussen moet het juiste gewicht hebben om, samen met de rolwrijving die het kussen heeft met de grond, samen met de rijder over een meter of twee naar achter te gaan.

 

D. Rekbare bochtbescherming.
Deze variant [7] is een flexibele ketting van lichte kussens.

 

6. Conclusie

De noodzaak voor een betere bescherming van de rijder bij een val is noodzakelijk. De oplossing moet zodanig zijn dat de g-versnellingen (lineair als lateraal) die bij de botsing optreden onder de maximale waarden van 5 resp. 2,5 m/s2 blijven. Er zijn diverse oplossingen mogelijk of een combinatie van oplossingen. Te denken valt aan een hoge-wrijvingsstof in (delen van) het pak gecombineerd met een bochtenbescherming die aan andere eisen moet voldoen dan de huidige.

De bochtbescherming die de ijsbaan Eindhoven vroeger had (schuine houten borden die aan de achterzijde met twee poten op de grond steunden), gaven weliswaar kans op een splinter, maar stonden los en schoven tijdens de botsing met de rijder mee. Deze optie lijkt veiliger dan de huidige harde kussens. 

Een poging in een andere richting wordt ondernomen door een Nederlands bedrijf [8] en betreft het aanbrengen van een schuimlaag op het kussen. Dit zal echter alleen de terugstoot op het ijs voorminderen, maar zal de g-krachten, en zeker de zijdelingse, nauwelijks reduceren.

Andere principes zullen moeten worden aangewend om de bochtbescherming veiliger te maken.

 

Oktober 2009
Email: info@dielis.eu

 

1 Coefficients of Friction for Ice, The Physics Factbook, Edited by Glenn Elert, hypertextbook.com/facts/2004/

2 Wrijvingscoëfficiënt, Wikipedia, nl.wikipedia.org/wiki/Wrijvingsco%C3%ABffici%C3%ABnt

3 NVIDIA Developer Forums, developer.nvidia.com/forums/index.php?showtopic=2414

4 Rollercoaster, http://www.05038.06br.thinkquest.nl/gkrachten.htm

5 High-friction glove/wrist guard for ice skating, US Patent Application 20070157364, Comstock and Collins.

6 Engineers Create Gecko-inspired, High-friction Micro-fibers, University of California, Berkeley, Ronald Fearing. www.sciencedaily.com/releases/2006/08/060822121445.htm

7 J.H.A.M.M. Slaats, privé communicatie

8 Terra Leisure Group