Ers nieuw onderzoek naar de wetenschap van hardlopen op blote voeten

Het was Daniel Lieberman, de evolutionaire bioloog van Harvard die me voor het eerst aan het denken zette over botsingskrachten. In 2010 publiceerden hij en zijn collega’s een zeer invloedrijke studie in Nature, waarin de “botsingskrachten” werden vergeleken van voeten die de grond raken bij hardlopers met en zonder schoenen die op hun hiel of voorvoet landen. De grote verschillen in de krachtcurves leverden cruciale wetenschappelijke ballast voor de minimalistische loopbeweging – maar een nieuwe studie suggereert dat we die curves misschien helemaal verkeerd hebben geïnterpreteerd.

De nieuwe studie, die verschijnt in het Journal of Applied Physiology, is afkomstig van de biomechanicagroep van Peter Weyand aan de Southern Methodist University, geleid door zijn voormalige promovendus Andrew Udofa, samen met Ken Clark (die nu aan de West Chester University werkt) en natuurkundige Laurence Ryan. Door opnieuw na te denken over wat hardloopkrachtcurves ons vertellen, kunnen ze een lang bestaand mysterie over de rol van schoendemping oplossen en mogelijk een toegankelijke en geïndividualiseerde manier bieden om te testen welke schoenen het beste voor je zijn.

Als je iemand vraagt om op een dure loopband (die enkele honderdduizenden dollars kost) of op een in de grond geïnstalleerde krachtplaat te lopen, krijg je een karakteristieke curve die je laat zien hoeveel kracht de loper bij elke stap verticaal op de grond uitoefent (en omgekeerd, zoals Isaac Newton al bedacht, hoeveel kracht de grond in je lichaam stuurt). Hier, uit Liebermans artikel uit 2010, is een typisch voorbeeld van iemand die op blote voeten rent en op zijn hiel landt:

Het belangrijkste kenmerk dat je moet zien, is de kleine piek aan de linkerkant van de curve. Dat is je hiel die tegen de grond slaat, een fractie van een seconde voordat de volledige kracht van de rest van je lichaam op de grond drukt. De overheersende mening onder biomechanici is dat het niet de totale grootte van de kracht is (die hier ongeveer 2,4 lichaamsgewicht bedraagt) die bepaalt hoe groot de kans is dat je geblesseerd raakt; in plaats daarvan is het hoe snel de kracht wordt uitgeoefend, ook bekend als de belastingsgraad. Dankzij de minipiek van de hielbotsing, loopt de kracht in dit plaatje erg steil op, wat vermoedelijk slecht is.

Nu een vergelijking: hoe ziet de kracht eruit als je in plaats daarvan op je voorvoet landt:

Het kleine piekje is weg! Dat betekent dat de belasting lager is, en dat je minder kans hebt om gewond te raken. Tenminste, dat is de theorie.

In werkelijkheid, volgens de nieuwe studie, is de kleine piek er nog steeds; het is gewoon verdoezeld door de grotere. In 2014 stelden Weyand, Clark en Ryan wat zij noemden een “twee-massa model” voor om te verklaren hoe dit soort krachtcurves variëren onder verschillende omstandigheden. In dit model bestaat de krachtcurve altijd uit twee afzonderlijke componenten: een kleine piek die overeenkomt met je voet en onderbeen die tegen de grond smakken en bijna onmiddellijk tot stilstand komen; en een grotere, langzamere piek die overeenkomt met de rest van je lichaam dat het laagste punt van zijn op-en-neer-beweging bereikt. De totale kracht is simpelweg de som van deze twee pieken.

Hier ziet het er als volgt uit:

De curve die hier wordt getoond, lijkt veel op Lieberman’s hiel-strike curve. Maar in een onderzoek uit 2017 toonde de SMU-groep aan dat je een zeer vergelijkbare dubbele piek krijgt als je kijkt naar sprinters van wereldklasse – ook al landen ze op hun voorvoet. Dat was een belangrijke aanwijzing dat de mini-piek niet afhangt van welk deel van de voet het eerst de grond raakt. In plaats daarvan is het een functie van hoe snel je kracht op de grond uitoefent, wat niet alleen afhangt van de voetafwikkeling, maar ook van snelheid, schoenkenmerken en andere factoren.

In de nieuwe studie vergeleek het SMU-team de krachtgegevens van acht vrijwilligers in vier verschillende schoencondities: blootsvoets, minimalistisch (Vibram FiveFinger KSO), raceflat met dunne zolen (Nike Zoom Waffle Racer VII), en hardloopschoen met dikke zolen (Asics Gel Cumulus-14). Ze wilden een al lang bestaand mysterie onderzoeken, de zogenaamde “impact force anomaly”, wat inhoudt dat meer demping in schoenen de belasting die hardlopers ervaren niet lijkt te verminderen – een schijnbaar contra-intuïtief resultaat.

Hier zie je hoe hun gegevens eruit zien, met zowel de mini-piek geassocieerd met het onderbeen (J1) als de totale kracht die de som is van beide pieken, voor twee snelheden (~6:40 per mijl en ~3:50 per mijl). De verticale as is, zoals voorheen, de kracht in lichaamsgewicht, en de horizontale as is de tijd in seconden.

Het eerste wat opvalt, is dat voor elke snelheid de stijgende helling van de totale krachtcurve – de belastingsgraad – in alle omstandigheden vrijwel gelijk is. Maar de onderbeencomponent (J1) verandert wel: hoe meer demping ze hebben, hoe steiler en hoger die piek is. Wat is er aan de hand?

Wat de nieuwe resultaten suggereren is dat we onze biomechanica automatisch aanpassen om de algehele belastingssnelheid ongeveer gelijk te houden. In dit onderzoek pasten de lopers de hoek van hun voetbeweging aan om te bepalen hoe lang de J1-impact duurde. Op blote voeten landden ze op hun voorvoet, wat de landing verlengt en verzacht, waarbij de kuitspieren en achilles als schokdemper fungeren. In de trainer met dikke zolen konden ze door de aanwezigheid van demping direct op hun hiel neerkomen, wat leidde tot een scherpere J1-curve zonder dat de totale belastingssnelheid veranderde.

Wat hier belangrijk is, is de timing van die impactpiek. Als de eerste piek lang genoeg wordt uitgesteld, verdwijnt hij in de hoofdpiek, zoals bij de gegevens van Lieberman uit 2010. Maar door die piek te vertragen, komt hij uiteindelijk op een punt waar de andere, langzamere krachtcomponent van de rest van het lichaam veel groter is. Met andere woorden, je vermindert een van de krachten maar vergroot de andere, en eindigt met een vergelijkbare totale kracht.

Ik realiseer me dat we hier in het biomechanische onkruid terechtkomen, dus laten we eens uitzoomen om te zien wat dit betekent. Het grootste praktische inzicht: in de nieuwe SMU-gegevens verandert het veranderen van je schoenen alleen je belastingssnelheid niet noemenswaardig. Of je schoen demping verzacht de impact, of je past je landing aan om demping te krijgen van je kuit en achilles. Kies maar uit, want het eindresultaat – althans onder deze specifieke omstandigheden – is hetzelfde.

Dat wil niet zeggen dat dit systeem waterdicht is. Als je op blote voeten gaat hardlopen en op je hakken landt, omdat je dat gewend bent van een leven lang hardlopen op schoenen, of omdat, zoals in het experiment met Lieberman, de man in het lab je dat heeft opgedragen, dan zul je een zeer hoge belasting genereren, omdat geen van beide beschermingsmechanismen (demping van de schoen of voorvoetstoten) is ingeschakeld.

Aan de andere kant, als je plotseling overschakelt op een voorvoetbeweging na een leven lang op de hiel te hebben gelopen, belast je je kuiten op een onbekende manier, omdat zij de rol van schokdemper op zich nemen. “Er zijn waarschijnlijk gevolgen voor de blessures,” zegt Weyand, “en deze komen overeen met de gretige barefoot adapters die achillesblessures krijgen.”

Weyand is echter terecht terughoudend met generaliseren. Dit is een kleine studie van een paar vrijwilligers die onder zeer specifieke omstandigheden en met hoge snelheid hardlopen. Het geeft geen uitsluitsel over welke schoenen of loopstijlen voor iedereen het beste zijn, of hoe deze krachten zich precies vertalen in het risico op blessures, maar het geeft ons wel een betere manier om die vragen te beantwoorden.

Het simpele tweemassamodel betekent dat je niet langer een peperdure loopband nodig hebt om de impactkrachten en de belasting te meten. In plaats daarvan hoeft u alleen maar te weten hoe snel uw onderbeen beweegt wanneer het de grond raakt, hoe lang uw voet op de grond blijft en hoe lang elke stap duurt. U kunt deze parameters verkrijgen met een hogesnelheidsvideocamera, of tegenwoordig met een kleine, op uw been gemonteerde versnellingsmeter. Stop ze in de vergelijking van het twee-massa model, en het spuugt de krachtcurve uit. Dus met wat vrij eenvoudige draagbare technologie, zou je in staat moeten zijn om naar een schoenenwinkel te gaan, vijf paar schoenen te passen, en in real time te weten welke impactkrachten en belastingspercentages je genereert met elk paar.

Voor afstandslopers zou het doel vermoedelijk zijn om de impactkrachten te minimaliseren. Maar het is de moeite waard om op te merken dat voor sprinten het tegenovergestelde geldt. De belangrijkste manier waarop mensen sneller rennen is door harder op de grond te slaan: hoe meer kracht je in de grond kunt ploegen, hoe sneller je zult gaan. “In dit opzicht,” zegt Weyand, “is het minimaliseren van de impact en de belastingssnelheid in strijd met het verhogen van de snelheid. Dat is een van de redenen waarom trainingsschoenen en raceschoenen zo verschillend zijn – en het is iets anders dat je met dit model kunt testen, waarbij je verschillende schoenen en vormveranderingen uitprobeert om te zien wat je maximale krachtafgifte oplevert.

Als we één ding hebben geleerd in de tien jaar sinds de eerste resultaten van Lieberman, is het dat we voorzichtig moeten zijn met het kijken naar krachtcurves in het lab en ervan uitgaan dat we begrijpen hoe ze zich vertalen in resultaten in de echte wereld, zoals blessures en wedstrijdtijden. Dat geldt ook voor de nieuwe gegevens van SMU. Maar het model heeft het potentieel om twee zeer actuele problemen op te lossen: biomechanica uit de ijle laboratoriumomgeving halen en naar de echte wereld brengen; en nuttige inzichten halen uit de stortvloed van gepersonaliseerde gegevens die worden gegenereerd door de opkomende wearable tech. Hopelijk komt daar snel een app voor.

Mijn nieuwe boek, Endure: Mind, Body, and the Curiously Elastic Limits of Human Performance, met een voorwoord van Malcolm Gladwell, is nu verkrijgbaar. Voor meer, volg me op Twitter en Facebook, en meld je aan voor de Sweat Science e-mail nieuwsbrief.