Als je binnen een bepaalde tijd een stuk moet lopen, ga je dan hard lopen, rustig rennen, of een combinatie van die twee? En waarom doe je dat? Dat is nu misschien ontdekt: onbewust ben je energiezuinig bezig.
Het is het eeuwige dilemma als je op een stukje lopen van een bus- of treinstation woont of werkt: ga ik vroeg weg en doe ik rustig aan, of blijf ik nog net wat langer in bed liggen en haast ik me naar het station? Ingenieurs van de afdeling mechanische- en luchtvaartbouwkunde van de Ohio State University hebben dit probleem zowaar onderzocht en ontdekten waarom mensen lopen zoals ze lopen: onbewust probeer je zo min mogelijk energie te verspillen.
De wetenschappers ontdekten dit door mensen een stuk te laten lopen. Aan dit lopen waren wel eisen verbonden: het moest binnen een bepaalde tijd én de proefpersonen mochten niet te vroeg arriveren. Met dat soort eisen was al eerder onderzoek gedaan. Hierin liepen de proefpersonen echter op een loopband.
Lopen en rennen
De onderzoekers vonden dat een loopband de werkelijkheid niet goed benadert, onder andere omdat proefpersonen dan geen gevoel van afstand hebben. Zij lieten de deelnemers dan ook in open ruimten lopen. Hierbij hadden de onderzoekers wel een voorwaarde voor de proefpersonen: ze mochten niet te vroeg op de plek van bestemming komen. Dit betekende voor hen dat ze dus geforceerd een maximum gemiddelde snelheid hadden, afhankelijk van het tijdsbestek dat ze hadden om een vaste afstand te overbruggen. Wat bleek? Men ging op drie verschillende manier bewegen. Sommigen liepen het hele stuk (hoewel dat soms meer snelwandelen was, omdat de proefpersonen dus binnen een bepaalde tijd klaar moesten zijn), sommigen renden en anderen gebruikten een combinatie van deze twee manieren.
Precies dat gedrag moest verklaard worden. De onderzoekers vermoedden dat energieverbruik, al dan niet onbewust, een belangrijke rol speelde in loopmanier. Om dit vermoeden te testen gebruikten de ingenieurs wiskunde.
ScienceFlash NewsUpdate over de maximale snelheid van de mens.
Formules voor bewegen
Zowel voor lopen als voor rennen zijn namelijk formules bekend die berekenen hoeveel energie het kost om te lopen of rennen met een bepaalde snelheid. Snel lopen kost bijvoorbeeld veel meer energie dan op dezelfde snelheid rennen. De onderzoekers ‘plakten’ deze twee formules in een grafiek aan elkaar, om zo een curve te krijgen voor een combinatie van lopen en rennen.
Hier zie je hoe de wetenschappers de ‘loop-ren’ curve hebben gemaakt. De blauwe lijn in het eerste en derde plaatje is een grafiek van de loopformule, de rode van het rennen. Door het snijpunt van deze twee lijnen te vinden en de oranje grafiek via dit snijpunt te tekenen, krijg je een nieuwe lijn. De convexheid van deze lijn bepaald of een loop-rencombinatie effciënt is of niet. Het tweede plaatje van links toont een niet-convexe curve, terwijl het laatste plaatje een convexe curve laat zien.
Journal of the Royal Society, Leroy L. Long IIIMet deze formules blijkt een combinatie van lopen en rennen alleen energiezuinig te zijn als de grafiek die ontstaat niet convex is. Niet-convex betekent dat de lijn in de grafiek hol is (zie afbeelding). Je krijg zo een holle lijn als het verschil tussen je energieverbruik tijdens het rennen niet veel groter is dan je energieverbruik tijdens het lopen. Als je veel efficienter bent tijdens het lopen óf tijdens het rennen, is het logischer om alleen te rennen of te lopen. In die zin is het dan ook begrijpelijk dat het wiskundige model dit aangeeft.
Maar wat bleek nu? De snelheden en loop-rencombinaties van de proefpersonen kwamen overeen met de energiecurves. Dat betekent dat mensen die een klein verschil in energieverbruik tussen lopen en rennen hebben, ook echt een combinatie van de twee gebruikten. Dat de theorie en de praktijk zo overeenkwamen was voor de onderzoekers een mooi resultaat.
“Hoe bedoel je, ik loop te langzaam? Voor mij is dat gewoon energie-optimaal.”
Kaptiv8, DevianartKinderen en honden
Ze vermoeden dan ook dat hun idee veel ogenschijnlijk ongunstig natuurlijk loopgedrag kan verklaren. Kleine kinderen bijvoorbeeld, die – met hun kleinere benen – eerst ver achterraken op hun ouders om vervolgens achter ze aan te hollen en ze in te halen, lijken hiermee dus waarschijnlijk juist energetisch slimmer een bepaalde afstand binnen een bepaald tijdsbestek af te leggen, dan met een constante (benodigde) snelheid.
Dikke kleine hondjes die, om af te vallen, op een loopband worden gezet en zichzelf vervolgens lui naar het einde laten zaken voordat ze zich weer naar voren haasten. Nu wordt vaak gedacht dat deze hondjes onhandelbaar zijn, maar misschien is dit voor hun gewoon de optimale manier van bewegen. Hoewel honden op een loopband misschien vooral een amerikaans fenomeen zijn is het toch interessant dat het vermoeden op zulke onverwachte manieren toepasbaar kan zijn.