Energieverbruik bij gaan en lopen

Tijdens het gaan en lopen wordt veel energie verbruikt. Waar gaat deze energie nou eigenlijk aan verloren? In dit artikel wordt ingegaan op waar tijdens het gaan en lopen energie aan verbruikt wordt. Het gaan en lopen in dit artikel is gebaseerd op het Inverted Pendulum Model. Er bestaan ook andere theorieën over het gaan maar deze worden in dit artikel niet besproken.

De omgekeerde slinger

Om de transitie tussen het gaan en lopen te verduidelijken wordt er hierbij gebruik gemaakt van een model waarin een been voorgesteld wordt als een massaloze staaf met de lengte L waarop een bol rust met een massa m voorstellend de romp. De standfase van het gaan wordt gemodelleerd door de staaf vanuit een positie van hielcontact, waarbij het been onder een hoek van bijvoorbeeld 65° met de vloer staat, over de vloer te laten kantelen. De massa doorloopt hierbij een cirkelbaan met als straal de beenlengte. Dit model van het gaan staat bekend als ‘the inverted pendulum’ (de omgekeerde slinger). Een massa die langs een cirkelbaan beweegt, bezit een steeds wisselende snelheidsrichting. Deze verandering van de richting van de snelheid van de massa wordt de centripetale versnelling genoemd. Deze versnelling die loodrecht op de baan van de massa staat is het gevolg van een kracht die op de massa moet werken om hem in de baan te houden. Denk hierbij aan een steen die u aan een touwtje ronddraait. De spankracht in het touw levert de noodzakelijke kracht die de steen in de cirkelbaan houdt. Of, met andere woorden: de spankracht veroorzaakt de centripetale versnelling van de steen die nodig is om hem in de baan te houden. De noodzakelijke centripetale versnelling hangt samen met de snelheid. Hoe harder u draait hoe hoger de spanning in het touw. Zo is het ook met de massa van het lichaam die tijdens de standfase een cirkelbaan doorloopt. Hoe sneller u loopt, hoe groter de kracht die nodig is om de massa van uw lichaam in de cirkelbaan te houden. In het geval van het been in de standfase is er geen touw aanwezig dat er voor kan zorgen dat de massa in zijn baan blijft. De voet staat immers los op de grond. De enige kracht die de voet aan de grond houdt is de zwaartekracht.
In het inverted pendulum model is er een ‘single support’ fase en een ‘double support’ fase. In de single support fase tijdens het gaan is er een been wat op de grond staat en het andere been is in de zwaaifase. Wanneer de double support fase begint komt het tweede been op de grond en veranderd de neerwaartse versnelling in de heup in een versnelling omhoog, zodat het andere been in de zwaaifase komt. Dit verschijnsel wordt ‘step to step transition’ genoemd.

Invloed van staplengte

De staplengte bij het gaan heeft een zekere invloed op het energieverbruik bij het gaan. Wanneer iemand met hele kleine stappen loopt verbruikt diegene heel weinig energie bij de step to step transition. Maar dat betekend ook dat de energie die gewonnen wordt om op te slaan ook niet veel is.Wanneer men de staplengte bij het gaan groter maakt zal het ook meer energie kosten bij de step to step transition, dus wordt er meer energie verbruikt. Naarmate de staplengte dus groter wordt zal het meer energie kosten om vooruit te lopen.

Invloed van stapbreedte

Ook de stapbreedte heeft een invloed op het energieverbruik bij het gaan. Wanneer wordt gelopen met een zo klein mogelijke hoek bij het gaan zal dit weinig energie kosten, omdat de bekken niet ver kantelen in het frontale vlak. Wanneer iemand loopt met een grote hoek tussen de beide benen bij het gaan zal dit aanzienlijk meer energie kosten dan bij een kleinere hoek. Bij een grote hoek zullen de bekken meer kantelen in het frontale vlak.

Invloed van de enkelfunctie

Mensen met een prothese (onder)been hebben veel meer moeite met de toe off in het prothese been. Dit komt omdat mensen met een onderbeenprothese niet zelf de flexie en extensie kunnen aansturen in de prothese. Waardoor deze mensen extra energie moeten leveren met het intacte been, waardoor er een hoger vermogen geleverd moet worden.