Hoofdlast draagt lichter dan ruglast

In vele landen dragen mensen routinematig zware lasten op hun hoofd. Bekend zijn bijvoorbeeld de vrouwen van de Luo- en Kikuyo-stammen in Kenia. Er zijn twee intrigerende aspecten aan deze manier van dragen die men tot nu toe niet heeft kunnen verklaren. Het eerste is dat deze vrouwen lasten kunnen dragen tot één vijfde van hun eigen gewicht zonder méér zuurstof c.q. energie te verbruiken. Het tweede is dat zij tijdens het dragen van zwaardere lasten veel minder energie verbruiken dan mensen die getraind zijn in het dragen van zware lasten op hun rug, zoals soldaten.

Fysiologen van de universiteiten van Leuven en Milaan en van Pharos Systems in South Chelmsford (VS) hebben de mechanica van dit dragen op het hoofd bestudeerd. Zij maakten gebruik van een zes meter lang meet-platform, waar vijf Keniase vrouwen en twaalf Europese proefpersonen overheen moesten lopen. Tijdens het lopen werden de krachten in voorwaartse richting en in vertikale richting gemeten en aan de hand daarvan werden de hierbij optredende veranderingen in potentiële en kinetische energie berekend. De Europese proefpersonen droegen hun last op de rug.

Voetpunt

Het lopen wordt in mechanisch opzicht gekarakteriseerd door een cyclische verandering in zowel de hoogte als de voorwaarts gerichte snelheid van het zwaartepunt van het lichaam (of het systeem lichaam-last), net zoals bij een slinger. Dit komt doordat het zwaartepunt zich tijdens het lopen achtereenvolgens vóór en voorbij het punt bevindt waar de voet de grond raakt en daarbij tevens iets omhoog respectievelijk omlaag beweegt.

Bevindt het zwaartepunt zich vóór het 'voetpunt', dan scharniert het via het been iets omhoog en neemt de snelheid in voorwaartse richting af: een deel van de kinetische energie wordt omgezet in potentiële energie. Is het zwaartepunt het voetpunt gepasseerd, dan daalt het weer en neemt de snelheid in voorwaartse richting toe: een deel van de potentiële energie wordt weer omgezet in kinetische energie.

Bij een ideale, wrijvingsloze slinger wordt alle potentiële energie omgezet in kinetische - en omgekeerd - en behoeft er geen energie te worden toegevoerd om de slinger in beweging te houden. Het rendement van de energie-omzettingen bedraagt 100 procent en de totale energie die in het zwaartepunt ligt opgeslagen blijft constant. Mensen zijn echter geen wrijvingsloze slingers. Tijdens het lopen wordt niet alle potentiële en kinetische energie teruggewonnen, maar gaat van beide een deel verloren. Deze verliezen worden aangevuld door de spieren (die ook constant de energie moeten leveren om de persoon - met of zonder last - overeind te houden).

De metingen op het wandelplatform laten zien dat de potentiële energie en de kinetische energie bij de Afrikaanse en Europese proefpersonen die géén last dragen tijdens iedere stap op vrijwel dezelfde, cyclische manier varieert. Als beide groepen een last torsen, wordt de amplitude van de twee cycli bij beide groepen groter, maar is bij de Afrikaanse vrouwen de cyclische variatie van de totale hoeveelheid energie kleiner dan die bij de Europese proefpersonen. Dit wijst er op dat bij de Afrikaanse vrouwen tijdens het dragen van zware lasten meer energie wordt teruggewonnen (Nature 375, p. 52).

Bij beide 'onbelaste' groepen wordt tijdens iedere stap ongeveer 65 procent van de potentiële en kinetische energie teruggewonnen. Tijdens het dragen van een last gaan er echter verschillen optreden. Bij de Europese proefpersonen blijft dit percentage bij toenemend gewicht vrijwel gelijk, wat betekent dat de Europeanen voor het verplaatsen van zwaardere lasten (op hun rug) relatief steeds meer arbeid moeten verrichten.

Slingerbeweging

Bij de Keniaanse vrouwen blijkt het rendement van de energie-omzettingen bij toenemend gewicht echter ook toe te nemen: in sommige gevallen worden zelfs waarden tot boven de 80 procent bereikt. De arbeid die moet worden verricht voor het verplaatsen van een last neemt daardoor bij het zwaarder worden van de last relatief af. Daardoor kunnen deze vrouwen ook een last tot 20 procent van hun eigen gewicht dragen zonder meer energie (gemeten naar de hoeveelheid zuurstof) te verbruiken.

Het toenemen van het rendement van deze energie-omzettingen vloeit voort uit een betere 'slingerbeweging', waardoor er meer energie behouden kan blijven. Dit mechanisme werkt blijkbaar het beste als men de last op het hoofd draagt. In feite worden de vrouwen tijdens het dragen van zwaardere lasten 'betere slingers', aldus de onderzoekers, die verder nog opmerken dat men voor het dragen van een zware last op het hoofd natuurlijk wel ervaring en voldoende sterke spieren moet hebben. Dit laatste zou kunnen verklaren waarom dit energiebesparende mechanisme bij corpulente Afrikaanse vrouwen niet aanwezig is.