Piekscheren

Weer valt een doorbraak te melden in het ontwerpen van rugzakken, maar deze keer is het een echte doorbraak. Hij stond al beschreven in Nature van 28 december 2006, maar ontsnapte aan de aandacht. Het nieuws komt van dezelfde onderzoekers die op 9 september 2005 de kolommen van Science haalden. Maar hun idee is in beide bladen totaal verschillend uitgewerkt.

Dat idee is dit: een rugzak bestaat goed beschouwd altijd uit twee delen: een draagstel van banden en buiswerk en de eigenlijke zak waarin de kampeerspullen worden opgeborgen. Meestal zit de zak stevig vast aan het draagstel. Maar het hoeft niet, je kunt de zak ook met speling ophangen in het frame. Dat is precies wat Lawrence Rome, Louis Flynn en een stel andere jongens van de University of Pennsylvania deden. Ze monteerden de zak op een plaat die min of meer vrij kon schuiven langs rails die aan het frame waren vastgemaakt. Een aantal stalen spiraalveren trok de zak naar een evenwichtsstand, maar liet veel beweging toe. Dit is de ‘suspended-load bacpack’.

Het zaakje werd voor Science extra zwaar uitgevoerd: er ging wel 38 kilo bagage in de zak en de drager moest op een tredmolen staan die hem dwong te lopen in een tempo van 6,5 km/h. Snelwandelen. Door een en ander zwiepte de zak zo heftig op en neer dat hij een dynamo kon aandrijven die een zware batterij oplaadde. Rome, Flynn en de anderen verwachtten vooral militaire toepassing maar voor Science hadden ze een scenario bedacht waarbij een eenzame geleerde diep in de jungle na een daglang marcheren ’s avonds nog al zijn waarnemingen in een Excel-bestand moest tikken. Of zoiets. Hij had stroom nodig.

De geleerde had natuurlijk ook een knijpkat kunnen gebruiken, maar het interessante was dat het rendement van de elektriciteitsproductie onder het lopen heel gunstig bleek. Vandaag is verder belangrijk dat de zak in Science-configuratie bijna evenveel naar boven en beneden slingerde als het zwaartepunt van een mens, dat iets boven het bekken ligt, bij het lopen op en neer wipt. Zo’n 5 à 7 cm.

In Nature-configuratie zijn de stalen spiraalveren vervangen door zware elastieken van het soort waaraan ‘bungee jumpers’ hun leven toevertrouwen. Er is gekozen voor een kwaliteit bungee cord die de amplitude van de zak terugbrengt tot ongeveer een derde van de oorspronkelijke uitslag (die gemiddeld 6,8 cm was). De zak is nu gevuld met maar 27 kilo bagage en de backpacker zelf loopt op een molen die op 5,6 km/h staat afgesteld. Dat heet stevig doorlopen. Waar het om gaat is dat het sterk gereduceerde slingeren van de zak nu bijna geheel in tegenfase is met het op-en-neer van het bekken. Gaat het bekken omhoog dan gaat de zak naar beneden en andersom.

Hoe het precies zit weten de onderzoekers zelf nog niet maar daardoor valt het energieverbruik van de beladen wandeling 6 procent lager uit. De versnellingskracht die de bewegende zak op de backpacker uitoefent is steeds minimaal op het moment dat hij tijdens het lopen even met beide voeten de grond raakt. Bij een normale rugzak of een geblokkeerde suspended-load rugzak is dat door het faseverschil van 180° net andersom. Het vermoeden is dat het daaraan ligt. Natuurlijk is de geholpen rugzak wel een paar kilo zwaarder dan een gewone rugzak, maar netto blijft er toch interessante vermogenswinst over. Heel aantrekkelijk is verder dat de bungee-rugzak de maximale kracht die de draagbanden op de schouders uitoefenen met wel 60 procent vermindert. Het loopcomfort wordt door dit ‘piekscheren’ fantastisch verbeterd. Het is daarom dat de jongens uit Pennsylvania nu opeens denken aan kinderen die met rugzakken vol zware boeken naar school gaan.

In de onderhavige kwestie blijkt het energieverbruik van de zes proefpersonen te zijn afgeleid uit hun zuurstofopname en koolzuurproductie. Met geblokkeerde rugzak (dus: klassiek) bleek het benodigde vermogen gemiddeld 640 watt. Met losse, dus slingerende lading was het maar 600 watt. Lopen zònder rugzak maar in hetzelfde tempo (5,6 km/h) kostte ongeveer 410 watt. Dat is eigenaardig veel, want vaak wordt als richtgetal aangehouden dat een mens (een man) bij kantoorwerk zo’n 120 watt verbruikt. Bij forse inspanning kan dit oplopen tot 2 à 3 maal die waarde. Vermoedelijk heeft het gewicht van de proefpersonen een rol gespeeld, ze wogen gemiddeld 86 kilo.

Nu naar de hand hier op de foto. De literatuur liet weten dat het geen sinecure is het momentaan energieverbruik van het menselijk lichaam te meten en dat wil iedereen graag geloven. Maar zou je met eenvoudige middelen ook een schatting kunnen maken? Dat was de vraag.

Uiteindelijk komt alle uit voedsel vrijgemaakte energie beschikbaar als warmte en je zou kunnen proberen te meten hoeveel warmte een lichaam afgeeft. Deze week is een warme hand, die een volume van ongeveer 500 ml bleek te hebben, gestoken in het getoonde bekerglas dat vooraf was gevuld met 600 ml water van 14°C. Toen stroomde de beker net niet over. Binnen een minuut was de temperatuur ongeveer 1,5°C gestegen. Makkelijk valt te berekenen dat dit 63 watt aan vermogen heeft geëist. Omdat het lichaam waar de hand aan vast zat een volume van ongeveer 77 liter heeft levert moet het totaal vermogen van dat lichaam 154 keer zoveel zijn, was de onontkoombare conclusie. Dus 9700 watt, wat anders?

Maar dat is een factor 100 te veel! Volgende keer: wat er fout was en hoe het beter kan. Met een achterlichtje en een batterij.