Wanneer we het hebben over menselijke snelheid, denken we onmiddellijk aan de sprint. Usain Bolt bereikte een piek van bijna 44 km/u met zijn record op de 100 meter in 9,58 seconden. Dit cijfer is indrukwekkend, maar vertelt slechts een deel van het verhaal. De maximale snelheid van het menselijk lichaam hangt af van wat we meten: hardlopen, de tolerantie voor versnellingen in een voertuig, of vrije val. Elke situatie brengt zeer verschillende fysiologische beperkingen met zich mee.
Contacttijd met de grond: het echte plafond van de sprint
We denken vaak dat sneller rennen betekent dat je harder op de grond moet duwen. Recent onderzoek in de biomechanica toont iets anders aan. Bij wereldklasse sprinters is de pieksnelheid gerelateerd aan een contacttijd met de grond van minder dan 0,09 seconde, met verticale krachten van drie tot vijf keer het lichaamsgewicht.
Het werk van Weyand et al. (Journal of Applied Physiology, 2010) heeft aangetoond dat de snelheidslimiet niet voortkomt uit de maximale kracht van de benen, maar uit de snelheid waarmee deze kracht wordt toegepast tijdens een extreem korte contacttijd. Hier bereiken we een neuromusculair knelpunt: het zenuwstelsel kan de spiervezels niet veel sneller activeren.
De beste sprinters bereiken een horizontale snelheid van ongeveer 12,2 tot 12,4 m/s. Om de maximale snelheid van het menselijk lichaam in detail te verkennen, moet men begrijpen dat toekomstige verbeteringen zullen draaien om zeer kleine aanpassingen in de contacttijd en de zwaaifase van het vrije been, niet om een spectaculaire sprongetje in brute kracht.
Pieksnelheid bij hardlopen: record en ruimte voor verbetering
Het record van Usain Bolt blijft de absolute referentie voor menselijke sprint. Zijn pieksnelheid werd gemeten tussen de 60e en 80e meter van zijn race, waar de versnelling plaatsmaakt voor het handhaven van de maximale snelheid.
Wat opvalt wanneer je de evolutie van de 100 meter records over verschillende decennia bekijkt, is de vertraging van de winst. We schaven nu aan honderdsten van een seconde, niet aan tienden. Verschillende biomechanici schatten dat de ruimte voor verbetering van het wereldrecord zeer klein is, van enkele honderdsten op zijn best.
Waarom dit plafond? De beperkende factoren stapelen zich op:
- De contacttijd met de grond kan niet onder een fysiologische drempel komen zonder dat de voet zijn vermogen verliest om kracht aan de grond over te brengen.
- De “swing” fase (de terugkeer van het vrije been naar voren) wordt beperkt door de lengte van de botsegmenten en de snelheid van samentrekking van de heupbuigers.
- De peesstijfheid, met name van de achillespees, speelt de rol van een veer waarvan de elasticiteit een mechanische limiet heeft.
We hebben het dus niet over een absoluut plafond, maar over een afnemend rendement waarbij elke winst een onevenredige optimalisatie vereist.
Versnelling en G-krachten: wat het lichaam aankan buiten de race
De brute snelheid zelf vormt geen probleem voor het menselijk lichaam. Astronauten van het ISS draaien rond de 28.000 km/u zonder enige hinder te voelen. Wat verwondt of dodelijk is, is niet de snelheid, maar de verandering van snelheid: de versnelling of de vertraging.
We meten deze belasting in G (meervouden van de aardse zwaartekracht). Jachtpiloten ondergaan regelmatig versnellingen van meerdere G tijdens scherpe manoeuvres. De tests die werden uitgevoerd in de centrifuge van Johnsville, Pennsylvania, tijdens de voorbereiding van het Apollo-programma, hebben tolerantiegrenzen voor mensen vastgesteld in verschillende lichaamshoudingen.
De tolerantie voor G hangt af van de toepassingsas en de duur. Een korte versnelling van borst naar rug wordt veel beter verdragen dan een langdurige versnelling van hoofd naar voeten, die een zwart doek en vervolgens bewustzijnsverlies veroorzaakt door het afvoeren van bloed uit de hersenen.
Brutale vertraging: het gevaarlijkste scenario
Bij een auto-ongeluk of een val is het de vertraging die de verwondingen veroorzaakt. De inwendige organen blijven bewegen met de initiële snelheid terwijl de borstkas stopt. De hersenen botsen tegen de schedel, de lever scheurt op het niveau van zijn ophangbanden.
De meningen verschillen over de exacte drempel van dodelijke vertraging, omdat deze afhangt van de duur van de blootstelling, de as en de bescherming die wordt gedragen. We weten dat piloten hebben overleefd bij zeer hoge pieken van vertraging gedurende fracties van een seconde, terwijl gematigde maar langdurige versnellingen voldoende zijn om ernstige verwondingen te veroorzaken.
Vrije val en terminale snelheid: een bijzonder geval
Vrije val illustreert een ander aspect van menselijke snelheid. Een lichaam in buikligging bereikt een terminale snelheid van ongeveer 200 km/u in de standaardatmosfeer, afgeremd door de luchtweerstand. In een hoofd-naar-benen positie, met de armen langs het lichaam, neemt deze snelheid aanzienlijk toe door de vermindering van het frontale oppervlak.
Bij de vrije val sprong vanuit de stratosfeer door Felix Baumgartner in 2012, overschreed de snelheid Mach 1 (meer dan 1.200 km/u) vanwege de zeer lage luchtdichtheid op hoogte. Het menselijk lichaam heeft de geluidsmuur doorbroken zonder schade, omdat de versnelling geleidelijk was en de dynamische druk beheersbaar bleef op deze hoogte.
Dit geval toont aan dat de absolute snelheid op zich geen biologische limiet heeft. Een mens zou theoretisch met elke snelheid kunnen reizen, inclusief een significante fractie van de lichtsnelheid, zolang de fasen van versnelling en vertraging binnen de door het lichaam verdraagzame grenzen blijven.
Wat de werkelijke limiet van het menselijk lichaam ten opzichte van snelheid definieert, is nooit de teller in km/u. Het is de brutaliteit van de verandering. Een sprinter stuit op de capaciteit van zijn spieren om de grond in minder dan een tiende van een seconde te raken. Een piloot stuit op het bloedverlies veroorzaakt door de G-krachten. Een ongevalpassagier stuit op de onmiddellijke vertraging. Elke context stelt zijn eigen plafond, en geen van deze is echt een kwestie van pure snelheid.