Is fietsen op hoogte nou makkelijker of moeilijker?
Het hoogste punt van Nederland is de Vaalserberg met een topje van 323 m. De onder fietsers populair Amerongse ‘berg’ ‘reikt 69m hoog. Zuurstofniveaus zijn daardoor nog niet echt een probleem. Mijn ervaring met fietsen op grotere hoogtes heb ik opgedaan tijdens een geweldig mooie fietstocht van de oude Inca hoofdstad Cusco in Peru naar de Boliviaanse hoofdstad La Paz. De hoogste pas die we over gingen (La Cumbre) was 4700m hoog.
De luchtdruk loopt daar terug tot 55% van de luchtdruk op zeeniveau, en in een teug lucht zit dan ook heel wat minder zuurstof. Dus het wordt lastiger om al die suikers te verbranden om vooruit te komen. Aan de andere kant is de luchtweerstand ook veel lager, dus heb je ook minder energie nodig om vooruit te komen. Zou dat bij elkaar het fietsen nou makkelijker of moeilijker maken?
Deze vraag heb ik succesvol ingediend voor de nationale Wetenschaps Quiz van 2016.
Minder energie nodig door lagere luchtweerstand
In 2.2.2 zagen we dat luchtweerstand evenredig is met de luchtdichtheid. En is 2.5 leerde de ideale gaswet ons dat luchtdichtheid evenredig is met luchtdruk. Dus varieert luchtweerstand evenredig met luchtdruk.
En de luchtdruk varieert in het onderste deel van onze atmosfeer (de eerste 5,500 meter) rechtevenredig met de hoogte, omdat de kolom lucht die boven op je drukt steeds kleiner wordt als je hoger komt. Op 4000 m is de luchtdruk, en daarmee de luchtdichtheid al 40% lager dan op zeeniveau.
Dat betekent 40% minder luchtweerstand. En bij een 40% lagere luchtweerstand hoef je 40% minder (aerobisch) vermogen te produceren bij dezelfde snelheid.
Minder energie door minder zuurstof
De lucht wordt dus dunner naar mate we hoger komen. Dat betekent minder luchtmoleculen per teug lucht. De verhouding tussen de verschillende luchtmoleculen blijft wel ongeveer gelijk, zuurstof blijft zo’n 21% van de lucht uitmaken. Maar minder lucht betekent minder zuurstof om suikers te verbranden, en dus minder energie om te fietsen.
Dat is gelukkig in 1999 al precies uitgezocht met door David Bassett en collega’s van de ‘Exercise Science Unit’ van de amerikaanse Universiteit van Tennessee [Bassett, 1999].
Zij vonden dat, nadat je goed hebt getrained op een hoogte van 4000 m, je aerobisch vermogen 25% hoger blijkt te liggen als je afdaalt naar zeeniveau en daar het uurrecord gaat proberen te rijden. Omgekeerd, als je eerst goed hebt getrained op zeeniveau, en je gaat daarna fietsen op 4000 m hoogte, dan gaat je aerobisch vermogen omlaag met 27.5%.
Wat wint het: zuurstof of weerstand?
Stel je traint eerst op zeeniveau, en je gaat daarna op een bepaalde hoogte een poging doen om het uurrecord te verbeteren. Dan zijn voor deze situatie (hoge fietssnelheden van wel 50 km/u) de opgetelde effecten van minder zuurstof op aerobisch vermogen en de lagere weerstand ruwweg als volgt:
1000m: -5% aerobic power, -10% weerstand,
2000m: -10% aerobic power, -20% weerstand,
4000m: -30% aerobic power, -40% weerstand.
Interessant is dat zuurstofgehalte en luchtweerstand beiden exact evenveel afnemen als de luchtdruk afneemt. Maar ons aerobische vermogen (zuurstof-opnamevermogen) neemt dus blijkbaar minder hard af dan het zuurstofgehalte!
Dat komt omdat de ‘vanger en transporteur’ van zuurstof in ons bloed (het hemoglobine molekuul) zelfs bij weinig zuurstof in de lucht er nog veel van kan ‘vangen’ en naar onze spieren kan brengen. Op een hoogte van 2000 meter, bijvoorbeeld, is het zuurstofgehalte met 20% afgenomen, maar het zuurstof-transport door hemoglobine slechts 5%.
Kortom, bij fietsen wint het voordeel van de lagere weerstand het van het nadeel van minder zuurstof.
Ook Allan Hahn en collega’s van het Australian Institute of Sport in Canberra hebben studies gedaan [Hahn, 2001] naar fietsen op hoogte. Zij vonden inderdaad dat een snelle overgang naar grotere hoogte de fietsprestaties van goed getrainde fietsers (op vlak terrein) zal verbeteren.
Gaat ook hardlopen makkelijker op hoogte?
De verhouding tussen de hoeveel zuurstof die je bij een bepaalde snelheid nodig hebt en de luchtweerstand bij die snelheid, hangt sterk af van de snelheid en ligt dus bij hardlopen anders dan bij fietsen.
Francois Peronnet en collega’s van de Universiteit van Montreal in Canada [Peronnet, 1991] zochten dat in 1991 al uit voor het hardlopen.
Bij het sprinten liggen de snelheden hoog, dus weegt het voordeel van lage luchtweerstand op hoogte zwaar. Bovendien verbruiken sprinters de eerste 30 seconden vrijwel geen zuurstof (ze gebruiken dan een kleine energievoorraad die je kunt omzetten zonder zuurstof). Dus gaat de 100m sprint in La Paz ≈3% sneller dan op zeeniveau. Maar bij een loopafstand van 400 meter kantelt het. Bij langere afstanden wordt de loopsnelheid gemiddeld lager, en wordt zuurstof belangrijker.
Bij de langste afstand, de marathon, wint het nadeel van mindere zuurstof het van het voordeel van lagere luchtweerstand. De marathon wordt dan ook ≈26 minuten langzamer gelopen in La Paz dan op zeeniveau!
Referenties
Bassett, D.R. Jr., C.R. Kyle, L. Passfield, J.P. Broker, and E.R. Burke (1999). Comparing cycling world hour records, 1967-1996: modeling with empirical data. Medicine and Science in Sports and Exercise 31:1665-76.
Hahn AG, Gore CJ (2001). The effect of altitude on cycling performance: a challenge to traditional concepts. Sports Med. 2001;31(7):533-57.
Peronnet F, Thibault G & Cousineau DL. (1991). A theoretical analysis of the effect of altitude on running performance. J. Appl. Physiol. 70(1): 399-404.