Veel mensen vinden natuurkunde op school een lastig vak. Het hoeft helemaal niet lastig te zijn, alles valt of staat ook met de docent die het je uitlegt en de energie die je er zelf in steekt. Natuurkunde is niet moeilijk, maar je moet er wel moeite voor doen, het komt niemand aanwaaien ;-).

Biomechanica

Biomechanica en anatomie worden vaak in één adem genoemd om lezingen, boeken, lessen, cursussen en workshops gewichtiger te doen lijken dan ze zijn. Ingewikkelde tekeningen van paarden met allerlei lijntjes die voor gewone stervelingen niet te begrijpen zijn en ook voor een docent wis- en natuurkunde totaal niet logisch overkomen 😉

Met anatomie in de context van paarden wordt vaak de naamgeving van de verschillende onderdelen van het paardenlichaam bedoeld, dit wordt ook wel topografische anatomie genoemd. Dit kun je vergelijken met het uit je hoofd leren van de hoofdsteden van Europa. Zo kun je ook alle onderdelen van het paardenlichaam uit je hoofd leren, inclusief de ingewikkelde Latijnse namen, maar je kunt je afvragen hoe zinvol dat is, tenzij je graag indruk maakt op een ander. Biomechanica is ook een lekker klinkende term, maar:

Biomechanica is niets anders dan de algemeen geldende wetten van de klassieke mechanica van Newton toegepast op de bewegingen van levende wezens.

Om dit te kunnen begrijpen is basiskennis van natuurkunde noodzakelijk

Zwaartekracht, massa en gewicht

Niets of niemand op aarde ontkomt aan de zwaartekracht, tenzij hij zich ver buiten de dampkring bevindt. In de spreektaal wordt het begrip gewicht gebruikt voor wat natuurkundig eigenlijk ‘massa’ betekent.

  • Massa is een natuurkundige grootheid (iets dat je kunt meten) die de hoeveelheid materie beschrijft, de eenheid (de maat waarin je meet) is (kilo)gram.
  • Met gewicht bedoelen natuurkundigen de kracht die een voorwerp uitoefent op zijn ondergrond, als gevolg van de zwaartekracht.
  • Zwaartekracht is de kracht die twee massa’s op elkaar uitoefenen, maar omdat de meeste voorwerpen vergeleken met de aarde heel veel kleiner zijn, wordt alleen gerekend met de kracht die de aarde op voorwerpen uitoefent.

Zonder zwaartekracht bestaat er geen gewicht, immers zonder zwaartekracht zijn we gewichtsloos, maar niet massaloos! De massa blijft altijd hetzelfde, onafhankelijk van de zwaartekracht. Gewicht en zwaartekracht worden in Newton uitgedrukt. Het verband tussen zwaartekracht en massa:

Fz = m x g

Waarbij Fz staat voor zwaartekracht, m voor massa en g voor de valversnelling op aarde. Deze is 9,81 m/s2 of N/kg, maar voor het gemak kan gerekend worden met 10 N/kg. Iemand met een massa van 60 kg, ondervindt dus ongeveer een zwaartekracht van 600 N, op aarde.

Voor elke beweging van levende wezens op aarde zijn dus de wetten van Newton onverminderd van toepassing. Spierkracht zorgt voor snelheid, versnelling en vertraging. Alleen wanneer er contact is met de grond kan een levend wezen, dus ook een paard, versnellen; bij een zweeffase blijft de snelheid constant. Zodra een paard los is van de grond heeft zijn lichaam een horizontale snelheid, maar ook een verticale snelheid (tegen de richting van de zwaartekracht in).

Voor een paard dat stil staat, geldt dat de nettokracht (op de hoef) nul is. Met andere woorden het gewicht (= de kracht die een voorwerp uitoefent op z’n ondergrond als gevolg van zwaartekracht) is net zo groot als de normaalkracht van de ondergrond. In wetenschappelijke literatuur wordt de kracht van de ondergrond op de hoeven van het paard ook wel de ‘ground reaction force’ (GRF) genoemd, letterlijk vertaald de ‘grond reactiekracht’.

Wanneer we naar de wetten van Newton kijken, kunnen we hier ook direct conclusies voor het paard aan verbinden.

  • De eerste wet van Newton zegt “een lichaam waarop geen resulterende kracht werkt, is in rust of beweegt zich met constante snelheid”. Met andere worden: om van snelheid of van richting te veranderen is een kracht nodig, dus om te versnellen of te vertragen is een kracht nodig. De ground reaction force en de spierkracht zijn de krachten die er voor zorgen dat het paard versnelt of vertraagt, of van richting verandert.
  • De tweede wet van Newton vertelt ons dat de grootte van de versnelling samenhangt met de uitgeoefende kracht en de massa, van het paard in dit geval. Dit merk je bijvoorbeeld als je iemand achterop de fiets hebt, je moet dan harder remmen.
  • De derde wet stelt dat als een voorwerp een kracht uitoefent op een ander voorwerp, deze kracht gepaard gaat met een even grote tegenkracht, maar in precies de tegenovergestelde richting. De kracht die een paard uitoefent op de ondergrond tijdens een landing op de grond is precies even groot als de kracht die de ondergrond op de hoef uitoefent. Als een paard zijwaarts loopt en een hoef naar rechts op de grond een kracht uitoefent, oefent de grond een kracht naar links uit.
Bewegingsenergie

Zodra een voorwerp in beweging is heeft het bewegingsenergie (kinetische energie).

De hoeveelheid bewegingsenergie hangt af van de massa en de snelheid.

(voor de freaks Ek = 1/2m*v^2)

Zodra een hoef de grond raakt, verliest de hoef in enkele milliseconden zijn snelheid en wordt afgeremd tot stilstand. De bewegingsenergie wordt daarbij doorgegeven aan de hoef, de hoef moet deze energie ‘verwerken’. Krachten kunnen een voorwerp van vorm of van snelheid veranderen. Als de vorm verandert kan dit een elastische of plastische vervorming zijn.

  • Plastisch wil zeggen, een blijvende vervorming (het colablikje dat gekreukeld blijft) of een bolletje klei dat je platslaat
  • Elastische vervorming is wanneer het voorwerp weer terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm. Bij de hoef geldt dat laatste. De energie van de impact van de hoef op de grond wordt opgenomen door de hoef zelf door elastisch te vervormen, een deel gaat verloren aan wrijving en aan warmte.

Het hoefmechanisme is een voorbeeld van elastische vervorming; bij het neerkomen zet de hoef een klein stukje uit en neemt zo dus een deel van de ‘botsingsenergie’ van de hoef met de grond op.

Vooral in de landingsfase kunnen de krachten op de hoef, afhankelijk van de snelheid van het paard, oplopen tot tientallen kilonewton. Daarom is het van belang dat de hoef en het onderbeen van het paard deze krachten zo goed mogelijk kunnen verwerken. De schokdemping moet dus optimaal zijn, daarover volgende keer meer.

Deze tekst is afkomstig uit het boek ‘hoefproblemen een integrale aanpak’ dat bij de gelijknamige cursus hoort die wij geven.