Met behoud van evenwicht: experimenteel onderzoek naar de grenswaarden voor versnellingen die het menselijk lichaam kan ondergaan zonder het houdingsevenwicht te verliezen

Inleiding

Zie ook het artikel op bl. 406.

Inleiding

Uit de door Stichting Consument en Veiligheid gepubliceerde gegevens van alle ongevallen in de privé-sfeer (cijfers over 1991) blijkt dat 34 een zogenaamde val op gelijk niveau betreft.1 Bij ongevallen waarin mensen hun evenwicht hebben verloren, is de directe oorzaak niet eenduidig. Het ligt echter zeer voor de hand dat door de slachtoffers ondergane versnellingen dan wel vertragingen een rol hebben gespeeld. Er is wel enig specifiek onderzoek naar de invloed van versnellingen op de houdingsbalans verricht, maar dit is van fragmentarische aard. Veelal betreft het compensatoire responsen op zeer kleine verstoringen van de houdingsbalans.2-4 Verder vermeldt Guedry metingen naar de onderdrempel voor de waarneming van versnellingen,5 en zijn vanuit de militaire luchtvaart juist de menselijke responsies op extreme belastingen bekend.

De gegevens binnen het voor ons relevante bereik, de ervaringen met alledaagse versnellingen en hun invloed op het totale verliezen van het houdingsevenwicht, ontbreken nochtans in de internationale wetenschappelijke literatuur. In de jaren veertig echter hebben twee landgenoten, Jongkees en Groen, gemeten bij welke plotselinge versnelling mensen hun evenwicht verliezen; hun bevindingen werden gepubliceerd in dit tijdschrift.6 Met behulp van een wagentje konden zij stilstaande proefpersonen in voor-, achter- en zijwaartse richting versnellen. (Daarbij werd bijvoorbeeld een achterwaarts gerichte versnelling tot stand gebracht door een plotselinge achterwaartse beweging van het grondvlak van het karretje ten opzichte van het lichaam.) Het bleek, bij 50 normaal gezonde proefpersonen, dat de mens indien hij met gesloten ogen en de voeten aaneengesloten rechtop staat, gemiddeld een naar achteren gerichte versnelling tot 76 cms² kan verdragen,1 een naar voren gerichte versnelling tot 48 cms² en een zijwaarts gerichte tot 33 cms², zonder om te vallen. De stimulus in de experimenten van Jongkees en Groen is een plotselinge constante versnelling. Men kan zich afvragen of er geen hogere grenswaarden haalbaar zijn als het versnellingsniveau, in plaats van stapvormig, geleidelijk wordt opgevoerd: op die manier hebben de balansreflexen wat tijd om zich aan te passen aan de verstoring van het houdingsevenwicht.

In de praktijk komen wij wat andere cijfers tegen dan bij Jongkees en Groen. De normen voor versnellen en vertragen in het Europese wegverkeer stellen handelbare versnellingen in langsrichting op 100-150 cms² en comfortabele vertragingen op 150 cms². Maatgevend bij de keuze van deze waarden waren de ‘gevoeligste’ weggebruikers, te weten staande buspassagiers.7 Wanneer wij deze gegevens beoordelen aan de hand van de bevindingen van Jongkees en Groen, dan dienen deze buspassagiers zich ten minste goed vast te houden. Versnellingen in dwarsrichting en in verticale richting mogen respectievelijk een waarde van 50 cms² en 25 cms² niet overschrijden.7 Verantwoording voor deze cijfers wordt niet gegeven, en van intensief fundamenteel onderzoek op dit gebied is ons niets bekend.

Het primaire doel van ons onderzoek was de uiterste, dat wil zeggen de onder de meest gunstige zintuiglijke omstandigheden verkregen, menselijke grenswaarden voor lineaire versnellingen te exploreren. Als beperking gold dat alleen die situatie werd onderzocht waarin mensen in ‘ruststand’ (hetzij feitelijk stilstaand of eenparig bewogen ten opzichte van het aardoppervlak, zoals in de bus), onderhevig zijn aan een plotselinge (constante of geleidelijke) versnelling of vertraging. De in het laboratorium verkregen gegevens werden vergeleken met daadwerkelijk voorkomende situaties tijdens reizen met openbaar vervoer.

Proefpersonen en methoden

Laboratoriummetingen bij versnelling

Met behulp van een tredmolen met lopende band werden 22 stilstaande proefpersonen (11 mannen en 11 vrouwen, normaal gezond, willekeurig gekozen uit een onze instituten) achtereenvolgens blootgesteld aan achter-, zij- en voorwaarts gerichte versnellingen van het grondvlak. De totale verplaatsing bedroeg 80 cm, waarvan de initiële verplaatsing 10 cm en de remweg 25 cm opeisten. Er bleef dus 45 cm over, waar de proefpersonen aan één constante versnelling blootgesteld werden. Om de toename van de snelheid van de tredmolen een werkelijk lineair karakter te laten hebben (een constante versnelling) moet de tredmolen eerst op (een lage) constante snelheid gebracht worden teneinde de wrijvingsweerstand bij de start te overwinnen. Hiervoor diende de initiële verplaatsing. Hierbij moesten de proefpersonen hun houding even corrigeren, maar hun houdingsevenwicht was allang weer stabiel voor de eigenlijke versnelling aangreep. Figuur 1 dient ter illustratie van zo'n stimulusprofiel.

De versnelling werd gevarieerd met stapjes van 0,1 ms² over een range van 0,3 tot 1,6 ms². De volgorde waarin de versnellingen werden aangeboden, was gerandomiseerd, waarbij echter soms wel versnellingen overgeslagen werden, die duidelijk buiten het incasseringsvermogen van de individuele proefpersoon zouden liggen (iemand die bij een versnelling van 0,5 ms² al ernstige problemen had om het evenwicht te behouden, werd niet blootgesteld aan 1,6 ms²). De procedure was als volgt: de proefpersoon werd verteld in de bus bij een soms chagrijnige buschauffeur te staan, met ogen open, de handen los en de geschoeide voeten van achteren aaneengesloten en van voren 3-4 cm uit elkaar. Vervolgens werd de proefpersoon blootgesteld aan de versnelling van het grondvlak, achtereenvolgens 2 maal in achterwaartse, 2 maal in zijwaartse en 2 maal in voorwaartse richting. Hierbij bleef het stimulusprofiel hetzelfde, maar werd de proefpersoon gedraaid in de gewenste oriëntatie. Hierdoor wist de proefpersoon in welke richting de volgende versnelling zou gaan, maar het moment waarop was onbekend. Nagegaan werd bij welke versnelling de proefpersoon in staat was de versnelling op te vangen zonder drastisch verlies van het houdingsevenwicht (grote lichaams- en armenzwaai), zonder noodgedwongen één of meer stappen te moeten doen, zich vast te moeten grijpen of zelfs opgevangen te moeten worden om niet te vallen. Alle proefpersonen voelden zich in de meetsituatie voldoende veilig vanwege een steunrailing en de nabije aanwezigheid van de proefleider, die de proefpersoon eventueel kon opvangen. Zo werd de gehele range van versnellingen snel en in een ontspannen sfeer doorlopen. De waarden waarbij de proefpersonen nog net geen problemen hadden het evenwicht te behouden werden genoteerd. De gehele meting van de grenswaarden voor voor-, zij- en achterwaarts gerichte versnellingen duurde 10 min.

Met een at random gekozen subgroep van 12 proefpersonen (uit de 22) werd 1 week later de gehele procedure nog eens overgedaan, met als doel mogelijke leereffecten te registreren. Weer 1 week later moest dezelfde subgroep nog eens op de tredmolen verschijnen; nu echter mochten zij hun eigen favoriete pose in de bus kiezen (naar eigen keuze, maar zonder vasthouden). De rest van de procedure bleef gelijk.

Naast de metingen op de tredmolen ondergingen de proefpersonen een kort posturografisch onderzoek. Hiervoor werd met behulp van een stabilometer het houdingsevenwicht (het normale rechtop-staan) beoordeeld.8 Dit onderzoek diende ter vergelijking met de gegevens verkregen op de tredmolen.

Metingen in het openbaar vervoer

Om een indruk te verkrijgen van de praktijk werd met behulp van versnellingsmeters (G-meters) de daadwerkelijke versnellingen gemeten zoals deze optreden in het het openbaar vervoer te Amsterdam op een willekeurige doordeweekse dag. De bestuurders van de voertuigen werden niet op de hoogte gesteld van de metingen.

Laboratoriummetingen bij de aanzet van de versnelling (‘jerk’)

Doorbordurend op resultaten van de eerdere metingen leek het zinvol in een tweede experiment in het laboratorium de aandacht specifiek te richten op de zogenaamde ‘jerk’, de ruk waarmee de versnelling aanzet (de verandering van versnelling per tijdseenheid). De onderzoeksvraag was of de grenswaarde voor versnellingen stijgt, wanneer de versnelling van het voertuig wat minder abrupt aanzet. Hierbij werden 10 nieuwe proefpersonen op de tredmolen blootgesteld aan een standaard voorwaarts gerichte versnelling (1,00 ms²) die hoger lag dan de gemiddelde grenswaarde van de vorige groep proefpersonen, opdat (normaal gesproken) bij elke stimulatie de proefpersoon één of meer corrigerende stappen zou moeten doen om niet om te vallen. Aan deze waarde werd de proefpersoon herhaaldelijk blootgesteld, maar met 4 verschillen in aanzet (de jerk-component), namelijk 1,0, 2,0, 5,0 en 10,0 ms³. Iedere proefpersoon kreeg in vaste volgorde (gebalanceerde opzet tussen de personen, zodat de volgorde wel per proefpersoon kon verschillen) de 4 jerk-condities aangeboden, met 4 metingen per conditie. De score van een proefpersoon werd bepaald door het aantal keren dat een stimulus probleemloos werd opgevangen (maximumscore: 4 x 4 = 16). De score per conditie was de som van de individuele scores in die conditie (figuur 2).

Resultaten

Laboratoriummetingen bij versnelling

De meetresultaten staan in tabel 1. Er waren duidelijke verschillen tussen de opzet van Jongkees en Groen en de onze: rijdende kar versus tredmolen; ogen dicht versus ogen open; blootsvoets versus geschoeid; drempelmeting gedurende de vertragingsfase versus gedurende de versnellingsfase (dit laatste is fysisch weliswaar gelijk, maar kan fysiologisch (bijvoorbeeld visueel) verschillend zijn). Desondanks waren de meetresultaten zeer gelijk. De verschillen in versnellingsrichting waren in onze steekproef significant (post-hoc-Newman-Keuls-toets bij variantie-analyse: p

Voor een verdere vergelijking werd van iedere proefpersoon conform de methode van Jongkees en Groen een standvastigheidsindex bepaald, zijnde de som van de bij die persoon waargenomen hoogste versnellingen in de 3 richtingen, gedeeld door de som van de gemiddelden van de hele groep in de 3 richtingen. De uitersten van de standvastigheidsindex lagen in onze onderzoeksgroep (0,44-1,5 ms²) verder uit elkaar dan in die van Jongkees en Groen (0,7-1,3 ms²). Wij vonden geen verschil in standvastigheid tussen de mannelijke en de vrouwelijke proefpersonen, maar wel een (negatieve) samenhang tussen standvastigheid en leeftijd: de standvastigheidsindex daalde significant (p (figuur 3). De correlatiecoëfficiënt bedroeg – 0,54 en was significant (p

Bij vergelijking van de gegevens van 12 van de 22 proefpersonen bij wie het onderzoek 1 week later werd herhaald, bleek een klein (maar significant) leereffect (zie tabel 1). Omdat dit effect voor de gehele groep opging, bleef de standvastigheidsindex (immers een relatieve maat) gemiddeld gelijk.

Bij een derde meting, waarbij dezelfde 12 proefpersonen in een zelfgekozen pose voor in de bus werden bemeten (voeten meer uit elkaar en niet helemaal op één lijn), bleek de gevolgde strategie vooral zeer functioneel voor zijwaarts gerichte versnellingen. De grenswaarden voor de voor- en achterwaarts gerichte versnelling konden (gemiddeld) niet verder worden geoptimaliseerd (zie tabel 1).

In onze steekproef werd geen eenduidige samenhang gevonden tussen de gegevens van het posturografisch onderzoek en de standvastigheidsindex. Proefpersonen wier gedrag op de tredmolen duidelijk verschilde, konden toch dezelfde mate van lichaamszwaai vertonen tijdens het normale staan, terwijl ook proefpersonen met gelijke prestaties op de tredmolen konden verschillen in mate van lichaamszwaai tijdens posturografie.

Metingen in het openbaar vervoer

Een willekeurige steekproef uit de registraties bij tram, sneltram, autobus en metro maakt direct duidelijk dat de amplitude van de versnelling van al deze vervoermiddelen dusdanig is dat geen van onze proefpersonen zonder steun het houdingsevenwicht zou hebben kunnen behouden (figuur 4). De aanvangsversnelling in langsrichting bereikte regelmatig 1-2 ms^{2, hetgeen zeker hoger is dan wat mensen in een optimale situatie, maar zonder steun, aankunnen zonder dreigend verlies van evenwicht. Dit gold vooral voor de bus; niet alleen was de gemeten versnelling in langsrichting daar het hoogst (2,15 ms2}), ook de hiermee gepaard gaande laterale versnellingen in bochten en bij het in- en uitvoegen bij haltes waren aanzienlijk (tot 4 ms² Voor details verwijzen wij naar een eerdere publikatie.9

Laboratoriummetingen bij de aanzet van de versnelling (‘jerk’)

De resultaten zijn samengevat in tabel 2. Duidelijk is hierbij dat zelfs bij de conditie met de minste jerk nog 4 mensen moeite hadden hun houdingsevenwicht te bewaren (personen B-E).

Beschouwing

Ondanks verschillen in aanpak repliceren onze gegevens die van Jongkees en Groen. Weliswaar lagen onze grenswaarden voor lineaire versnellingen in de drie richtingen wat dichter bij elkaar, de som voor de groep kwam erg nauw overeen met de waarde gevonden in 1942 (zie tabel 1). Op basis van deze overeenkomst, die bereikt werd ondanks nogal verschillende meetprocedures, concluderen wij dat de menselijke grenswaarden voor lineaire versnellingen vrij constant van aard zijn.

De door ons gevonden standvastigheidsindex vertoonde wat verder uiteenliggende uiterste waarden dan die bij Jongkees en Groen; dit kan echter zijn oorzaak hebben in de leeftijdsspreiding in onze steekproef. Onder onze proefpersonen bevonden zich namelijk jongere en ook wat oudere mensen dan in het onderzoek van Jongkees en Groen, en daar eveneens is aangetoond dat de ouderen lagere grenswaarden hadden dan de jongeren, kan dit zijn weerslag gehad hebben op de als relatieve waarde uitgedrukte standvastigheidsindex.

De grenswaarden voor standvastigheid waren door enige ervaring nog wel te verhogen, maar slechts marginaal (zie tabel 1). De grenswaarde voor een zijwaarts gerichte versnelling kon echter door spreidstand van de benen aanzienlijk worden verhoogd (zie tabel 1, 3e meting).

Er werd geen samenhang gevonden tussen de stabilometergegevens bij het posturografisch onderzoek en de gevonden grenswaarden voor opgelegde versnellingen. Vermoedelijk is zulk een relatie, zo ze al bestaat, te zwak om in de beperkte omvang van onze steekproef (n = 22) naar voren te treden. Alle stabilometerwaarden bij onze steekproef vielen ruim binnen de normen voor normaal houdings-evenwichtgedrag, en verschilden weinig van elkaar. Het kan zijn dat met het gebruikelijke posturografische onderzoek minder goed gediscrimineerd kan worden tussen mensen dan met de metingen van grenswaarden op de tredmolen.

De versnellingen die zich in het openbaar vervoer voordoen, blijken op voorhand onmogelijk te hanteren zonder steun. Zelfs bij gebruik van handvatten, waarbij wordt aangenomen dat de weerbaarheid van staande passagiers in langsrichting wordt verhoogd tot 1,50 ^ms2,10 zijn problemen met het houdingsevenwicht niet uitgesloten.

Mogelijk is ook de ruk waarmee de versnelling aanzet (jerk) een relevante grootheid voor het houdingsevenwicht. Het is in eerste instantie deze ruk die passagiers uit balans kan brengen. Het onderwerp wordt zelden of nooit aangeroerd, maar Vuchic raadt aan voertuigen van het openbaar vervoer zodanig te ontwerpen dat hun acceleratie niet sneller verandert dan 0,50-0,60 ms3.11 Momenteel lijkt deze raad in de praktijk niet te worden opgevolgd. De aanzet van de versnellingen bij het openbaar vervoer in ons onderzoek bleek te variëren van 1,5 ms³ in langsrichting tot 3,5 ms³ in dwarsrichting. Jammer genoeg was het met de stimulusapparatuur in het laboratorium niet haalbaar een versnelling van 1 ms² te koppelen met een jerk 3, zodat de door Vuchic voorgestelde waarde niet mede getoetst kon worden. Maar omdat 35 van de proefpersonen niet rustig kon blijven staan in de lichtste stimulusconditie (zie tabel 2), mag aangenomen worden dat de optimale aanzet ruim onder de 1 ms³ moet liggen. De jerk bij de tredmolen varieerde van 1,0 tot 7,0 ms³. De jerk bij onze tredmolen was weliswaar soms wat hoger dan bij het openbaar vervoer, maar hield slechts 0,2 s aan, terwijl de jerk bij het openbaar vervoer enige seconden kon aanhouden en zo langer een invloed kon uitoefenen op het houdingsevenwicht.

Geconcludeerd mag worden dat er winst geboekt kan worden bij de menselijke grenswaarden voor versnellingen wanneer de aanzet maar soepel genoeg is. Het is duidelijk dat het advies van Vuchic om de aanzet van de versnellingen te begrenzen bij 0,50-0,60 ms³ serieus genomen moet worden wanneer men valongevallen wenst te vermijden in het openbaar vervoer.11

Conclusies

Uit het laboratoriumonderzoek blijkt dat de menselijke grenswaarden voor opgelegde versnellingen constant zijn – wij repliceerden gegevens uit de jaren veertig – en dat er een negatieve samenhang met leeftijd bestaat. Een vergelijking van de menselijke grenswaarde voor versnellingen met de gemeten versnellingen bij het openbaar vervoer, wijst uit dat staande passagiers zonder steun nooit het evenwicht zullen kunnen behouden tijdens de rit. Wanneer er echter sprake zou zijn van een begrenzing van de jerk bij 0,5-0,6 ms³, zou dit versnellingen in langsrichting zoals die momenteel vóórkomen bij metro, tram en bus in principe hanteerbaar maken (uiteraard mag een dergelijke begrenzing van de verandering van de versnelling nooit de mogelijkheid van direct en hevig remmen aantasten). Voor de bus komen daar nog zijdelingse versnellingen bij.

Overigens zijn de gegevens alleen generaliseerbaar voor ‘passief’ staande mensen zonder steun; in het geval van actief handelende mensen kunnen de toelaatbare grenswaarden soms hoger (anticipatie), maar vaker ook lager (bijvoorbeeld minder steunvlak bij het lopen naar een zitplaats toe) komen te liggen. Omdat ernaar gestreefd wordt dat er steeds meer mensen van het openbaar vervoer gebruik gaan maken, lijkt het aanbevelenswaard dat ook dit uitgezocht wordt, tezamen met de menselijke grenswaarden voor (combinaties van) opgelegde versnellingen, maar dan mèt steun.