VL VL BewegungswissenschaftBewegungswissenschaft

44. Die biomechanische Betrachtungsweise

BiomechanikBiomechanik ProgrammProgramm

1. Biomechanik als Disziplin2. Kinematik in Beispielen3. Dynamik in Beispielen4. Biomechanische Prinzipien5. Bilanz

BiomechanikBiomechanik

BiomechanikBiomechanik

Biomechanikuntersucht die Erscheinung und Ursachen von Bewegungen biologischer Systeme aus mechanischer Perspektive

Gegenstandder Biomechanik des Sports sind sportliche Bewegungen

Aufgaben 1. Quantitative Beschreibung der Erscheinungen von Bewegungen und ihre 2. Erklärung durch die Zurückführung auf mechanische Ursachen

DefinitionDefinition

BiomechanikBiomechanik

Mechanik liefert deterministische physikalische Gesetze über die Beziehung von Masse, Kraft und Geschwindigkeit. Beispiel Kugel:

Das „Bio“ in BiomechanikDas „Bio“ in Biomechanik

Kraftstoß

Anwendung auf eine sportliche Bewegung(bspw. Weitsprung)

BiomechanikBiomechanik Das „Bio“ in BiomechanikDas „Bio“ in Biomechanik

… aber biologische Systeme sind nicht so „einfach“ (Knochen, Wabbelmassen, Wechselwirkungen, …) ->

• Biomechanik erlaubt keine deterministischen, sondern nur stochastische Aussagen

• Eher philosophische Frage: Ist das ein grundsätzliches oder vorübergehendes Problem?

BiomechanikBiomechanik AnwendungsfelderAnwendungsfelder

Leistungsbiomechanik Technikanalysen Konditionsdiagnostik

Anthropometrische Biomechanik Körpermodelle Eignung für Sportarten

Präventive Biomechanik Erfassung mechanischer Belastungen Minimierung durch Modifikation von

Bewegungen oder Material

Biomechanische Modellbildung Erklärung von Bewegungen Simulation

BiomechanikBiomechanik

KinematikBeschreibung des räumlich-zeitlichen Ablaufes von Bewegungen durchTranslationen = fortschreitende BewegungenRotationen = Bewegung um eine Drehachse

DynamikBeschreibung des Zusammenhang zwischen Kräften und BewegungenStatik = Ruhezustand (Gleichgewicht von Kräften)Kinetik = Bewegung (Ungleichgewicht von Kräften)

Biomechanische TeilgebieteBiomechanische Teilgebiete

BiomechanikBiomechanik Biomechanische BeschreibungsgrößenBiomechanische Beschreibungsgrößen

Translatorische

Merkmale

•Position (Weg, Länge, Lage)

•Zeit•Geschwindigk

eit•Beschleunigun

g

Rotatorische Merkmale

•Winkel•Zeit•Winkelge-

schwindigkeit•Winkelbeschle

u-nigung

KinematischeMerkmale

Translatorische

Merkmale

•Masse• Impuls•Kraft•Kraftstoß•Arbeit•Energie•Leistung

RotatorischeMerkmale

•Massenträgheitsmoment

•Drehimpuls•Drehmoment•Drehmoment-

stoß

DynamischeMerkmale

KinematikKinematik

BiomechanikBiomechanik Kinematische translatorische MerkmaleKinematische translatorische Merkmale

Schlägerkopf im Abschwung

Meter pro Sekunde2 [m/s2]

Beschleunigung (a)

Schlägerkopf im ImpactMeter pro Sekunde [m/s]

Geschwindigkeit (v)

Haltung im Setup, SchlaglängeMeter [m]Position, Lage, Länge

GolfbeispielEinheitMerkmal

Spin des GolfballesSekunde-1 [1/s]Frequenz(v)

Relation Auf- /Abschwung

Sekunde [s]Zeit(t)

BiomechanikBiomechanik Kinematische translatorische MerkmaleKinematische translatorische Merkmale

ZusammenhangWeg-Zeit-Geschwindigkeit-Beschleunigung

a

t0

Gleichförmige Bewegung

v s

t t

Gleichmäßigbeschleunigte Bewegung

a

t0

v s

t t

Gleichmäßigverzögerte Bewegung

a

t0

v s

t t

BiomechanikBiomechanik

v

0 100 m

Beispiel: 100m-LaufBeispiel: 100m-Lauf

Reaktionszeit/Latenzzeit

Anfangsbeschleunigung

Maximalgeschwindigkeit

Geschwindigkeitsverlust

BiomechanikBiomechanik

Pro Proette

Haltungsmerkmale (Golf)Haltungsmerkmale (Golf)

BiomechanikBiomechanik Schlaglängen (Golf)Schlaglängen (Golf)

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

SW

PW

E9

E8

E7

E6

E5

E4

E3

H5

H3

H1

Schlaglängen von Durchschnittsgolfern pro Schläger

BiomechanikBiomechanik Geschwindigkeitsmerkmale (Golf)Geschwindigkeitsmerkmale (Golf)

BiomechanikBiomechanik Kinematische rotatorische Merkmale

SchwungbahnGrad pro Sekunde2 [°/s2]:

Winkelbe-schleunigung (a)

SchwungbahnGrad pro Sekunde[°/s]

Winkelge-schwindigkeit ()

Loft, VerwringungGrad [°]Winkel()

GolfbeispielEinheitMerkmal

BiomechanikBiomechanik Winkel (Golf)Winkel (Golf)

Gliedmaßen und Schläger

BiomechanikBiomechanik

Impact

Hüftwinkel

Schulterwinkel

t

0

90

Winkel (Golf)Winkel (Golf)

VorspannungRumpf

Verwringung Oberkörper (qualitativ)

BiomechanikBiomechanik Winkel (Golf)Winkel (Golf)

Verwringung Oberkörper (quantitativ)

BiomechanikBiomechanik Winkelgeschw./beschl. (Golf)Winkelgeschw./beschl. (Golf)

BiomechanikBiomechanik Messmethoden der KinematikMessmethoden der Kinematik

3. (Hochfrequenz-) Videoaufnahmen Digitalisierung Rekonstruktion der räuml.-zeitl. Parameter

BiomechanikBiomechanik Messmethoden der KinematikMessmethoden der Kinematik

4. Direkte Messungen z.B. LAVEG, Laserentfernungsmesser alle 0.01 s Abstand zum anvisierten Objekt

DynamikDynamik

BiomechanikBiomechanik Dynamische translatorische MerkmaleDynamische translatorische Merkmale

ImpactNewton[N]

Kraft (F)

GolfbeispielEinheitMerkmal

ImpactKraft * Zeit[Ns]

Kraftstoß (P)

Masse (m) Kilogramm[Kg]

Gewichtsverteilung beim Schwung

BiomechanikBiomechanik Dynamische translatorische MerkmaleDynamische translatorische Merkmale

• Eine Masse übt durch die Gravitation eine Gewichtskraft auf den Boden aus.

• Ein Kraftstoß ist ein Produkt einer Kraft F und der Zeit t ihrer Einwirkung auf einen Massenpunkt

• Wirkt ein Kraftstoß auf eine Masse, so ändert sich ihre Geschwindigkeit

Zusammenhang Masse-Kraft-Kraftstoß- Geschwindigkeit

g

mF

dtFP

m

Pv

BiomechanikBiomechanik Masse (Golf)Masse (Golf)

Gewichtsverteilung beim Golfschwung (Isobarendarstellung)

BiomechanikBiomechanik Kraft und Kraftstoß (Vertikalsprung)Kraft und Kraftstoß (Vertikalsprung)

Sprunghöhe • Flugzeit

• Absprungge-schwindigkeit

2

2

1*

2

1

t

gh

g

vh

2

*2

1

BiomechanikBiomechanik Kraft und Kraftstoß (Golf)Kraft und Kraftstoß (Golf)

)2

sin(sin*2

0

00

20

20

v

gh

g

vW

Schlaglänge (Schräger Wurf)

BiomechanikBiomechanik Rotatorische dynamische MerkmaleRotatorische dynamische Merkmale

Halten einer HantelNewtonmeter[Nm]

Drehmoment

BeispielEinheitMerkmal

Drehimpuls

Trägheitsmoment

Kilogramm * m² Salto

Pirouette beim EislaufenNewtonmeter * s[Nm * s]

BiomechanikBiomechanik

Messung durch Kraftmeßplattformen, Druckmesssohlen,

Kraftaufnehmer, Beschleunigungsaufnehmer

Messmethoden der DynamikMessmethoden der Dynamik

Die biomechanischen Die biomechanischen PrinzipienPrinzipien

Hochmuth, 1974(ergänzt durch Wiemann, 1984; Baumann,

1989)

BiomechanikBiomechanik

Biomechanische Prinzipien sind…

DefinitionDefinition

1. Prinzip der Anfangskraft2. Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges3. Prinzip der optimalen Tendenz im

Beschleunigungsverlauf4. Prinzip der zeitlichen Koordination von Teilimpulsen5. Prinzip der Impulserhaltung6. Prinzip der Gegenwirkung

allgemeine Kenntnisse über das rationelle

Ausnutzen von mechanischen Gesetzen bei sportlichen Bewegungen

… aber keine allgemeingültigen Gesetze oder Vorschriften !

BiomechanikBiomechanik 1. Prinzip der Anfangskraft1. Prinzip der Anfangskraft

BegründungZielbewegung beginnt auf höherem Kraftniveau, wenn die Ausholbewegung abgebremst wird -> Kraftimpuls wird größer

„Eine Körperbewegung mit der eine hohe Endgeschwindigkeit erreicht

werden soll,ist durch eine entgegengesetzte(Aushol-)Bewegung einzuleiten“

BiomechanikBiomechanik Anfangskraft (Beispiel Vertikalsprung)Anfangskraft (Beispiel Vertikalsprung)

t0

t1

t2

t3

t4

F

tCounter Movement JumpSquat Jump

BiomechanikBiomechanik 2. Optimaler Beschleunigungsweg2. Optimaler Beschleunigungsweg

Länge Optimal heißt: Maximierung des Kraftimpulses Kurzer Weg –> Hohe Maximalkräfte, kurze Impulsdauer Langer Weg -> Geringere Maximalkräfte, längere

Impulsdauer

Geometrie Optimal heißt: geradlinig (Kugelstoßen) oder stetig

gekrümmt (Diskuswurf)

„Das Erreichen einer maximalen Endgeschwindigkeit einer Bewegung hängt von der optimalen Länge und

Geometrie des Beschleunigungsweges ab.

BiomechanikBiomechanik 3. Opt. Tendenz 3. Opt. Tendenz BeschleunigungsverlaufBeschleunigungsverlauf

Beim Zielhohe Endgeschwindigkeit

• Größte Beschleunigungen am Ende der Strecke!• Beispiele: Kugelstoßen, Speerwerfen

geringer Zeitverbrauch• größte Beschleunigung zu Beginn der Strecke!• Beispiele: Boxen, Fechten

Die optimale Tendenz im Beschleunigungsverlauf ist von dem Ziel

der Bewegung abhängig

BiomechanikBiomechanik 4. Koordination von Teilimpulsen4. Koordination von Teilimpulsen

Mechanik Neuer Impuls, wenn vorheriger Beweger maximale

Geschwindigkeit erzielt hat Begründung: Teilimpulse sind unabhängig -

resultierende Geschwindigkeit ist additiv

Biomechanik Neuer Impuls kurz nach Maximum des Vorherigen! Begründung: Teilimpulse sind nicht unabhängig.

Abbremsen des vorherigen Bewegers verbessert die Beschleunigung des nächsten (Trägheitstiming, „Peitscheneffekt“)

Die Geschwindigkeit des letzten Bewegers einer Bewegungskette wird

maximal, wenn die Geschwindigkeitsmaxima der

einzelnen Beweger sequenziell eintreten

BiomechanikBiomechanik Koor. Teilimpulse (Beispiel Koor. Teilimpulse (Beispiel Golfschwung)Golfschwung)

„Peitscheneffekt“ durch Handgelenkseinsatz

BiomechanikBiomechanik Biomechanische PrinzipienBiomechanische Prinzipien

Bilanz• Beschreibung der Optimalitätseigenschaften

erfolgt qualitativ – keine quantitativen Aussagen

• Nützlich um die Zweckmäßigkeit von Bewegungen zu bewerten

• Keine Gesetze• Empirisch teilweise in Frage gestellt!

BilanzBilanz

BiomechanikBiomechanik

• Objektive Erfassung des Außenbildes von Bewegungen

• Kräfte sind keine „Ursachen“ im sportmethodischen Sinne

• Ergebnisse müssen in die Praxis übersetzt werden (z.B. Morphologie)

• Abhängigkeit von Messapparatur• Dilemma der Modellbildung

Entweder: einfach, abstrakt, mit wenig Erklärungsgehalt

Oder: mit viel Erklärungsgehalt, konkret, genau, dann sehr schwierig

Biomechanische BetrachtungsweiseBiomechanische Betrachtungsweise