Sport - Biomechanik 2.4 Dynamik

Zur Analyse von Bewegungen untersucht man:

• Zeitpunkt: Arten und Stärken der wirkenden Kräfte

• Zeitdauer: Kraftstöße (Krafteinwirkung) und Impuls (Ergebnis des Kraftstoßes)

• Aufwand: Arbeit (Gesamtkraft); Leistung (Arbeit in Zusammenhang mit der Zeit) und Energie (Speicherform der Arbeit)

• eigener Entwurf nach: Stark Bewegungslehre; Willimczik/Roth Bewegungslehre, Sportunterricht.de

2.4.1 Die Newton‘schen Gesetze

1. Trägheitssatz

• Ein Körper verharrt aufgrund seiner Trägheit in Ruhe oder in der momentanen Bewegung, wenn die einwirkenden Kräfte F = 0 sind.

• Praxisbeispiel Weitsprung: die durch den Anlauf eingeleitete Vorwärtsbewegung wird durch die Schwerkraft wenig beeinflusst.

• Flug der Kugel beim Kugelstoß

2. Bewegungssatz, Dynamisches Grundgesetz

• Zusammenhang zwischen der einwirkenden Kraft und einer Bewegungsänderung.

• Wirkt eine Kraft auf einen ruhenden oder sich bewegenden Körper, ändert sich dessen Geschwindigkeit in Form von Beschleunigung oder Verzögerung. F ~ a

• Es kann auch zu einer Verformung des Gegenstandes kommen

• F = m * a => N = kg * m/ s²• Die Masse m setzt sich der Beschleunigung

entgegen => F wirkt stärker, je kleiner m

Praxisbeispiel

• Angriffsschlag beim Volleyball: Auf einer sehr kurzen Strecke von 3-5 m muss der Körper aus dem Stand heraus beschleunigt werden. Die Beinmuskulatur übt hierbei eine große Kraft auf den Hallenboden aus, die Gegenkraft liefert die entsprechende Beschleunigung. > Stemmschritt > Abbremsen der horizontalen V und Umlenkung in vertikale Richtung

3. Wechselwirkungsgesetz; actio = reactio

• Wenn ein Körper A auf eine Körper B einwirkt, dann wirkt dieser Körper B mit einer Gegenkraft in umgekehrter Richtung mit dem gleichen Betrag auf Körper A

• Praxisbeispiel Tiefstart beim Sprint: Die Aktionskraft, die der Sprinter durch Strecken der Beine auf die Startblöcke ausübt, wird durch die Bodenreaktionskraft (Startvorgang) sichtbar. Eine erdgerichtete Wirkung ist nicht sichtbar.

• Beim Schwimmen versucht man soviel Gegenkraft wie möglich zu erzielen.

2.4.2 Innere und äußere Kräfte

2.4.2.1 Innere Kräfte

• Der Mensch kann durch Muskulatur innere Kräfte auslösen. (Mensch = abgeschl. System)

• Außerdem:

Energiespeicherung von Sehnen; Reibungskräfte in Gelenkkapseln; Widerstandskräfte des Bindegewebes; Trägheitskräfte von Körperteilen

2.4.2.2 Äußere Kräfte• Schwerkraft, Gewichtskraft Fg: Erdanziehungskraft 9,81 N• Normalkraft Fn: Die Kraft, die eine Unterlage einem Körper

entgegenbringt. Fn wirkt immer senkrecht zur Unterlage.• Hangabtriebskraft Fh: Gewichtskraft und Normalkraft ergänzen

sich zur Hangabtriebskraft• Reibungskraft Fr: Rauigkeit von Körperoberflächen behindern die

Weiterbewegung.• Auftriebskraft: statisch (Verdrängung; Schiff); Dynamisch

(Querkraft; Flugzeugtragfläche)• Strömungswiderstände: Wasser, Luft• Antriebskräfte; Sogwirkung, Vortex – Strömung (Abstoßwirkung)

2.4.3 Körperschwerpunkt S. 36

• KSP: Massenmittelpunkt des Körpersystems

• Berechnung: Der Ksp liegt auf einer Geraden zwischen zwei Teil-KSP. Er teilt die Strecke im Verhältnis der Teilmassen

2.4.4. Dynamik von Rotationsbewegungen

• Drehmoment: • Das Drehmoment (die Drehkraft) ist die  Wirkung auf einen

Körper (eine Masse), die zu einer Drehbeschleunigung  des Körpers um eine Achse führt. Exzentrischer Kraftangriff

• Das Drehmoment ist definiert nach Betrag und Richtung durch das Produkt aus der Kraft F und dem senkrechten Abstand (Hebelarm) (r) der Kraft von der Drehachse.

• M=F*r

• Trägheitsmoment: • Eigenschaft eines Körpers /einer Masse, sich

einer Drehkraft zu widersetzen • Wird kleiner je näher die Masse an der Rotationsachse ist. Z.B.

Salto gehockt/gestreckt

Bsp. Salto gehockt

Veränderung des Trägheitsmoments :

Fn

KSP

Exz. Kraftangriff

2.4.5. Kraftstoß, ImpulsWirkung von Kräften

• Kraftstoß Kraft  * Zeit  ( F * t ) kennzeichnet die Einwirkung einer Kraft auf einen Körper in einer bestimmten Zeit.

• Der Kraftstoß wird grafisch durch den Flächeninhalt einer Kraft-Zeit-Kurve dargestellt.

• Kraftstöße sind Größen mit Richtung und Betrag

• Das Ergebnis eines Kraftstoßes wird als Impuls bezeichnet

Impuls = Bewegungsgröße

• Der Impuls P = m*V wird als Bewegungsgröße bezeichnet.

• Der Impuls beschreibt den Bewegungszustand (fortschreitende Bewegung) eines Körpers ( Masse) nach Richtung und Geschwindigkeit).

• Die räumliche Komponente Neben der zeitlichen spielt auch die räumliche Komponente, also die Richtung der Impulse, eine wichtige Rolle. Die Gesamtgeschwindigkeit ist dann besonders hoch, wenn die Teilimpulse in die gleiche Richtung weisen.

• Probleme (aufgrund von Körperbau und Bewegungsstruktur) Aufgrund des Baus der menschlichen Gelenke (Rotationsbewegungen) ist die räumliche Gleichgerichtetheit oft nur bedingt möglich. Bestimmte Bewegungen bzw. Körperteile erzeugen auch entgegengesetzte Reaktionskräfte.

• Impulsübertragung Trifft ein bewegter Körper auf einen anderen Körper (oder wird dieser abgebremst) kommt es zu einer Impulsübertragung.

• Impulsübertragungen durch Abbremsen eines oder mehrerer Körperteile spielen im Sport eine wichtige Rolle.

Praxisbeispiel

• Jeder Sportler, der sich bewegt (auch jedes sich bewegende Sportgerät) besitzt eine Masse und eine Geschwindigkeit, also einen Impuls. Entsprechend haben auch Teilbewegungen (z.B. Sprungbein, Arme etc)  (Teil-)Impulse. Dadurch wird der Impuls des Gesamtsystems  erzeugt bzw. geändert.

Koordination von TeilbewegungenKoordination von Teilbewegungen beim jump and reach Sprung

Durch die Streckbewegung der Beine und die Schwungbewegung der Arme werden beide Impulse für die Aufwärtsbewegung genutzt. (allerdings keine einfache Addition beider Kraftwirkungen, da noch Reaktionskräfte eine Rolle spielen)

Praxisbeispiel Weitsprung

• Der Anlaufimpuls Pan (das Ergebnis eines Kraftstoßes aus dem Anlauf)

• Wird mit dem bremsenden Absprungimpuls Pab (dem Bremskraftstoß)

• Zum resultierenden Abflugimpuls Pfl adiert• Zusätzlich wirkt während der Flugzeit die

Schwerkraft Pg, die mit Pfl addiert die Flugkurve entstehen lässt.

• B. S. 48; Abb. 44

Fn, Fg

Kraftaufwand

Größen bei Rotationen

• Drehimpuls: • Er kennzeichnet den Bewegungzustand eines

sich drehenden Körpers• Produkt aus Trägheitsmoment und

Winkelgeschwindigkeit• Drehmomentenstoß:• Einwirkung eines Drehmomentes über eine

bestimmte Zeit• Es kommt zur Änderung des Drehimpulses

2.4.6 Arbeit, Energie, LeistungAufwand von Kräften

2.4.6.1. Arbeit

• Physikalische Arbeit W zur Analyse von tatsächlichen Bewegungen: Aufgewendete Gesamtkraft zur Absolvierung einer Strecke

• Hubarbeit > Gewichtheben• Beschleunigungsarbeit > Sprint• Deformationsarbeit > Sprungbrett • Physiologische Arbeit: Muskelarbeit

(Umgesetzte Nahrungsstoffe, Sauerstoffbedarf

2.4.6.2. Leistung

• Physikalische Arbeit W in Zusammenhang mit der Zeit.

• Praxisbeispiel: Leistungszustand eines Läufers hängt davon ab in welcher Zeit er eine Strecke läuft

2.4.6.3. Energie, Speicherform der Arbeit

• Potentielle Energie: Lagehöhe eines Körpers > Sprung vom Turm

• Kinetische Energie: Entsteht durch Translationen und Rotationen > Laufen

• Deformationsenergie: Bestreben elastischer Körper nach Deformation in Ausgangslage zurückzukehren > Trampolin

• Diese Formen der Energie sind eng miteinander verwandt und lasse sich ineinander umwandeln > Sprung vom Kasten auf Trampolin; Epot -> Ekin -> Edef -> Ekin

• Energie bleibt in einem reibungslosen System erhalten

2.4.6.4. Pendel

• Das Pendel ist ein Körper, der sich durch die Einwirkung der Schwerkraft um eine feste Achse dreht, die nicht durch den Körperschwerpunkt gehen.

• Beim Schwingen an den Ringen ist es wichtig, dass am Ende der Bewegung der KSP durch Beugen weiter nach oben gesetzt wird.