VL Bewegungswissenschaft 4. Die biomechanische Betrachtungsweise

1. Biomechanik als Disziplin 2. Kinematik in Beispielen Programm 1. Biomechanik als Disziplin 2. Kinematik in Beispielen 3. Dynamik in Beispielen 4. Biomechanische Prinzipien 5. Bilanz

Biomechanik

Gegenstand der Biomechanik des Sports sind sportliche Bewegungen Definition Biomechanik untersucht die Erscheinung und Ursachen von Bewegungen biologischer Systeme aus mechanischer Perspektive Gegenstand der Biomechanik des Sports sind sportliche Bewegungen Aufgaben 1. Quantitative Beschreibung der Erscheinungen von Bewegungen und ihre 2. Erklärung durch die Zurückführung auf mechanische Ursachen

Das „Bio“ in Biomechanik liefert deterministische physikalische Gesetze über die Beziehung von Masse, Kraft und Geschwindigkeit. Beispiel Kugel: Kraftstoß Anwendung auf eine sportliche Bewegung (bspw. Weitsprung)

Das „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?

Leistungsbiomechanik Anwendungsfelder 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

Biomechanische Teilgebiete Kinematik Beschreibung des räumlich-zeitlichen Ablaufes von Bewegungen durch Translationen = fortschreitende Bewegungen Rotationen = Bewegung um eine Drehachse Dynamik Beschreibung des Zusammenhang zwischen Kräften und Bewegungen Statik = Ruhezustand (Gleichgewicht von Kräften) Kinetik = Bewegung (Ungleichgewicht von Kräften)

Biomechanische Beschreibungsgrößen Kinematische Merkmale Dynamische Merkmale Translatorische Merkmale Position (Weg, Länge, Lage) Zeit Geschwindigkeit Beschleunigung Rotatorische Merkmale Winkel Zeit Winkelge-schwindigkeit Winkelbeschleu-nigung Translatorische Merkmale Masse Impuls Kraft Kraftstoß Arbeit Energie Leistung Rotatorische Merkmale Massenträgheitsmoment Drehimpuls Drehmoment Drehmoment-stoß

Kinematik

Kinematische translatorische Merkmale Einheit Golfbeispiel Position, Lage, Länge Meter [m] Haltung im Setup, Schlaglänge Geschwindigkeit (v) Meter pro Sekunde [m/s] Schlägerkopf im Impact Beschleunigung (a) Meter pro Sekunde2 [m/s2] Schlägerkopf im Abschwung Zeit (t) Sekunde [s] Relation Auf- /Abschwung Frequenz (v) Sekunde-1 [1/s] Spin des Golfballes

Kinematische translatorische Merkmale Zusammenhang Weg-Zeit-Geschwindigkeit-Beschleunigung a t Gleichförmige Bewegung v s Gleichmäßig beschleunigte Bewegung a t v s Gleichmäßig verzögerte Bewegung a t v s

Beispiel: 100m-Lauf Maximalgeschwindigkeit v Geschwindigkeitsverlust Anfangsbeschleunigung Reaktionszeit/Latenzzeit 100 m

Haltungsmerkmale (Golf) Pro Proette

Schlaglängen von Durchschnittsgolfern pro Schläger Schlaglängen (Golf) Schlaglängen von Durchschnittsgolfern pro Schläger

Geschwindigkeitsmerkmale (Golf)

Kinematische rotatorische Merkmale Einheit Golfbeispiel Winkel () Grad [°] Loft, Verwringung Winkelge-schwindigkeit () Grad pro Sekunde [°/s] Schwungbahn Winkelbe-schleunigung (a) Grad pro Sekunde2 [°/s2]: Schwungbahn

Gliedmaßen und Schläger Winkel (Golf) Gliedmaßen und Schläger

Verwringung Oberkörper (qualitativ) Winkel (Golf) Verwringung Oberkörper (qualitativ)  90 Vorspannung Rumpf Hüftwinkel Schulterwinkel Impact t

Verwringung Oberkörper (quantitativ) Winkel (Golf) Verwringung Oberkörper (quantitativ)

Winkelgeschw./beschl. (Golf)

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

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

Dynamik

Dynamische translatorische Merkmale Einheit Golfbeispiel Masse (m) Kilogramm [Kg] Gewichtsverteilung beim Schwung Kraft (F) Newton [N] Impact Kraftstoß (P) Kraft * Zeit [Ns] Impact

Dynamische translatorische Merkmale Zusammenhang Masse-Kraft-Kraftstoß- Geschwindigkeit 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

Gewichtsverteilung beim Golfschwung (Isobarendarstellung) Masse (Golf) Gewichtsverteilung beim Golfschwung (Isobarendarstellung)

Kraft und Kraftstoß (Vertikalsprung) Sprunghöhe Flugzeit Absprungge-schwindigkeit

Kraft und Kraftstoß (Golf) Schlaglänge (Schräger Wurf)

Rotatorische dynamische Merkmale Einheit Beispiel Trägheitsmoment Kilogramm * m² Salto Drehmoment Newtonmeter [Nm] Halten einer Hantel Newtonmeter * s [Nm * s] Pirouette beim Eislaufen Drehimpuls

Messmethoden der Dynamik Messung durch Kraftmeßplattformen, Druckmesssohlen, Kraftaufnehmer, Beschleunigungsaufnehmer

Die biomechanischen Prinzipien Hochmuth, 1974 (ergänzt durch Wiemann, 1984; Baumann, 1989)

… aber keine allgemeingültigen Gesetze oder Vorschriften ! Definition Biomechanische Prinzipien sind… allgemeine Kenntnisse über das rationelle Ausnutzen von mechanischen Gesetzen bei sportlichen Bewegungen … aber keine allgemeingültigen Gesetze oder Vorschriften ! Prinzip der Anfangskraft Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges Prinzip der optimalen Tendenz im Beschleunigungsverlauf Prinzip der zeitlichen Koordination von Teilimpulsen Prinzip der Impulserhaltung Prinzip der Gegenwirkung

1. Prinzip der Anfangskraft „Eine Körperbewegung mit der eine hohe Endgeschwindigkeit erreicht werden soll, ist durch eine entgegengesetzte (Aushol-)Bewegung einzuleiten“ Begründung Zielbewegung beginnt auf höherem Kraftniveau, wenn die Ausholbewegung abgebremst wird -> Kraftimpuls wird größer

Anfangskraft (Beispiel Vertikalsprung) Squat Jump t Counter Movement Jump

2. Optimaler Beschleunigungsweg „Das Erreichen einer maximalen Endgeschwindigkeit einer Bewegung hängt von der optimalen Länge und Geometrie des Beschleunigungsweges ab. 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)

3. Opt. Tendenz Beschleunigungsverlauf Die optimale Tendenz im Beschleunigungsverlauf ist von dem Ziel der Bewegung abhängig Beim Ziel hohe Endgeschwindigkeit Größte Beschleunigungen am Ende der Strecke! Beispiele: Kugelstoßen, Speerwerfen geringer Zeitverbrauch größte Beschleunigung zu Beginn der Strecke! Beispiele: Boxen, Fechten

4. Koordination von Teilimpulsen Die Geschwindigkeit des letzten Bewegers einer Bewegungskette wird maximal, wenn die Geschwindigkeitsmaxima der einzelnen Beweger sequenziell eintreten 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“)

Koor. Teilimpulse (Beispiel Golfschwung) „Peitscheneffekt“ durch Handgelenkseinsatz

Biomechanische 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!

Bilanz

Biomechanische Betrachtungsweise 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