Energie und Leistung bei menschlichen Bewegungen Benno M. Nigg University of Calgary Benno M. Nigg University of Calgary.

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2 Energie und Leistung bei menschlichen Bewegungen Benno M. Nigg University of Calgary Benno M. Nigg University of Calgary

3 Arbeit und Energie A=K d = K d cos α Arbeit ist definiert als das Skalarprodukt von Kraft und Weg (Weg in Richtung der wirkenden Kraft) Energie ist das Potential, Arbeit zu leisten

4 Häufige Formen von Arbeit und Energie Gegen die Schwerkraft Gegen die Schwerkraft Dehnen einer Feder Dehnen einer Feder Beschleunigen einer Masse (Translation oder Rotation) Beschleunigen einer Masse (Translation oder Rotation) Arbeit und Energie

5 für Translation Kraft Geschwindigkeit für Rotation für Rotation Drehmoment Winkelgeschwindigkeit Leistung

6 Erster Hauptsatz der Thermodynamik U= A + Q + E O2/CO2 + E in + E out U= A + Q + E O2/CO2 + E in + E out U=interne Energie des Systems A =Arbeit A =Arbeit Q =Wärme Q =Wärme E in =zugeführte Energie (z.B. Nahrung) E in =zugeführte Energie (z.B. Nahrung) E out =abgeführte Energie (z.B. Exkremente) E out =abgeführte Energie (z.B. Exkremente) Energie und Leistung

7 U = Innere Energie des Systems U = E therm + E mech + E elektr +E magn + E chem + E andere +E magn + E chem + E andere

8 Leistung und Energie q Speichern-Zurückgeben q Systemoptimisierung q Verlust minimalisieren

9 q Speichern-Zurückgeben q Systemoptimisierung q Verlust minimalisieren

10 Speichern - Zurückgeben Beispiel: Lineare Feder x x Gleich-gewichtGleich-gewicht F Feder F Gewicht

11 x x Speichern - Zurückgeben Gleich-Energie Gleich-Energie gewichtgespeichert gewichtgespeichert in Feder Gleich-Energie Gleich-Energie gewichtgespeichert gewichtgespeichert in Feder F Feder F Gewicht

12 x x VV Speichern - Zurückgeben Gleich-Energiegespeicherte Gleich-Energiegespeicherte gewichtgespeichertEnergie gewichtgespeichertEnergie in Federzurückgegeben Gleich-Energiegespeicherte Gleich-Energiegespeicherte gewichtgespeichertEnergie gewichtgespeichertEnergie in Federzurückgegeben F Feder F Gewicht

13 Kraft F Deformation x Energie Speichern und Zurückgeben F f ( x ) E f ( F, x )

14 für Gleichgewicht konservatives System & lineare Feder für Gleichgewicht konservatives System & lineare Feder F = k · x E = · F · x also: E(gespeichert)= · k · x 2 E(zurückgegeben)= · k · x 2 F = k · x E = · F · x also: E(gespeichert)= · k · x 2 E(zurückgegeben)= · k · x 2 1212 12121212

15 Kraft F Deformation x Allgemeiner Fall Energie Speichern und Zurückgeben

16 Kraft F Deformation x Energie verloren während des Zyklus Dehnen- Kürzen (stretch shortening cycle) hysteresis Energie Speichern und Zurückgeben

17 (1)Gross genug (2)Richtige Zeit (3)Richtige Frequenz (4)Richtige Stelle Energie Rückgabe StabhochsprungStabhochsprung WasserspringenWasserspringen TrampolinTrampolin Bodenturnen/TumbingBodenturnen/Tumbing

18 (1)Gross genug (2)Richtige Zeit (3)Richtige Frequenz (4)Richtige Stelle Energie Rückgabe Vertikale Kraft F zi Zeit 2 1 0 Schuh im Fersenlauf [Körpergewicht]

19 Speichern & Rückgabe von Energie Structur >> Material bis 3 % < 1 % Richtung Ort Zeitpunkt

20 Abstoss Vorfuss Landung Ferse Dämpfen der Landung keine Energierückgabe Deformation und Energierückgabe beim Abstoss

21 EMA Energy Management System Hohle ovale Federn Sauerstoffverbrauch Energierückgabe -2.6 %

22 Speichern-Zurückgeben S Substantiell für einige Geräte Beschränkt für Schuhe und Böden Substantiell für einige Tiere Wiedersprüchlich für Menschen q Speichern-Zurückgeben q Systemoptimisierung q Verlust minimalisieren

23 q Speichern-Zurückgeben q Systemoptimisierung q Verlust minimalisieren

24 Konzept Kraft - Länge Kraft - Geschwindigkeit System Einstellen für maximale Leistung System Einstellen für maximale Leistung Kraft & Leistung [normalisiert] KraftLeistung Geschwindigkeit [normalisiert]

25 Leistung total [W] 575525475425 200150100 50 50 0 Leistung Muskel [W] 5 55 105 155 205 255 5 55 105 155 205 255 1 G 7 6 5 4 3 2 K H _P 1 6 3 2 5 7 4 Yoshihuku and Herzog, 1990 Kurbelgeschwindigkeit [rpm] Pelvis Neigung Pelvis Neigung Sitzhöhe Sitzhöhe Kurbelgeschwindigkeit Kurbelgeschwindigkeit optimal

26 Leistungsverbesserung mit Systemoptimisierung Kraft - Länge Kraft - Länge Kraft - Geschwindigkeit Kraft - Geschwindigkeit Diese Strategie wurde bisher nur wenig verwendet Diese Strategie wurde bisher nur wenig verwendet q Speichern-Zurückgeben q Systemoptimisierung q Verlust minimalisieren

27 q Speichern-Zurückgeben q Systemoptimisierung q Verlust minimalisieren

28 q Speichern-Zurückgeben q Systemoptimisierung q Verlust minimalisieren Konzept Energie für die Bewegung die Bewegung andere Aspekte andere AspekteZiel Minimalisieren der Energie die nicht bewegunsbezogen

29 Beispiel Steifigkeit der Schuhsohle Beispiel Steifigkeit der Schuhsohle Stefanyshyn & Nigg, 1997

30 Zehengelenk Laufen: Energieverlust im Vorfuss Zehengelenk hat Flexion aber keine Extension Running Ankle Power [W] 1000 500 0 - -1000 Energy Absorbed Energy Generated Normalized Time Laufen Laufen Zeit Zeit Zeit

31 Neue Idee steife Sohle keine Flexion im M-P-Gelenk weniger Energieverlust weniger Energieverlust bessere Leistung bessere Leistung

32 Leistung (Metatarsale) [W] [W] 0 - -100 - -200 - -300 - -400 - -500 - 25 50 75 100 25 50 75 100 Kontrolle Steif Sehr Steif Stefanyshyn and Nigg, 1997 Zeit [norm] [norm] Leistung Sprint?

33 2.162.142.122.102.08 [s] Zeit (20m Sprint) Resultate für Top-Athleten Resultate für Top-Athleten normalePlatte FPlate EPlatte B spikes Sprinter A 2.4% 2.4%

34 0 1 2 3 4 135791113151719212325272931 Relative Verbesserung mit Platte Subjekt Beste Platte 32 Top-Sprinter: 1.7% [%]

35 Kritische Bemerkungen Probleme: Start Start Individuelle Individuelle Resultate Resultate Optimum Optimum nicht Maximum! [s] Zeit (20m Sprint) Spikes P1 P2 P3 Sprinter A 2.08 2.16 2.14 2.12 2.10

36 Steifigkeit der Schuhsohle Steifigkeit der Schuhsohle Stefanyshyn & Nigg, 1997 Folgerungen Verlust minimalisieren im M-P-Gelenk Verbesserte Leistung Verbesserte Leistung Personenspezifisch Personenspezifisch Verlust minimalisieren & Kräfte optimisieren Verlust minimalisieren & Kräfte optimisieren

37 q Speichern-Zurückgeben q Systemoptimisierung q Verlust minimalisieren Allgemein: Verlust minimalisieren Allgemein: Verlust minimalisieren Viele Anwendungen Viele Anwendungen Steife Sohlen (Mittel/Lange Distanzen) Vibrationsverluste Stabilitätsverluste

38 Neue Kenntnisse (1)Energie Speicherung und Rückgabe in Geräten nicht klar im Körper (2)Wenig Energierückgabe im Fuss (3)System Optimieren in einigen Sportarten (4)Minimalisieren des Energieverlustes wahrscheinlich beste Strategie

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