Nr. 1 SuS stellen Ergebnisse der Gruppenarbeit und Bezüge zu biom. Gesetzen schriftlich zusammen.

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1 Nr. 1 SuS stellen Ergebnisse der Gruppenarbeit und Bezüge zu biom. Gesetzen schriftlich zusammen. Wie schon im Unterricht besprochen ist die Übung C die beste, um möglichst hoch hinaus zu springen. Hier gilt zum einen das Prinzip der max. Anfangskraft. Es wird durch den Anlauf eine max. Endgeschwindigkeit des Körpers erreicht, dieser wird kurz vor dem Abwurf widerrum gestoppt und somit wirkt auch eine entgegengesetzte Bewegung (wie im Prinzip beschrieben) vor der Hauptbewegungsrichtung und es entsteht ein Leistungsvorteil. Vor dem Absprung geht der Springer in die Hocke? Ausholbewegung und dann wird abgesprungen. Somit kann im Ganzen eine optimale Anfangskraft entstehen. Da die ganze Anlaufbewegung geradlinig verläuft, kann eine hohe Endgeschwindigkeit erreicht werden. Da ebenso eine konstante Kraft durch diesen Anlauf auf die Masse einwirkt, spielt hier auch das Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges eine wichtige Rolle. Diese beiden Prinzipen sorgen dafür, das der Springer mit der Übung C am höchsten kommt, denn hier werden die Kriterien der Prinzipien nicht maximal (vgl. Übung d) sondern optimal erfüllt! Nr. 2 Dazu differenzierte Erläuterung der weiteren biom. Gesetze. Biomechanische Prinzipien Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges Eine konstante Kraft gibt einer Masse eine umso höhere Endgeschwindigkeit, je länger die Kraft auf die Masse einwirkt. Das Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges kommt bei bei solchen sportlichen Bewegungen zum Tragen, die hohe Endgeschwindigkeiten erfordern (z. B. Würfe/Stöße in der Leichtathletik). Länge und Richtung des Beschleunigungsverlaufs müssen optimal gestaltet werden. Optimal bedeutet nicht unbedingt maximale Länge des Beschleunigungsweges. Der geometrische Verlauf des Beschleunigungsweges sollte geradlinig oder stetig gekrümmt, nicht aber weilenförmig sein. Dementsprechend kann durch mehrfache Drehbewegungen der Beschleunigungsweg und damit die Endgeschwindigkeit erhöht werden. Ist der Beschleunigungsweg (sportartspezifisch bedingt) zeitlich oder räumlich begrenzt (Start, Sprünge mit Anlauf), gilt das Prinzip nicht. Als Ergänzung zum Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges ist das Prinzip der optimalen Tendenz im Beschleunigungsverlauf formuliert worden: Bei Sportarten, bei denen es darum geht, schnellstmöglichst Kraft zu entwickeln, müssen die größten Beschleunigungskräfte am Anfang der Beschleunigungsphase wirksam werden (z.b. Boxen). Für Sportarten, bei denen eine möglichst hohe Endgeschwindigkeit erreicht werden soll (leichtathletische Wurfdisziplinen), liegen die größten Beschleunigungskräfte am Ende der Beschleunigungsphase (Zeichnung). Prinzip der max. Anfangskraft Das biomechanische Prinzip der Anfangskraft spielt vor allem bei Wurf und Sprungbewegungen eine bedeutende Rolle, bei denen eine maximale Endgeschwindigkeit des Körpers oder eines Sportgerätes erreicht werden soll. Dieses Prinzip besagt, dass eine einleitende Bewegung entgegengesetzt der Hauptbewegungsrichtung einen Leistungsvorteil bewirkt. Die in der älteren Literatur häufige Bezeichnung als Prinzip der maximalen Anfangskraft wird in der neueren Sportwissenschaft nicht mehr verwendet, da es bei dieser entstehenden Anfangskraft nicht um einen maximalen, sondern um einen optimalen Kraftstoß handelt.

2 Wie entsteht diese Anfangskraft Wird der Hauptbewegung eine Bewegung entgegengesetzt der eigentlichen Richtung vorgeschaltet, muss diese Bewegung abgebremst werden. Durch dieses Abbremsen entsteht ein Kraftstoß (Bremskraftstoß). Dieser kann für die Beschleunigung des Körpers oder des Sportgerätes dann genutzt werden, wenn die Hauptbewegung unmittelbar auf diese Ausholbewegung folgt. Erläuterung zum Prinzip der Anfangskraft Die Abbildung verdeutlicht das Prinzip der maximalen Anfangskraft an einem Beispiel auf einer Kraftmessplatte. Ein Sportler wirft mit gestreckten Armen einen Medizinball nach oben. Anfangs befindet sich der Sportler im ruhigen Stand auf der der Messplattform. Die Waage zeigt das Körpergewicht [G] an (Das Gewicht des Mediballes wird vernachlässigt. Im Zeitpunkt [A] geht der Proband in die Knie. Die Messplatte zeigt einen niedrigeren Wert an. Die Fläche [X] zeigt den negativen Kraftstoß, der dem Bremskraftstoß [y] entspricht. Unmittelbar auf diesen Bremskraftstoß erfolgt der Beschleunigungskraftstoß. Die Kraft [F] wirkt auf den Mediball. Auf der Messplattform ist ein größerer Messwert erkennbar. Für die optimale Kraftentfaltung sollte das Verhältnis von Bremskraftstoß zu Beschleunigungskraftstoß etwa eins zu drei betragen. Prinzip der Koordination von Teilimpulsen Ein Impuls ist der Bewegungszustand in Richtung und Geschwindigkeit [p=m*v] Bei diesem Prinzip gilt es wieder zu unterscheiden in Koordination von der gesamten Körpermasse (Hochsprung) oder der Koordination von Teilkörpern (Speerwurf). Im engen Zusammenhang mit den koordinativen Fähigkeiten (speziell Kopplungsfähigkeit) müssen alle Teilkörperbewegungen/ Teilimpulse zeitlich, räumlich und dynamisch koordiniert werden. Am Beispiel Aufschlag im Tennis wir dies gut erkennbar. Der Tennisball kann nur dann eine hohe Endgeschwindigkeit erreichen (230 km/h) wenn die gesamten Teilimpulse zeitlich unmittelbar aufeinander folgen. Das Resultat der hohen Zuschlagbewegung beim Aufschlag beginnt mit dem Strecken der Beine, daraufhin erfolgt eine Drehung des Oberkörpers und die eigentliche Zuschlagbewegung des Armes. Die einzelnen Teilimpulse werden bei ökonomischer Ausführung addiert. Des Weiteren ist zu beachten, dass die Richtungen der einzelnen Teilimpulse gleichgerichtet sind. Hierbei muss wieder ein Kompromiss zwischen anatomischen und mechanischen Gesetzmäßigkeiten gefunden werden. Prinzip der Gegenwirkung Das Prinzip der Gegenwirkung als eines der biomechanischen Prinzipien basiert auf das dritte Newtonsche Gesetz der Gegenwirkung. Es besagt, dass eine entstandene Kraft immer auch eine entgegengesetzte Kraft von gleicher größer in entgegengesetzter Richtung erzeugt. Die Kräfte, die auf die Erde übertragen werden, können aufgrund der Masse der Erde vernachlässigt werden. Beim Gehen wird gleichzeitig zum rechten Fuß, der linke Arm nach vorne gebracht, da der Mensch in der horizontalen keine Kräfte auf die Erde übertragen kann. Ähnliches ist beim Weitsprung zu

3 beobachten. Der Athlet bewirkt durch das nach vorne bringen des Oberkörpers gleichzeitig ein Anheben der unteren Extremitäten und verschafft sich somit Vorteile in der Sprungweite. In Anlehnung an diesem Prinzip erfolgt das Prinzip des Drehrückstoßes. Als Beispiel kann man vorstellen, man steht vor einem Abhang. Bekommt der Oberkörper Vorlage, so beginnen die Arme nach vorne zu kreisen, um einen Impuls auf den Oberkörper zu erzeugen. Da die Masse der Arme geringer ist als die des Oberkörpers, müssen diese in Form von schnellen Kreisen erfolgen. Prinzip der Impulserhaltung Zur Erläuterung dieses Prinzip analysieren wir einen Salto mit gestreckter und gehockter Körperhaltung. Die Achse um die der Turner einen Salto springt, bezeichnet man als Körperbreitenachse. Bei gestreckter Körperhaltung befindet sich viel Körpermasse von dieser Drehachse entfernt. Dadurch wird die Drehbewegung (Winkelgeschwindigkeit) verlangsamt und der Salto ist nur schwer ausführbar. Werden nun durch Anhocken Körperteile an die Drehachse gebracht, erhöht sich die Winkelgeschwindigkeit und der Ausführung des Saltos wird vereinfacht. Gleiches Prinzip gilt auch bei Pirouetten im Eiskunstlauf. Die Drehachse ist in diesem Fall die Körperlängsachse. Durch das Annähern von Arme und Beine an diese Drehachse erhöht sich die Drehgeschwindigkeit. Nr. 3 Erläuterung des Kraft- Zeitverlaufs I und II. (s. Aufgaben!) Experiment: Mensch (70 kg) auf einer Waage, bewegt sich nicht. Da sich der Mensch nicht bewegt, und somit eine konstante Kraft von 70 kg auf die Masse einwirkt, d.h. Keine Änderung mit der Zeit, muss die Gerade in dem Diagramm parallel zur X- Achse verlaufen. Experiment: Bewegung 1. Der Verlauf muß auf dem Niveau der Gewichtskraft beginnen (Phase 1) und nach der Bewegung im Hockstand wieder auf diesem Niveau enden (Phase 4). 2. Durch die Absenkung des Körpers erfolgt eine Reduzierung der Kraft (Phase 2). 3. Danach steigt die Kraft durch das Abbremsen wieder auf das Ausgangsniveau an (Phase 3).

4 Eine Abbremsbewegung muss über das ursprüngliche Gewichtskraftniveau hinaus ansteigen, um eine Abbremsung der Bewegung zu erreichen. Daher ist dieser Verlauf in Phase 3 über das Gewichtskraftniveau hinausgegangen. Somit vermindert sich die Kraft bei der Abbremsbewegung erst, und steigt dann beim Absprung überdurchschnittlich an. Experiment: Schüler geht in die Hocke. Das Argument, dass zum Abbremsen der Abwärtsbewegung höhere Kräfte notwendig sind als die Gewichtskraft, erweist sich als richtig. Die größte Abwärtsgeschwindigkeit zeigt der Körper im Moment, wo die Kraft -Zeitkurve wieder die Gewichtskraft erreicht. Um diese Geschwindigkeit abzubremsen sind entsprechend hohe Kräfte über der Gewichtskraft notwendig. Schüler steht aus der Hocke wieder auf. Auch hier findet sich ein vierphasiger Verlauf, der zunächst auf Gewichtskraftniveau beginnt, dann darüber ansteigt, ehe er unter das Gewichtskraftniveau abfällt und dann wieder auf der Gewichtskraft endet. In der zweiten Phase steigt die Geschwindigkeit des Körpers, in der dritten wird sie wieder reduziert und auf null abgesenkt (Phase 4). Wir finden also in Analogie zur Abwärtsbewegung einen ähnlichen Verlauf. Experiment: Aus der Hockposition steht ein Schüler auf und bleibt aufrecht auf der Waage stehen. Der obige Verlauf in dem Diagramm ist der richtige und die Analogie trifft zur Abwärtsbewegung zu.

5 Experiment: Squat Jump (SJ). Es handelt sich hier um einen Strecksprung aus der statischen Hockposition. Erfolgt die Landung wieder auf der Waage, steigt im Landemoment die Kraft stark an und reduziert sich dann auf Gewichtskraftniveau. Zur Bestimmung der Flughöhe kann man auf zwei Verfahren zurückgreifen. So kann man zum einen aus dem im Absprung erzeugten Kraftstoß die Höhe ermitteln zum anderen aus der Flugzeit, also der Dauer zwischen Abflug und Landung auf der Messplattform. Der Kraftstoß ist identisch mit der Fläche unter der Kraft -Zeitkurve. Je größer diese Fläche ist, desto höher ist die Abfluggeschwindigkeit v und damit auch die Flughöhe. F * t = m * v (Kraftstoß) (Impuls) Flugzeitbestimmung: Über eine Videoaufnahme können wir aber bis auf 2/100 s (Jogshuttle) genau die Flugzeit bestimmen. h = 1/2 g * (t)2 (g = 9,81 m/s2; t = Flugzeit in Sekunden) Die verwendete Formel beschreibt den freien Fall eines Gegenstandes aus einer bestimmten Höhe.

6 Experiment: Countermovement Jump. Hierbei handelt es sich um einen Sprung mit Ausholbewegung. Er beginnt mit dem aufrechten Stand an den sich eine dynamische Ausholbewegung anschließt. Nach einer Bewegungsumkehr erfolgt der Absprung nach oben. Zunächst erkennt man den ruhigen Stand auf der Plattform am parallelen Verlauf zur Zeitachse, die Kraft befindet sich auf Gewichtskraftniveau. Mit Beginn der Ausholbewegung fällt die Stützkraft ab und die Geschwindigkeit nimmt zu (Phase 1). Ab dem unteren Umkehrpunkt reduziert sich die Geschwindigkeitszunahme (Phase 2) und sobald die Kurve die Gewichtskraft erreicht, erfolgt die Abbremsung der Abwärtsbewegung (Phase 3). Erst dann wird der tiefste Punkt der Ausholbewegung erreicht. Zu diesem Zeitpunkt finden wir Kraftwerte die deutlich über Gewichtskraftniveau liegen. Die folgende Streckbewegung der Beine erzeugt einen weiteren Anstieg der Kraft und endet mit dem Abflug von der Platte. Die Stützkraft sinkt dann auf Null ab. Eine Beschleunigung des Körpers erfolgt aber nur bis zu dem Zeitpunkt an dem die Kraft -Zeitkurve das Gewichtskraftniveau erreicht (Phase 4). Darunter reicht die Kraft nicht mehr aus, um einer weitere Beschleunigung zu bewirken (Phase 5). Somit ist ganz klar zu erkennen, dass durch die Bremsbewegung, am meisten Kraft produziert werden kann? Prinzip der max. Anfangskraft. Aufgabe zur maximalen Anfangskraft Erläutern Sie die Kraft-Zeitdiagramme.

7 Die Waage zeigt anfangs das Körpergewicht [G] an (Das Gewicht des Balles wird vernachlässigt). Im Zeitpunkt [A] ist der Proband in der Knie. Durch das Hochkommen wird ein Beschleunigungskraftstoß [F] auf den Ball ausgeübt. Die Kraft ist beim direkten Hochkommen am größten (? max. Gegenbewegung) und bleibt ab der 3. Phase konstant. Nachdem der Sportler aufrecht steht sinkt die Kraft wieder, da keine Kraft mehr aus einer entgegensetzter Richtung einwirkt (Prinzip der max. Anfangskraft). Bei der letzten Phase, dem Abwurf der Balles, sinkt die Kraft [E] sogar ein bisschen unter G. Dies ist wieder hierdurch erklärbar, das der Sportler komplett aufrecht steht und der Körper schon fast von dem Schwung der Ausholbewegung abhebt. Anfangs befindet sich der Sportler im ruhigen Stand auf der der Messplattform. Die Waage zeigt das Körpergewicht [G] an. Im Zeitpunkt [F1] geht der Proband in die Knie. Die Messplatte zeigt einen niedrigeren Wert an. Die Fläche [F1] zeigt den negativen Kraftstoß, der dem Bremskraftstoß [A, F2] entspricht. Unmittelbar auf diesen Bremskraftstoß erfolgt der Beschleunigungskraftstoß. [F3, F] Die

8 Brems- bzw. Beschleunigungskraft lässt die Kurve in dem Diagramm ansteigen. Wie schon oben erklärt verläuft die Kurve am Zeitpunkt [E] unter der Ausgangskraft. Für die optimale Kraftentfaltung sollte das Verhältnis von Bremskraftstoß zu Beschleunigungskraftstoß etwa eins zu drei betragen. Nr. 4 Strukturierung der Mechanik Die Quellen der Biomechanik Biomechanik ist Teil der Sportwissenschaft und als eine Grenzwissenschaft im komplexen Zusammenwirken mit Erkenntnissen anderer Wissenschaften. Ihrerseits arbeitet sie anderen Wissenschaftsdisziplinen zu. Bio biologische Grundlagen Anatomie (Körperbau) Biologie/Biochemie (Zellen) Physiologie (Kraftfähigkeit) Psychologie (nervale Steuerung) Mechanik mechanische Grundlagen Physik (mit Teilbereich Mechanik) Mathematik (Differential- und Integralrechnung) Biomechanik liefert: Grundlagen für Trainingslehre (Sportartenspezifik) Grundlagen für Sportmethodik (Lehrproblematik)

9 Die Rolle der Mechanik: Gesetzte der klassischen Mechanik Trägheitsgesetz Ein Körper verharrt in seinem Zustand der gleichförmigen Bewegung solange keine Kraft auf ihn einwirkt. Beispiel: Ein Fahrzeug steht in Ruhe auf der Straße. Um diesen Zustand zu verändern muss eine Kraft auf das Fahrzeug wirken. Ist das Fahrzeug in Bewegung wirken äußere aktive Kräfte auf ihn ein (Windwiderstand und Reibung). Kräfte die ein Fahrzeug beschleunigen können sind Motor und Hangabtriebskraft. Beschleunigungsgesetz Die Änderung der Bewegung ist proportional zur einwirkenden Kraft und geschieht in die Richtung, in der jene Kraft wirkt. Dieses Gesetzt besagt, dass eine Kraft nötig ist, um einen Körper zu beschleunigen.

10 Gegenwirkungsgesetz Zu einer wirkenden Kraft entsteht immer auch eine entgegengesetzte Kraft von gleicher Größe. In der Literatur findet man häufig die Bezeichnung von actio = reactio. Dieses dritte Gesetz der klassischen Mechanik bedeutet, dass die Kraft, die aufgebracht wird um den eigenen Körper oder einen Gegenstand in Bewegung versetzt, eine Gegenkraft erzeugt. Begriffsbestimmungen Körperschwerpunk (KSP) Trägheit Kraft F=m*a Impuls p=m*v Drehmoment M=F*r Massenträgheitsmoment I=m*r 2 Drehimpuls L=I*w Arbeit W=F*s Kinetische Energie Lageenergie Der Körperschwerpunkt ist derjenige fiktive Punkt, der im, am oder außerhalb des Körpers liegt. In dem KSP wirken alle einwirkenden Kräfte gleich. Er ist Angriffspunkt der Schwerkraft. Bei starren Körpern ist der KSP immer an gleicher Ort und Stelle. Dies ist bei menschlichen Körpern aufgrund der Verformung jedoch nicht der Fall. Ist die Eigenschaft eines Körpers sich einer angreifenden Kraft zu widersetzen. (Ein schweres Auto rollt bei gleichem Volumen schneller bergab als ein leichtes). Kraft bedeutet Masse x Beschleunigung. Eine Wirkende Kraft auf einen Körper bewirkt eine Ortsveränderung. Daher brauchen schwerere Autos auch stärkere Motoren um gleich schnell zu beschleunigen. Der Impuls ist das Resultat von Masse und Geschwindigkeit. Deutlich wird dies bei einem Aufschlag im Tennis. Ist die Masse (Gewicht des Schlägers) hoch, muss die Zuschlaggeschwindigkeit nicht so hoch sein wie bei einem leichten Schläger, um die Gleiche Wirkung zu erzielen. Das Drehmoment ist die Wirkung auf einem Körper, die zu einer Beschleunigung des Körpers um eine Drehachse führt. Beschreibt die Trägheit bei der Veränderung von Drehbewegungen. Ist der Drehzustand eines Körpers. Der Drehimpuls entsteht durch eine exzentrisch wirkende Kraft und resultiert aus dem Massenträgheitsmoment und der Winkelgeschwindigkeit. Um einen Körper zu beschleunigen ist Arbeit aufwändig. Definiert als Kraft, die über eine gewisse Strecke wirkt. Ist die Energie die in einem bewegten Körper steckt. Ist die Energie, die in einem angehobenen Körper steckt.