Arbeitsmaterial. zur Vorlesung. Grundlagen der Bewegungslehre und Biomechanik. Prof. Dr. K. Wiemann / Dr. T. Jöllenbeck

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1 Arbeitsmaterial zur Vorlesung Grundlagen der Bewegungslehre und Biomechanik Prof. Dr. K. Wiemann / Dr. T. Jöllenbeck 6. korrigierte und erweiterte Auflage Bergische Universität Wuppertal, Wintersemester 1998/99 Vorbemerkungen Das folgende Arbeitsmaterial zur Vorlesung "Grundlagen der Bewegungslehre und Biomechanik" wurde als begleitendes Skript zur Vorlesung Grundlagen der Biomechanik und Bewegungslehre des Institutes für Sportwissenschaft der Ruhr-Universität Bochum in den 70er Jahren entwickelt, sukzessiv erweitert und optimiert und zu Beginn der 80er Jahre als Begleitmaterial der entsprechenden Vorlesung an der Bergischen Universität Wuppertal übernommen Zum WS 1984/85 wurde das Arbeitsmaterial zur Vorlesung Grundlagen der Bewegungslehre und Biomechanik neu bearbeitet und an das Konzept der neuen Studienordnung angepasst, das sich auf die Ordnung der Ersten Staatsprüfung für Lehrämter an Schulen vom gründet. Das Arbeitsmaterial liefert Definitionen, Merksätze, Prinzipien und Gesetze, Abbildungen und Diagramme, Aufgaben und Thesensammlungen als Begleitmaterial zur Vorlesung Grundlagen der Bewegungslehre. Es steht somit im Dienst des Zieles dieser Lehrveranstaltung, dem Sportstudenten dasjenige bewegungstheoretische Wissen an die Hand zu geben, das notwendig ist, um den Lehrgegenstand des Sportunterrichtes, die sportmotorischen Fertigkeiten, so analysieren zu können, dass auf der Grundlage dieser Analyse - zusammen mit sportpädagogischen und sportpsychologischen Grundkenntnissen - eine effektive unterrichtsmethodische Arbeit (Planen von Lehranweisungen, Auswählen von methodischen Prinzipien, Begründen methodischer Hilfen, Evaluieren und Innovieren methodischer Strategien) ermöglicht wird. Die Vorlesung Grundlagen der Bewegungslehre und Biomechanik liefert zusammen mit den entsprechenden Lehrveranstaltungen der Sportmedizin, Sportpädagogik und Sportpsychologie die Voraussetzung und Basis für sämtliche methodisch-praktischen Veranstaltungen. Zusätzlich soll das bewegungstheoretische Fundament für die Trainingslehre und für vertiefende bewegungstheoretische Studien gelegt werden. Für die Vorlesung Grundlagen der Bewegungslehre und Biomechanik selbst erfüllt das Arbeitsmaterial die Aufgabe, ein Grundgerüst zum Inhalt der Vorlesung zu liefern, Orientierungshilfen zum Selbststudium zu geben und dem Hörer das Mitschreiben oder Mitzeichnen während der Vorlesung zu erleichtern. Teilweise sind Texte und Abbildungen nur im Kontext der Vorlesung zu verstehen. In diesen Fällen ist es empfehlenswert, während der Vorlesung die notwendigen Ergänzungen in die dafür offengelassenen Stellen einzufügen bzw. auf den freien Seiten nachzutragen. Aus diesem Grunde ist die jeweils rechte Seite für Notizen freigehalten. Das Arbeitsmaterial bringt neben den Grundlagen an einigen Stellen und im Anhang Vertiefungen, die nicht Inhalt der Vorlesung sind, aber u.u. für einige weiterführende Veranstaltungen und Fächer von Bedeutung sein können. Diese Vertiefungen sind teilweise schon als solche kenntlich gemacht oder werden im Laufe der

2 Vorlesung genauer abgegrenzt. Zur Nachbereitung und weiteren Vertiefung wird jeweils in einer Fußnote auf die am Ende stehende Literaturliste verwiesen. Bochum, im September 1984 Prof. Dr. K. Wiemann Nachdem zum WS 87/88 die Arbeitsmaterialien erneut überarbeitet und danach sukzessive ergänzt und korrigiert wurden, sind sie für das WS 95/96 auf EDV-Basis gestellt und dadurch im Schriftbild in eine wesentlich ansprechendere und übersichtlichere Form gebracht worden. Gleichzeitig wurden notwendige Korrekturen und neuerliche Überarbeitungen - besonders des physikalischen Teiles - vorgenommen. Wuppertal, im September 1995 Prof. Dr. K. Wiemann Die Reduktion des Studienumfanges bei der Neukonzeption der Studienordnung vom brachte u.a. eine Konzentration der Grundausbildung in der Bewegungslehre von 4 auf 2 SWS mit sich. Für die Vorlesung Grundlagen der Bewegungslehre und Biomechanik erforderte dies eine Aufstockung der Themen und damit eine Verdichtung der Inhalte. Dem ist in der Neuauflage des Arbeitsmaterials zur Vorlesung Grundlagen der Bewegungslehre und Biomechanik Rechnung getragen. Wuppertal, im Oktober 1998 Prof. Dr. K. Wiemann Dr. T. Jöllenbeck Quellen- bzw. Urheberverzeichnis Text und Abbildungen auf Seite Text auf Seite Abbildungen auf Seite 1. Bearbeitung: Gerts, Daniela 118, 132 Jöllenbeck, PD Dr. Thomas , 117, 120, , , , , , , Klee, PD Dr. Andreas Wiemann, Prof. Dr. Klaus 2. Quellen: (laut Literaturliste S. 176) 1-50, , 119, , , 115, , , , 154, Faller, A. 1971, 25 Hochmuth, G., 1982 Schmidt, R.F., oben, 8 Mitte 85 unten

3 Inhaltsverzeichnis II Inhaltsverzeichnis Vorbemerkungen... I Inhaltsverzeichnis... II Definitionen Definitionen zum Begriff Bewegung... 1 Definitionen zum Begriff Sportmotorik... 2 Teilgebiete der Sportmotorik... 3 Begriffe aus der Kybernetik... 4 Verhaltensweisen von Systemen... 5 Die sportmotorische Fertigkeit / die sportmotorische Technik... 7 Biomechanik - Definition... 9 Methoden der Bewegungsforschung Richtungen, Bewegungen, Ebenen und Achsen beim menschlichen Körper Biologischer Teil Bauplan der menschlichen Zelle: Kurze Phylogenese kontraktiler Strukturen Stammesentwicklung des Bewegungsapparates und der Lokomotion der Wirbeltiere Bauprinzip des Bewegungsapparates Knochen und Gelenke des Menschen Funktionen der Wirbelsäule Gelenke und Gelenktypen Bau des Muskels, Muskeltypen Bau der Muskelfaser Muskelkontraktion Muskeln des Menschen Bedingungen zur Bestimmung der Muskelfunktion Kontraktionsformen der Muskeln Muskelmechanik Übung zur Muskelmechanik Dehnungs- und Krafttraining nach funktionell-anatomischen Grundsätzen Entwicklungsgeschichte der Informationsleitung im Organismus Bau und Funktion der Nerven- und Sinneszelle Motorische Endplatte Neuronenverschaltungen Das visuelle System Das vestibuläre System Das somatosensorische System Muskelspindel und Sehnenorgan Analysatoren und Bewegungskontrolle Strukturspezifische Positionen und Bewegungen Biologisches Prinzip strukturspezifischer Arbeitsbewegungen... 82

4 Inhaltsverzeichnis III Sportmotorik Bau und Funktion des Zentralnervensystems Rückenmarksmotorik / Spinalmotorik: Stützmotorik Zielmotorik / Handlungsmotorik Bewegungswahrnehmung Bewegungsvorstellung Motorisches Lernen Physikalischer Teil Physikalische Größen, ihre Symbole und Einheiten Translation und Rotation Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung Masse, Schwere, Gewicht und Trägheit Kräfte Impuls und Impulserhaltung Winkel, Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung Trägheitsmoment Drehmoment Hebelgesetze Drehimpuls Drehimpulserhaltung Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft Körperschwerpunkt Gleichgewicht und Standfestigkeit Arbeit Leistung Energie Pendelbewegung Kräftefreier Kreisel, Raumkonstanz und Präzession Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Tabelle physikalischer Größen, ihrer Symbole und Einheiten Biomechanische Prinzipien Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges Prinzip der Anfangskraft Prinzip der optimalen Tendenz im Beschleunigungsverlauf Prinzip der zeitlichen Koordination von Einzelimpulsen Literatur...176

5 1 Definitionen zum Begriff Bewegung Definitionen zum Begriff Bewegung Bewegung (allgemein): Bewegung ist die Veränderung eines Objektes, einer Erscheinung oder eines Zustandes bezüglich der Zeit. Bewegung (physikalisch): Bewegung ist die Ortsveränderung eines Körpers mit fortschreitender Zeit bezüglich eines äußeren Körpersystems. Organische Bewegung (biologisch-mechanischer Ansatz; WIEMANN: Manuskript): Eine Bewegung (eine motorische Fertigkeit) ist ein aktives Verhalten des Organismus, in dessen Verlauf der Gesamtkörper durch zweckbestimmte Aktionen einzelner Körperabschnitte von einer Ausgangsstellung, -lage oder -bewegung in eine Zielstellung, -lage oder -bewegung gelangt. Willkürbewegung (Begriff aus der Bewegungslehre des Menschen): Eine Willkürbewegung ist eine spontane oder auf eine Wahrnehmung hin willentlich und bewusst ausgeführte Bewegung. Beispiel: Anlauf und Abschuss eines 11m-Strafstoßes. Unwillkürliche Bewegung (unwillkürliche Reaktion, in der Psychologie auch Reflexbewegung bzw. bedingter Reflex): Unbewusst durch Sinnesmeldungen ausgelöste motorische Reaktion, die oft in Folge von Lern- bzw. Gewöhnungsprozessen auftritt. Beispiel: Reaktionsbewegung des Torwartes auf ein Täuschungsmanöver des 11m-Schützen. Reflex (keine eindeutige Abgrenzung zur unwillkürlichen Bewegung möglich): Direkte, angeborene (oder erworbene) Reaktion des Bewegunqsapparates auf eine Sinnesreizung. Beispiel: Kniesehnen-Reflex, Schutzreflexe. Weitere Begriffe: Alltagsbewegung: Bewegung der alltäglichen Beschäftigung (gehen, laufen, steigen, heben, schreiben, hantieren, usw. ) Arbeitsbewegung: Bewegungen unter den Bedingungen des Arbeitsbereiches. Nach R. BODE natürliche Ganzkörperbewegungen im aufrechten Stand wie schwingen, sägen, schlagen, stoßen, schieben, usw.. Ausdrucksbewegung: Bewegungen mit Informationswert im nonverbalen Kommunikationsprozess (mimische Bewegungen, Gestik) Sportliche Bewegung: Bewegungen aus dem Bedingungsfeld des Sports (sportliches Gehen, Sprinten, Weitsprung, Kugelstoßen ) Lit.: 7, 12, 21, 23

6 2 Definitionen zum Begriff Sportmotorik Definitionen zum Begriff Sportmotorik Motorik des Menschen (A): Bezeichnung für die Gesamtheit der Bewegungen des Menschen sowie für die zugehörige Lehre. Motorik des Menschen (B): Bezeichnung für die sensorischen, zentralnervösen und muskelphysiologischen Mechanismen (sowie für die psychischen Begleitphänomene) der menschlichen Bewegung sowie für die zugehörige Lehre. Die zu A und B gehörigen Gegenstandsbereiche können je nach wissenschaftstheoretischem Ansatz als isoliert, deckungsgleich oder sich überschneidend betrachtet werden. Motorik Motorik Motorik Motorik = Bewegung Bewegung Bewegung z.b. SCHMIDT, R.F. Bewegung z.b.: MEINEL z.b.: FETZ z.b.: SCHNABEL z.b.: GÖHNER Sensomotorik: Neurophysiologische Betrachtung der Regelungs- und Steuerungsprozesse der Bewegung (z.b. SCHMIDT, R. F.) Sensomotorik: Behavioristisch - kybernetische Betrachtung der menschlichen Bewegung (UNGERER) Sensumotorik: (Phänomenologische) Betrachtung der bewegungsbegleitenden und bewegungsverursachenden psychischen Erscheinungen (KOHL, VOLPERT) Psychomotorik: Betrachtung der Wechselwirkung psychischer Phänomene und äußerer Bewegungen (RÜS- SEL) Soziomotorik: Betrachtung der Wechselwirkung von äußerer Bewegung und Sozialisationsprozessen (EN- GEL) Lit.: 7, 12

7 3 Teilgebiete der Sportmotorik Teilgebiete der Sportmotorik 1. Sensomotorik 2. Bewegungswahrnehmung und -vorstellung 3. Motorisches Lernen 5. Bewegungsanalyse 4. Motorische Entwicklung

8 4 Begriffe aus der Kybernetik Begriffe aus der Kybernetik Begriff Definition Erläuterung / Beispiele Kybernetik Menge Kybernetik ist die allgemeine, formale Wissenschaft von der Struktur, den Beziehungen und dem Verhalten von Systemen Eine Menge ist die Zusammenfassung von bestimmten Objekten, die kein weiteres gemeinsames Merkmal haben, als dass sie Elemente einer Menge sind. Die Objekte Laufkippe, Medizinball, Schüler F. Meier seien Elemente der Menge M. Klasse Eine Klasse ist eine Menge, deren E- lemente durch ein gemeinsames, nur für die Elemente dieser Menge zutreffendes Merkmal gekennzeichnet sind. Die bei der Abschlussprüfung des Gerätturn-Kurses zu beherrschenden Turnelemente am Reck (Laufkippe, Felgumschwung vorlings vorwärts, Hocke) seien Elemente der Klasse K. System Struktur Ein System ist eine Klasse von Elementen, die durch bestimmbare Beziehungen miteinander verbunden sind. Die Struktur eines Systems ist die Menge der Beziehungen (der Verknüpfungen) der Elemente des Systems. Die Elemente der Klasse K seien Elemente des Systems Pflichtübung am Reck : Laufkippe in den Stütz, gefolgt von Umschwung vorlings vorwärts, überleitend in Hocke in den Stand. Die Verknüpfungen... gefolgt von,...überleitend in... sind die Elemente der Struktur des Systems Pflichtübung am Reck. Blockschaltbild Ein Blockschaltbild ist die graphische Darstellung der Struktur eines Systems Blockschaltbild der Struktur des Systems Pflichtübung am Reck : E 1 W 1 E 2 W 2 E 3 Die Blöcke symbolisieren die Elemente des Systems, die Richtungspfeile ihre Verknüpfungen im System.

9 5 Verhaltensweisen von Systemen Verhaltensweisen von Systemen 1. Auslösen: Ein Signal setzt eine Reaktion in Gang, ohne Richtung und Intensität der Reaktion beeinflussen zu können. Beispiel: Der Startschuss (s) veranlasst im Sprinter (E) den Startvorgang (r), ohne die Laufgeschwindigkeit und die Laufrichtung beeinflussen zu können. s E r 2. Steuern: Ein Signal beeinflusst die Reaktion von Systemelementen nach Richtung und Intensität. s E r = f (s) Beispiel: Die Neigung des Geländes (s) bestimmt die Vorlagehaltung (r) des Skiläufers (E). 3. Abfangen einer Störgröße - (Sonderfall des Steuerns): Das Abfangen von Störgrößen setzt mindestens zwei parallelgeschaltete Steuerprozesse voraus. Die Reaktionen der beteiligten Systemelemente auf ein und dasselbe Signal (Störgröße) sind derart gekoppelt, dass sie sich gegenseitig aufheben. Auf diese Weise soll das Verhalten des Systems von der Störgröße unbeeinflusst bleiben. Beispiel: der MITTELSTAEDTsche Seemann Die Welle (s) lässt das Boot (E 1 ) kippen (r 1 ), sie veranlasst aber auch den Seemann (E 2 ), sein rechtes Bein zu beugen (r 2 ). Durch die Addition von r 1 (Boot kippt) und r 2 (rechtes Bein wird gebeugt), wird gewährleistet, dass der Seemann sein angestrebtes Verhalten unbeeinflusst von der Welle (= Störgröße) beibehält. s s 1 E 1 r 1 =f (s 1 ) r=r 1 +r 2 s 2 E 2 r 2 =f(s 2 )

10 6 Verhaltensweisen von Systemen 4. Regeln: Das Regeln setzt zwei Steuerprozesse voraus, die kreisförmig verschaltet sind. Die Reaktion eines ersten Systemelementes auf ein Signal (Störgröße) wird von einem zweiten Systemelement als Signal für eine Reaktion benutzt, um die Wirkung der Störgröße zu beseitigen. Beispiel: Der MITTELSTAEDTsche Seemann Die Welle als Störgröße (s 1 ) bringt Boot mit Seemann (E 1 ) zum Kippen (r 1 ). Das Kippen des Bootes bzw. die daraus resultierende Abweichung von der gewünschten senkrechten Position wirkt als Signal (s 2 ) auf den Bewegungsapparat des Seemanns (E 2 ), das rechte Bein zu beugen (r 2 ). Auf diese Weise wird die von der Welle erzeugte Positionsabweichung beseitigt. s 1 r 1 = f (s 1 ) E 1 s 1 s korr r 1 = f (s korr ) E 1 r 2 = f(s 2 ) E 2 s 2 r 2 = f(s 2 ) E 2 s 2 Begriffe zum Regelkreis: Das Verhalten, dessen Wert (Sollwert) gegen die Wirkung von Störgrößen abgeändert werden soll, heißt Regelgröße. Sein momentaner Wert (Istwert) wird vom Fühler gemessen und die Abweichung vom Sollwert (Regelabweichung) festgestellt. Der Regler erstellt einen Befehl (Stellgröße) für den Korrekturmechanismus (Stellglied), die Regelabweichung zu beseitigen.

11 7 Die sportmotorische Fertigkeit / die sportmotorische Technik Die sportmotorische Fertigkeit / die sportmotorische Technik Die sportmotorische Fertigkeit: Sportliche Bewegungen stellen in der Regel gewisse Anforderungen an die Geschicklichkeit des Sportlers, sie sind Bewegungskunststücke bzw. sportmotorische Fertigkeiten Beispiel: Weitsprung, Hochsprung, Kugelstoßen Die sportmotorische Technik: Sportmotorische Techniken sind Lösungsmöglichkeiten der den sportmotorischen Fertigkeiten immanenten Aufgabe. Beispiel Kugelstoßen: a) O BRIEN-Technik (Rückenstoßtechnik) b) BARYSCHNIKOW-Technik (Rotationstechnik) Lit.: 7, 12, 21, 23

12 8 Die sportmotorische Fertigkeit / die sportmotorische Technik Sportmotorische Fertigkeit: Weitsprung Sportmotorische Technik: a) Schwebehang-Technik (linke Abb.) b) Hitch-Kick-Technik (rechte Abb.) (to hitch: hochreißen, ruckartig bewegen; to kick: treten, stoßen) Lit.: 7, 12

13 9 Biomechanik - Definition Biomechanik - Definition Die Biomechanik des Sports ist die wissenschaftliche Disziplin, die für den menschlichen Bewegungsapparat und für den Ablauf sportlicher Bewegungen und dessen Ursachen eine exakte Darstellung mit den Methoden und dem Begriffsapparat der Biologie und Physik liefert. a - Objektbereich: 1. Der menschliche Bewegungsapparat 2. Die sportliche Bewegung 3. Die Bewegungsursachen (äußere und innere Kräfte) 4. Die Bewegungssteuerung (das sensomotorische System) b - Problembereich: 1. Die Beschreibung sportlicher Bewegungsabläufe 2. Die Analyse und Optimierung sportlicher Techniken 3. Bewertung (Wichtung) biomechanischer Einflussgrößen 4. Aufstellung biomechanischer Normen, Gesetze und Prinzipien c - Wissenschaftsmodell: Methoden und Begriffsapparat der Biologie und Physik Beispiele zu b - Problembereich (anhand der Weitsprungtechnik): b - 1.: Beschreibung des Absprungverhaltens zum Weitsprung - nach Zeitmerkmalen: Wie groß ist die Kontaktzeit des Sprungfußes mit dem Absprungbalken? - nach Lage- oder Raummerkmalen: Welche Neigung zeigt der Rumpf in bezug zur Umgebung im Zeitpunkt des Verlassens der Absprungstelle? - nach Geschwindigkeitsmerkmalen: Wie groß ist die Abfluggeschwindigkeit? - nach Kraftmerkmalen: Welche Richtung hat die Absprungkraft in bezug zum Körperschwerpunkt? - nach Bewegungsqualitäten: Wie sind der Bewegungsfluss und die Bewegungsharmonie der Absprungbewegung zu beurteilen? - nach systematischen Merkmalen: Welche gemeinsamen Merkmale hat der Absprung zum Weitsprung mit anderen Absprungbewegungen? b - 2.: Analyse der Zweckmäßigkeit und Zielangepaßtheit verschiedener Weitsprungtechniken: - Lässt sich mit dem Weitsprung in Hitch-Kick-Technik bei sonst gleichen übrigen Bedingungen eine größere Leistung erzielen als mit anderen Weitsprungtechniken? - Wie lässt sich die Hitch-Kick-Technik weiter optimieren? - Lassen sich optimalere Weitsprungtechniken entwickeln? b - 3.: Abhängigkeit der Leistung von der Absprungschrittlänge: - experimentell: Wie wirkt sich eine planmäßig variierte Schrittlänge auf die Leistung aus? - quasi-experimentell: Welcher Zusammenhang besteht zwischen beobachtbaren Unterschieden in der Schrittlänge und unterschiedlichen Leistungen? Lit.: 1, 4, 21, 23

14 10 Methoden der Bewegungsforschung Methoden der Bewegungsforschung Kinematografie: 1. Lichtspur-Photographie: Lichtspuraufnahmen von der Stoßhand (punktförmige Lichtquelle) in der Angleit- und Abstoßphase beim Kugelstoß: a - normale Lichtspur b Lichtquelle wird entweder mit pulsierendem Licht gespeist, oder im Strahlengang des Fotoapparates befindet sich eine rotierende Schlitzscheibe 2. Chronophotographie: - Blitzfrequenz: 8/sec, - Kleinbildkamera, - 3-fache Vergrößerung des Negatives 3. Serienphotographie: - 16mm-Filmkamera, - Bildfrequenz: 24/sec, - 3-fache Vergrößerung des Negatives Lit.: 4, 21, 23

15 11 Methoden der Bewegungsforschung Versuchen Sie, folgende Maßnahmen zur Technik der Serienfotographie in der Bewegungsforschung zu begründen: Die Bewegungsachse sollte parallel zur Abbildungsebene verlaufen (bzw. die Objektivachse sollte senkrecht auf der Bewegungsebene stehen Die Kamera sollte unter Verwendung von Teleobjektiven einen möglichst großen Abstand vom Objekt haben (bzw. der Aufnahmewinkel sollte möglichst eng sein). Es sollten Markierungstafeln oder markante Punkte des Hintergrundes mitgefilmt werden. Die Distanzen der mitgefilmten Markierungstafeln zueinander, zur Bewegungsebene und zur Abbildungsebene sollten bekannt sein. Die Markierungstafeln (bzw. Meßstrecken) sollten einen rechten Winkel bilden. Lit.: 4, 6, 21, 23

16 12 Methoden der Bewegungsforschung Kinematogramme Umrissdarstellung Punktspurdarstellung Gliederachsendarstellung (Die Gliederachse ist die Verbindung der beiden den Körperabschnitt bzw. die Gliedmaße begrenzenden Gelenkmittelpunkte.) Lit. : 21, 23

17 13 Methoden der Bewegungsforschung Goniographie: Aufzeichnen der Gelenkwinkeländerung mit fortschreitender Zeit Dynamographie: Aufzeichnen der Änderung äußerer Kräfte mit fortschreitender Zeit Dynamographischer Startklotz (nach ABALAKOW) Elektromyographie: Aufzeichnen der Muskelaktionspotentiale Lit.: 4, 6, 21, 23

18 14 Richtungen, Bewegungen, Ebenen und Achsen beim menschlichen Körper Richtungen, Bewegungen, Ebenen und Achsen beim menschlichen Körper caudal: cranial: distal: dorsal: lateral: medial: proximal: ventral: zentral: steißwärts (caud-: Schwanz) kopfwärts (crani-: Schädel) zum Ende der Gliedmaßen hin (dis-: auseinander) rückenwärts (dors-: rücken) seitwärts (later-: seite) mittelwärts (medi-: mitte) zum Rumpfansatz der Gliedmaßen hin bauchwärts (vent(e)r-: bauch) zur Mittelachse des Körpers hin Abduktion: Bewegung von der Mittelebene weg Adduktion: Bewegung zur Mittelebene hin Anteversion: Vorführbewegung Extension: Streckbewegung Flexion: Beugebewegung Retroversion: Rückführbewegung Rotation: Drehbewegung um die Längsachse Zirkumduktion: Umführbewegung Pronation: Innenrotation des Unterarmes und der Hand und des Fußes Supination: Außenrotation des Unterarmes und der Hand und des Fußes Medianebene: Ebene, die den Körper in zwei spiegelbildliche Hälften teilt Sagittalebene: Ebene parallel zur Medianebene (sagitta: Pfeil) Frontalebene: Ebene parallel zur Schulterbzw. Hüftachse Transversalebene: horizontale Ebene (beim aufrechten Körper) Längsachse: Querachse: Tiefenachse Achse in Längsrichtung des Körpers Achse parallel zur Schulterbzw. Hüftachse (auch: Sagittalachse): Achse in Richtung von der Bauch- zur Rückenseite (wie ein eingedrungener Pfeil = sagitta)

19 15 Bauplan der menschlichen Zelle: Bauplan der menschlichen Zelle: 1 - Zellkern; 2 - Kernplasma mit Chromatingerüst; 3 - Kernkörperchen (Nucleolus); 4 - Kernmembranen, (dazwischen Perinuclearzisternen); 5 - Kernporen; 6 - Grundplasma (Hyaloplasma); 7 - Zellmembran; 8 - Zwischenzellraum (Interstitium); 9 - Zellzotten (Microvilli); 10 - Stoffaufnahmebläschen (Mikropinozytose-Vesikel); 11 - Golgi-Apparat (Dictyosomen); 12 - Sekretionsbläschen; 13 - Fadenkorn (Mitochondrium); 14 - glattes endoplasmatisches Reticulum, Zisternentyp und Röhrentyp; 15 - rauhes (ribosomenbesetztes) endoplasmatisches Reticulum; 16 - Ribosomen; 17 - Microtubuli; 18 - Zentralkörperchen (Centriolum); 19 - Tonofilamente

20 16 Bauplan der menschlichen Zelle: Grundbauplan der Zelle im menschlichen Organismus und die Funktion der Zellorganellen Die Zelle ist der Grundbaustein des Organismus. Sie zeigt prinzipiell alle Merkmale des Lebens bzw. besitzt die Fähigkeit, alle Lebensfunktionen (Stoffwechsel, Atmung, Bewegung...) auszuführen. Größe: 5 bis 20 µm (1 micrometer = 1 millionstel Meter = 1 tausendstel Millimeter). Aufbau und Funktion (s. auch Abb. vorherige Seite): 1. Membran (7): Abschluss nach außen und gegen die Nachbarzelle. Dicke: 5-10 nm. Doppelte Schicht aus fetthaltigen Molekülen, eingelagerte Proteinmoleküle. (s.s.17) 2. Zellkern (1): a. Kernhülle (4): Zweischichtige Membran mit Perinuclearzisternen und Kernporen zum Stoffaustausch. b. Kernplasma mit Chromatin (Chromosomen) (2): enthalten in Form von DNS die gesamte genetische Information zur Steuerung der Lebensfunktionen der Zelle. c. Kernkörperchen (Nucleolus) (3): Hilfestellung bei Informationsübermittlung. 3. Zellplasma (6): a. Endoplasmatisches Reticulum (ER) (14, 15): Membranumhüllte sackfaltenartige Zisternen zum Stofftransport. I. rauhes, ribosomenbesetztes ER (15): Ribosomen sind die Stätten der Eiweißsynthese. II. glattes ER (ohne Ribosomen) (14): Stoffwechsel und Transportaufgaben. b. Golgi-Apparat (11): mehrere tellerartig geschichtete Membranzisternen (Dictyosomen) mit sich abschnürenden Bläschen: Ausscheiden von Enzymen und Sekreten, die von Ribosomen gebildet und vom ER zugeleitet werden. c. Mitochondrien (13): 0,3 µm große Körper mit glatter Außenmembran und gefalteter Innenmembran: Kraftwerke der Zelle: Speichern die Energie der Nährstoffe in ATP als chemische Bindungsenergie d. Filamente (19): Stützfunktion und Bewegung (Tonofilamente). e. Microvilli (9): Ausstülpungen der Zellmembran: Reizaufnahme, Bewegung Mitropinocytose-Bläschen (10): Einstülpungen der Membran zum Stofftransport. Microtubuli (17): dünne Schläuche zu Stofftransport und Stützfunktion. Zentralkörperchen (18): Funktion bei Zellteilung Lit.: 3, 8, 10, 13, 20

21 17 Bauplan der menschlichen Zelle: Aufbau der Membran Biologische Membranen sind keine bloßen Hüllen, sondern - grundsätzlich eine Art Grenzkontrolle, die die Ordnung in der Zelle gegen die Unordnung außerhalb der Zelle schützt, - zusätzlich ein hochspezialisierter Vermittler zwischen der Zelle und der Umgebung. Grundstruktur der Membran: a) Doppelschicht aus Lipidmolekülen. Jedes Lipidmolekül hat einen hydrophilen (wasserliebenden) Pol und einen hydrophoben (wassermeidenden) Pol. Die hydrophoben Pole sind einander zugewandt, während die hydrophilen Pole nach außen, mit dem wässerigen Milieu in Kontakt treten. Für Wasser und wasserlösliche Stoffe ist die Lipid-Doppelschicht unpassierbar. Dicke: ca. 4,5 nm (1 Nanometer = 1 milliardstel Meter = 1 millionstel Millimeter). b) Makroproteine (Protein: Eiweißverbindung): Die Membran-Makroproteine bilden u.a.: - Kanäle, die sich unter bestimmten Bedingungen öffnen oder schließen und spezifische Stoffe passieren lassen, - Pumpen, die unter Energieverbrauch Stoffe gegen das Konzentrationsgefälle durch die Membran transportieren, - Rezeptoren, die auf spezifische Hormone, Überträgerstoffe oder körperfremde Stoffe reagieren und ihre spezifische Botschaft an das Zellinnere weitergeben. Lit.: 10, 13

22 18 Kurze Phylogenese kontraktiler Strukturen Kurze Phylogenese kontraktiler Strukturen Phylogenese: kontraktil: Stammesentwicklung (phyl-: Stamm; gen-: erzeug...) Eigenschaft, die Selbstverkürzung betreffend (kontrahieren: zusammenziehen, verkürzen) Syncytium: Verschmelzung mehrerer Zellen (syn-: zusammen; cyt-: zell) Antagonisten: Gegenspieler (anti: gegen; agon-: Kampf, Anstrengung) Prinzip der Antagonisten: Grundbedingung der strukturellen Entwicklung Kontraktile Elemente können sich selbständig nur zusammenziehen, nicht aber selbständig wieder dehnen. Die Ausdehnung erfolgt durch die Kraft der sich verkürzenden Antagonisten. Die Kraft wird durch äußere Materie übertragen. Entwicklungstendenz: Von der Einzelzelle, die alle Lebensfunktionen erledigt, zur spezialisierten Einzelmuskelzelle, zum Muskelgewebe, zum Syncytium im Muskelgewebe.

23 19 Stammesentwicklung des Bewegungsapparates und der Lokomotion der Wirbeltiere Stammesentwicklung des Bewegungsapparates und der Lokomotion der Wirbeltiere Die ursprüngliche Fortbewegungsweise der Fische im Wasser durch Bildung von Körperwellen, die in der Horizontalebene von vorn nach hinten über den Körper laufen, bleibt beim Übergang zum Landleben im Prinzip erhalten, wobei die Wellenmechanik durch Hebel (=Gliedmaßen) auf die Unterlage übertragen werden: Diagonalgang Weitere Entwicklungstendenzen: Reduktion der Wellenamplituden und Erweiterung der Eigenbeweglichkeit der Gliedmaßen: Reduktion der Prozentanteile der Rumpfmuskulatur an der Gesamtmuskulatur, Vergrößerung des Prozentanteiles der Gliedmaßenmuskulatur. Reduktion der Beweglichkeit der Wirbelsäule in lateraler Richtung, Erweiterung der Beweglichkeit der Wirbelsäule in dorsoventraler Richtung a) zur Förderung der Galoppbewegung beim Vierfüßer und b) zur Vergrößerung des Aktionsbereiches der oberen Gliedmaßen beim Menschen.

24 20 Bauprinzip des Bewegungsapparates Bauprinzip des Bewegungsapparates Zug-Gurt -Prinzip: Biegekräfte werden zur Materialeinsparung in Zugkräfte und Druckkräfte zerlegt. Die Freiheitsgrade kinematischer Ketten werden durch Verspannungen reduziert. Aus labilen Gelenksystemen werden durch Zug-Gurtungen formstabile Körper.

25 21 Knochen und Gelenke des Menschen Knochen und Gelenke des Menschen Schädel, Wirbelsäule, Brustkorb und Becken 1 - Scheitelbein; 2 - Stirnbein; 3 - Keilbein; 4 - Schläfenbein; 5 - Gehörgang; 6 - Hinterhauptsbein; 7 - Jochbein; 8 - Nasenbein; 9 - Oberkiefer; 10 - Unterkiefer; 11 - Halswirbelsäule; 12 - Atlas (erster Halswirbel); 13 - Dreher (zweiter Halswirbel); 14 - Siebter Halswirbel; 15 - Brustbein (Schnitt); 16 - Handgriff des Brustbeins; 17 - Körper des Brustbeins; 18 - Schwertfortsatz des Brustbeins; 19 - Brustwirbelsäule; 20 - Erster Brustwirbel; 21 - Zwölfter Brustwirbel; 22 - Erste Rippe; 23 - Knorpelanteil der Rippen; 24 - freistellende Rippen; 25 - Lendenwirbelsäule; 26 - Erster Lendenwirbel; 27 - Fünfter Lendenwirbel; 28 - Kreuzbein; 29 - Steißbein; 30 - Darmbein; 31 - Darmbeinkamm; 32 - Vorderer oberer Darmbeinstachel; 33 - Vorderer unterer Darmbeinstachel; 34 - Hüftgelenkspfanne; 35 - Schambein; 36 - Schambeinfuge; 37 - Sitzbein. Lit.: 3, 10, 20, 28

26 22 Knochen und Gelenke des Menschen Brustwirbel von oben und von der Seite: 1 - Wirbelkörper 2 - Zwischenwirbelscheibe 3 - Wirbelbogen 4 - Wirbelloch 5 - Zwischenwirbelloch 6 - Querfortsatz 7 - Dornfortsatz 8 - Gelenkfläche für die Rippe am Querfortsatz 9 - Gelenkflächen für die Rippe am Wirbelkörper 10 - Rippe 11 - Gelenkfortsätze und Gelenkflächen für die anliegenden Wirbel. Schultergürtel und rechter Arm von vorn (mit Handfläche) und von hinten (mit Handrücken) 1 - Schlüsselbein; 2 - Handgriff des Brustbeins. 3 - Schlüsselbein-Brustbeingelenk; 4 - Schlüsselbein- Schulterhöhegelenk; 5 - Schulterblatt; 6 - Rabenschnabelfortsatz; 7 - Schulterhöhe; 8 - Oberer Schulterblattwinkel; 9 - Unterer Schulterblattwinkel; 10 - Innerer Rand des Schulterblattes; 11 - äußerer Rand des Schulterblattes; 12 - Gelenkpfanne des Schulterblattes für das Schultergelenk; 13 - Schulterblattgräte; 14 - Obergrätengrube Untergrätengrube; 16 - Oberarmknochen; 17 - Gelenkkopf des Oberarms für das Schultergelenk; 18 - Großer Höcker des Oberarmknochens; 19 - Kleiner Hocker des Oberarmknochens; 20 - Äußerer Gelenkknorren; 21 - Innerer Gelenkknorren; 22 - Rolle des Oberarmknochens für das ElIbogengelenk; 23 - Grube für den Speichenkopf; 24 - Grube für den Kronenfortsatz der Elle; 25 - Grube für den Ellenbogen; 26 - Elle; 27 - Gelenkfläche der EIle für das Ellenbogengelenk; 28 - Ellenbogen; 29 - Rauhigkeit der Elle (Ansatz des Armbeugers); 30 - Ellenkopf; 31 - Griffelfortsatz der Elle; 32 - Speiche; 33 - Speichenkopf. 33a - Rauhigkeit der Speiche (Ansatz der Bizepssehne); 34 - Griffelfortsatz der Speiche; 35 - Handwurzelknochen; 36 - Mittelhandknochen des Daumens; 37 - Mittelhandknochen des Fingers Fingerknochen (Fingergrundglied, Fingermittelglied, Fingerendglied) des Daumens; 39 - Fingerknochen (Fingergrundglied, Fingermittelglied, Fingerendglied) des Fingers. Lit.: 3, 10, 28

27 23 Knochen und Gelenke des Menschen Becken und rechtes Bein von vorn und von der Seite (s. links) 1 - Darmbein; 2 - Darmbeinkamm; 3 - Vorderer oberer Darmbeinstachel; 4 - Vorderer unterer Darmbeinstachel; 5 - Sitzbeinstachel; 5 a - Kreuzbein; 6 - Gelenkpfanne für das Hüftgelenk; 7 - Schambein; 8 - Sitzbein; 9 - Oberschenkelknochen; 10 - Gelenkkopf des Oberschenkelknochens für das Hüftgelenk; 11 - Oberschenkelhals; 12 - Großer Rollhügel; 13 - Kleiner Rollhügel; 14 - Innerer Obergelenkknorren des Oberschenkelknochens; 15 - Äußerer Obergelenkknorren des Oberschenkelknochens; 16 - Gelenkfläche des O- berschenkelknochens für das Kniegelenk; 17 - Innerer Gelenkknorren des Oberschenkelknochens; 18 - Äußerer Gelenkknorren des Oberschenkelknochens; 19 - Kniescheibe; 20 - Schienbein; 21 - Äußerer Gelenkknorren des Schienbeines; 22 - Innerer Gelenkknorren des Schienbeines; 23 - Zwischenknorrenerhebung; 24 - Schienbeinhöcker; 25 - Schienbeinknöchel; 26 - Gelenkfläche des Schienbeins für das obere Sprunggelenk; 27 - Vordere Schienbeinkante; 28 - Wadenbein; 29 - Wadenbeinkopf; 30 - Wadenbeinknöchel; 31 - Fußwurzelknochen; 32 - Sprungbein; 33 - Sprungbeinrolle; 34 - Fersenbein; 35 - Mittelfußknochen der Großzehe; 36 - Mittelfußknochen der zweiten bis fünften Zehe; 37 - Zehenknochen (Zehengrundglied, Zehenmittelglied, Zehenendglied) der Großzehe; 38 - Zehenknochen (Zehengrundglied, Zehenmittelglied, Zehenendglied) der zweiten bis fünften Zehe Aufbau des Knochens und Gelenkes (s. rechts) 1 - Knochenhaut (Periost); 2 - Knochenschaft; 3 - Gelenkkörper (Epiphyse); 4 - Epiphysenfuge; 5 - Kompakte Knochenrinde 6 - Schwammiges Knochengewebe (Spongiosa); 7 - Knochenhöhle mit Knochenmark; 8 - Gelenkfläche aus hyalinem Knorpel; 9 - Gelenkkapsel; 10 - faserige Schicht der Gelenkkapsel; 11 - Zum Gelenkband verstärkte faserige Schicht der Gelenkkapsel; 12 - generative Schicht der Gelenkkapsel; 13 - Gelenkraum; 14 Gelenkspalt; 15 - Meniskus Lit.: 3, 10, 20, 28

28 24 Funktionen der Wirbelsäule Funktionen der Wirbelsäule a) Stützfunktion: Wirbelkörper b) Bewegungsfunktion: Bandscheiben, Wirbelgelenke c) Schutzfunktion für das Rückenmark: Wirbelbogen d) Hebelfunktion für die Rückenmuskeln: Quer- und Dornfortsätze e) Dämpfungsfunktion gegen vertikale Stöße: Doppel-S-Krümmung, Bandscheiben, seitliches Neigen erfolgt vorwiegend in der Brustwirbelsäule Lit.: 3, 8, 10, 28

29 25 Gelenke und Gelenktypen Gelenke und Gelenktypen Vereinfachte Gelenkmodelle mit Achsen und Hauptbewegungen: A: Kugelgelenk. B: Eigelenk. C: Scharniergelenk. D: Zapfengelenk. E: Sattelgelenk. F: Flaches Gelenk. Die Achsen, um welche die Bewegungen erfolgen, sind eingezeichnet. In jeder Bewegungsebene sind die beiden Hauptbewegungen mit Pfeilen eingetragen. (nach FALLER) Gelenk Gelenktyp Bewegungsmöglichkeit m = morphologisch f = funktionell Schulterqelenk m+f Kugelgelenk 3 Gelenkachsen Brustbein-Schlüsselbeingelenk m f Schlüsselbein- Schulterhöhegelenk m+f Flach-/ Sattelgelenk Kugelgelenk Flächengleit-/ Ellipsoidgelenk 3 Gelenkachsen Verrutschen der Gelenkflächen und Drehung um eine senkrecht zu den Flächen stehende Achse Oberarm-Ellegelenk m+f Scharniergelenk 1 Gelenkachse Elle-Speichegelenk m+f Zapfengelenk 1 Gelenkachse Handgelenk m+f Eigelenk (Ellipsoidgelenk) 2 Gelenkachsen Wirbelgelenk m+f Flächengleitgelenk Verrutschen der Gelenkflächen Hüftgelenk m+f Kugelgelenk 3 Gelenkachsen Kniegelenk m+f Dreh-Scharniergelenk 2 Gelenkachsen Oberes Sprunggelenk m+f Scharniergelenk 1 Gelenkachse Unteres Sprunggelenk m nicht eindeutig f Ellipsoidgelenk 2 Gelenkachsen Lit.: 3, 10, 20, 28

30 26 Gelenke und Gelenktypen Der Adlerschwung am Reck: extreme Anforderungen an Dehnfähigkeit und Gelenkigkeit im Hüft- und Schulterbereich Der Kammgriff: Extrem auswärtsrotierter Oberarm und extreme Supination der Hand Der Ellgriff: Extrem einwärtsrotierter Oberarm und extreme Pronation der Hand Welche Gelenke sind beteiligt und welche Formen der Gelenkhemmung treten auf?

31 27 Gelenke und Gelenktypen Das Kniegelenk - ein Drehscharniergelenk 1 - vierköpfiger Schenkelmuskel; 2 - Kniescheibe; 3 - Kniescheibenband; 4 - Oberschenkelknochen; 5 - Schienbein; 6 - Wadenbein; 7 - Äußerer Oberschenkelknorren; 8 - Innerer Oberschenkelknorren; 9 - Gelenkfläche des Oberschenkelknochens; 10 - Äußerer Meniskus; 11 - Innerer Meniskus; 12 - Kreuzbänder; 13 - Äußeres Seitenband; 14 - Inneres Seitenband. Funktion: Kreuzbänder: geben Führung bei Beuge- und Streckbewegung und hemmen eine Überstreckung. Seitenbänder: spannen sich bei einer Streckung und verhindern eine Überstreckung; entspannen sich bei einer Beugung und ermöglichen eine Rotation des Unterschenkels (15 0 nach innen und 40 0 nach außen). Menisken: gleichen die Inkongruenz der Gelenkknorren des Oberschenkelknochens und der Gelenkflächen des Schienbeins aus. Kniescheibe: schützt den Gelenkspalt. Hebt die Strecksehne vom Knochen ab und vergrößert dadurch den Kraftarm des Streckmuskels. Lit.: 3, 10, 28

32 28 Gelenke und Gelenktypen Schultergelenk - ein Kugelgelenk 1 - Schulterblatt; 2 - Rabenschnabelfortsatz; 3 - Schulterhöhe; 4 - Gelenkpfanne des Schultergelenkes; 5 - Schlüsselbein; 6 - Oberarmknochen; 7 - Kleiner Höcker des Oberarmknochens; 8 - Großer Höcker des Oberarmknochens; 9 - Kopf des Oberarmknochens; 10 - Sehne des langen Kopfes des Bizeps; 11 - Rabenschnabel- Oberarmband. Vorhochheben: Rückführen: im Schlüsselbein-Brustbeingelenk bis zur knöchernen Hemmung im Schultergelenk bis zur knöchernen Hemmung Seithochheben: im Schlüsselbein-Brustbeingelenk bis zur knöchernen Hemmung im Schultergelenk bis zur Muskel-/Bänderhemmung Rotation: im Schultergelenk bis zur knöchernen Hemmung im Schultergelenk bis zur Muskelhemmung / Knöchernen Hemmung Lit.: 1, 10, 28

33 29 Gelenke und Gelenktypen Einschränkung der Gelenkigkeit im Hüftgelenk Massenhemmung: Muskelhemmung: Bänderhemmung: Knochen- und / oder Muskelhemmung: Lit.: 3, 10, 20, 28

34 30 Gelenke und Gelenktypen Aktionsbereich von Gelenksystemen (kinematischen Ketten) Kinematische Kette: ein über Gelenke verbundenes bewegliches System aus einzelnen Gliedern. Die Extremitäten des Menschen stellen offene (an einem Ende freie) kinematische Ketten dar. In kinematischen Ketten korrelieren Stabilität und Bewegungsfreiheit negativ. D.h. je größer die Bewegungsfreiheit, desto geringer die Stabilität! Da die Bewegungsfreiheit kinematischer Ketten mit der Anzahl der Gelenke und mit der Bewegungsfreiheit der einzelnen Gelenke wächst, verringert sich die Stabilität kinematischer Ketten mit der Anzahl der Gelenke in der Kette und mit der Bewegungsfreiheit der einzelnen Gelenke. Mit den Extremitäten des Menschen (zweigliedrig, proximal ein Kugelgelenk, distal ein Scharniergelenk) hat sich eine kinematische Kette entwickelt, die bei einem Minimum an Stabilitätsverlust ein Maximum an Bewegungsfreiheit garantiert. Jede andere Gelenkkombination würde entweder eine Einbuße an Stabilität ohne weitere Effizienzmaximierung oder eine Einbuße an Effizienz bedeuten.) erreicht alle Punkte auf einer Kreisbahn erreicht alle Punkte auf einer Kugeloberfläche und dreht den Punkt um sich selbst erreicht alle Punkte auf einer Kreisfläche erreicht alle Punkte in einem Kugelraum und dreht den Punkt um sich selbst

35 31 Bau des Muskels, Muskeltypen Bau des Muskels, Muskeltypen a) spindelförmiger Muskel b) zweiköpfiger Muskel c) einseitig gefiederter Muskel d) zweiseitig gefiederter Muskel M - Muskelfasern Die Maximalkraft des Muskels korreliert mit dem physiologischen Querschnitt (ph. ) des Muskels, multipliziert mit der Länge der Muskelfasern. Bau des Skelettmuskels 1 - Muskelfaszie 2 - Gruppe von Primärbündeln 3 - Bindegewebshülle um Gruppen von Primärbündeln (Epimysium) 4 - Primärbündel 5 - Bindegewebshülle um die Primärbündel (Perimysium) 6 - Muskelfaser 7 - Nervenfaser mit Endverzweigung und motorischen Endplatten 8 - Nerv 9 - Blutgefäße Lit.: 3, 5, 8, 10, 20, 28

36 32 Bau der Muskelfaser Bau der Muskelfaser Schnittmodell einer Muskelfaser (halbschematisch) 1 - Basallamina mit Gitterfasern (kollagene Fasern), 2 - Muskelfasermembran (Plasmalemm), 3 - Transversale Tubuli, Einstülpungen des Sarkolemms in das Faserinnere, 4 - Öffnungen der transversalen Tubuli, 5 - Zellplasma der Muskelfaser (Sarkoplasma), 6 - Sarkoplasmatisches Reticulum (longitudinale Tubuli), 7 - Terminalcysternen des sarkoplasmatischen Reticulums, 8 - Myofibrillen, 9 - Myosinfilamente der Myofibrillen, 10 - Aktinfilamente der Myofibrillen, 11 - Myofibrillen, in Höhe der I-Banden geschnitten, (I für isotrop, einfach lichtbrechend) 12 - Myofibrillen, in Höhe der A-Banden geschnitten, (A für anisotrop, mehrfach lichtbrechend) 13 - Zellkerne der Muskelfaser, 14 - Mitochondrien. Lit.: 13, 28

37 33 Muskelkontraktion Muskelkontraktion Bau der Myofibrille A: A-Bande (anisotrop) AK: Aktinfilament H: H-Zone (Henson) I: I-Bande (isotrop) M: M-Scheibe (Mittel-) My: Myosinfilament Myk: Myosinkopf Mys: Myosinschaft S: Sarkomer, mittlere Länge: 2,7µm Z: Z-Scheibe (Zwischen-) T: Titinfilamente Gleittheorie der Muskelkontraktion: Bei einer Muskelkontraktion gleiten die Aktin- und Myosinfilamente teleskopartig ineinander, ohne sich selbst zu verkürzen. Dadurch verkürzen sich die Sarkomere um rund 40 %. Querbrückentheorie: Im aktivierten Zustand heften sich die Myosinköpfe des Myosinfilamentes am Aktinfilament an (Querbrückenbildung), kippen um 45 0 um und ziehen dadurch die Aktinfilamente um 20nm aneinander vorbei. Dann lassen die Myosinköpfe das Aktinfilament wieder los, drehen sich in die senkrechte Stellung und greifen erneut zu. In 0,1 sec bei 50 Greif-Loslass-Zyklen (Tauzieh- Prinzip ) ist das Sarkomer maximal verkürzt. Lit.: 8, 13, 28

38 34 Muskelkontraktion Elektromechanische Kopplung der Muskelkontraktion 1. Ein fortgeleitetes Aktionspotential ( ) des Motoneurons (M.n.) setzt an der motorischen Endplatte (m.e.) Neurotransmitter - Acetylcholin - frei. 2. Der Neurotransmitter erzeugt an der Muskelfasermembran (F.m.)ein fortgeleitetes Aktionspotential ( ), das sich längs der Membran bis in die transversalen Tubuli (t.t.) ausbreitet. Durch das Aktionspotential werden die in den Terminalzisternen (T.z.) des sarkoplasmatischen Reticulums,(s.R.) gespeicherten Calcium-Ionen (Ca ++ ) in das Sarkoplasma entlassen. 3. Die Ca ++ Ionen entblocken die Kontaktstellen für die Myosinköpfchen (M.K.) am Aktinfilament (A.f.), so dass sich die Myosinköpfchen am Aktinfilament anheften (Querbrückenbildung, Q.b.). Die Ca-Ionen aktivieren ATP spaltende Enzyme. Die durch die ATP-Spaltung frei werdende Energie wird zum Kippen ( Ruderschlag ) der angehefteten Myosinköpfchen und zum anschließenden Lösen der Querbrücken benötigt. Es laufen mehrere Greif-Loslass-Zyklen ab, die Muskelfaser kontrahiert. 4. Durch eine Calcium-Pumpe werden die Ca-Ionen wieder in die Terminalzisternen eingesammelt. Die Kontraktion wird eingestellt, die Muskelfaser erschlafft. Lit.: 8, 13, 28

39 35 Muskelkontraktion Molekularer Mechanismus der Muskelkontraktion: Aufbau des Aktinfilamentes: 1 - gewundene Doppelkette 5 nm dicker Aktinmonomeren, 2 - Tropomyosinfäden, 3 - Troponinmoleküle, 4 - Myosinkopf des Myosinfilamentes. Mechanismus: Im inaktiven Zustand blockieren die Tropomyosinfäden die Kontaktstellen für die Myosinköpfe auf den Aktinfilamenten (s. Abb., linke Hälfte). Werden durch das Muskelaktionspotential Calcium- Ionen freigesetzt, werden diese an die Troponinmoleküle gebunden. Letztere verformen sich dadurch und schieben dabei die Troponinfäden in die Längsrinne im Aktindoppelstrang (s. Abb., rechte Hälfte). Dadurch wird der Haftpunkt für den Myosinkopf freigegeben, so dass sich die Querbrücke bilden kann. Weitere Daten: Die Nickbewegung eines Köpfchens bei rein isotonischer Kontraktion kann zu einer Verkürzung des Sarkomers von 5-10 nm führen, das sind 1% der Sarkomerlänge. Das bedeutet, dass nach 50 Nickbewegungen in 0,1 sec (nach einer Verkürzung von rund 1 µm) das Sarkomer maximal kontrahiert ist. Bei isometrischer Kontraktion dauert die Haftzeit 0,01-0,1 sec. Bei einer Pause zwischen den Haftperioden von 0,1-0,01 sec ergibt das eine Frequenz der Nickbewegung eines Köpfchens von 5-50 Hz. 1 Milliarde Querbrücken in Parallelschaltung erzeugen eine Kraft von 0,001 N ( 0,1 gr).

40 36 Muskelkontraktion Anordnung der kontraktilen und elastischen Elemente: Aktionspotential Spannungsentwicklung bei vorgespannter Muskelfaser ( aktiver Zustand) Spannungsentwicklung bei entspannter Muskelfaser Spannungsentwicklung bei wiederholter Reizung: a) Einzelzuckungen b) Superposition c) Tetanus Kraftanstieg gegen unterschiedliche Lasten: Schnellkraft: Die Fähigkeit, in möglichst kurzer Zeit eine möglichst hohe Kraft zu erzeugen. Schnellkraftindex = F max t max Explosivkraft: Die Fähigkeit, den Kraftzuwachs möglichst schnell ansteigen zu lassen. Explosivkraft = F F 2 1 F = t t t 2 1

41 37 Muskelkontraktion Muskellänge und Muskelspannung

42 38 Muskelkontraktion Innere Muskelmechanik:

43 39 Muskeln des Menschen Muskeln des Menschen Oberflächendarstellung (zur Identifizierung von Ursprung und Ansatz der Muskeln am Skelett, s.s.40) Lit.: 3, 10, 20, 28

44 40 Muskeln des Menschen Lit.: 3, 10, 20, 28

45 41 Muskeln des Menschen Muskeln des Menschen Muskeln Ursprung Ansatz Funktion und Antagonist (A) 1 Gerader Bauchmuskel (M. rectus abdominis) Vorderkante Brustkorb Schambein Beugen (Ventralflexion) des Rumpfes. A zu 3 2 Äußerer schräger Bauchmuskel Seite des Vorderkante Verwringen des Rumpfes (M. obliquus externus abdominis) Brustkorbes Becken 3 Rückenstrecker (M. erector spinae) Darmbein (Rückseite), Dorn-, Querfortsätze, Rippen Strecken und Überstrecken (Dorsalflexion) des Rumpfes. A zu 1 4 Großer Brustmuskel (M. pectoralis major) Schlüsselbein, Brustbein Oberarm, großer Höcker Heranziehen (Adduktion) und Nachvornführen (Anteversion) des Armes. 5 Breiter Rückenmuskel (M. latissimus dorsi) 6 Kapuzenmuskel (M. trapezius) 7 Vorderer Sägemuskel (M. serratus anterior) 8 Deltamuskel (M. deltoideus) 9 Armbeugemuskulatur (M. biceps brachii und M. brachialis) 10 dreiköpfiger Armstrecker (M. triceps brachii) 11 Streckmuskeln der Finger und der Hand 12 Beugemuskeln der Finger und der Hand 13 großer und mittlerer Gesäßmuskel (M. glutaeus maximus et medius) 14 Lenden-Darmbeinmuskel (M. iliopsoas) 15 Anzieher (M. adductor longus et magnus) 16 Schenkelbeuger (ischiocrurale Muskulatur) 17 Vierköpfiger Oberschenkelmuskel (M. quadriceps femoris) 18 Schneidermuskel (M. sartorius) 19 Zehenstrecker und vorderer Schienbeinmuskel 20 Dreiköpfiger Wadenmuskel (M. triceps surae) 21 Wadenbeinmuskel (M. peronaeus) 22 Zehenbeuger und hinterer Schienbeinmuskel Wirbelsäule, Darmbein Hals- und Brustwirbel Rippen Schlüsselbein, Schulterblattgräte Schulterblatt, O- berarm Oberarm, kleiner Höcker Schulterblattgräte Schulterblatt, innerer Rand Außenseite Oberarm Elle und Speiche A zu 5 und 8. Heranziehen (Adduktion), Rückführen (Retroversion) und Innenrotation des Armes. A zu 4 und 8. Zurücknehmen der Schulter, Feststellen des Schulterblattes. A zu 7. Vorschieben der Schulter. A zu 6. Abspreizen (Abduktion) des Armes. A zu 4 und 5. Beugen des Ellbogengelenkes. A zu 10. Schulterblatt, O- berarm Ellbogenfortsatz Strecken des Ellbogengelenkes. A zu 9. Oberarm, Fingerknochen, Strecken der Finger und Überstrecken äußerer Knorren Handwurzel der Hand. A zu 12. Oberarm, Fingerknochen, Beugen der Finger und der Hand. innerer Knorren Handwurzel A zu 11. Kreuzbein, großer Rollhügel Strecken des Hüftgelenkes und hintere Abspreizen (Abduktion) des Beines. Darmbeinfläche A zu 14 und 15. Lendenwirbel, kleiner Rollhügel Beugen des Hüftgelenkes. Darmbeininnenfläche A zu 13 und 16. Schambein Oberschenkel Heranziehen (Adduktion)des Beines. A zu 13. Sitzbein, Wadenbeinköpfchen, Strecken des Hüftgelenkes und Oberschenkel Beugen des Kniegelenkes. Darmbeinvorderkante, Oberschenkel Darmbeinvorderkante Schienbein, Wadenbein Oberschenkel, Schienbein Wadenbein Schienbeinrückseite Schienbein Schienbein, Vorderkante Schienbein, Innenfläche Zehenknochen, Fußwurzelinnenkante Fersenbein Unter- und Innenseite des Fußes Zehen und Fußunterseite A zu 14 und 17. Beugen des Hüftgelenkes (nur langer Kopf) und Strecken des Kniegelenkes. A zu 13 und 16. Beugen des Hüft- und Kniegelenkes, Außenrotation des Beines. Strecken der Zehen und Heben (Extension) des Fußes. A zu 20 und 21. Senken (umgangssprachlich: Strecken; anatomisch: Flexion) des Fußes. A zu 19. Aufbau Fußgewölbe. A zu 19 und 22. Beugen der Zehen, Aufbau des Fußgewölbes. A zu 19 und 21. Lit.: 3, 10, 28

46 42 Muskeln des Menschen Aufgabe: Ordnen Sie den verschiedenen Bewegungsaufgaben die entsprechenden Muskeln zu: Aufgabe Muskel 1. Arm abgespreizt halten 2. Schulter nach vorn schieben 3. Oberarm abgespreizt nach vorn bewegen (antevertieren) Hand einwärts gedreht - proniert - halten 4. Ellbogengelenk strecken 5. Mit Hand und Fingern Kugel wegschnellen Zusatz: Welcher Muskelgruppe kommt eine besondere Bedeutung zu, wenn man speziell das biomechanische Prinzip vom optimalen Beschleunigungsverlauf berücksichtigt (s.s. 171)?

47 43 Bedingungen zur Bestimmung der Muskelfunktion Bedingungen zur Bestimmung der Muskelfunktion Über die auf S. 40 wiedergegebene Hauptfunktion hinaus, hängt die Arbeitsweise der Muskeln von verschiedenen Bedingungen ab, die nur aus der Kenntnis von Ursprung und Ansatz sowie Zugrichtung der Fasern abgeleitet werden kann. 1. Ausgangsstellung der Gliedmaßen: Beispiel: In starker Hüftbeugestellung wirken die Adduktoren zusätzlich als kräftige Hüftstrecker. Beispiel: Bei extrem rückgeführtem Arm bewirkt der breite Rückenmuskel eine Anteversion des Armes. 2. Funktion einzelner Muskelteile: Beispiel: Das vordere (claviculare) Drittel des Deltamuskels wirkt isoliert als Anteversor, das hintere (spinale) Drittel als Retroversor. Beispiel: Der obere (craniale) Teil des Kapuzenmuskels hebt das Schulterblatt, der untere (caudale) Teil senkt es. Lit.: 20, 28

48 44 Bedingungen zur Bestimmung der Muskelfunktion 3. Zusammenspiel mehrerer Muskeln: Beispiel: breiter Rückenmuskel und großer Brustmuskel wirken gemeinsam als Adduktor des Armes. Beispiel: Eine vom Lendendarmbeinmuskel erzeugte Hüftbeugung wird in der Regel von einer Kontraktion des geraden Bauchmuskels begleitet, um ein Abkippen des Beckens nach vorn zu verhindern. 4. Äußere Widerstände: Beispiel: Eine kräftige Aktion des Brustmuskels bei abduziertem Arm wirkt im Ellbogengelenk aufgrund der Trägheit des Unterarms streckend. Beispiel: In der Stützphase des Laufes wirken die Schenkelbeuger aufgrund der Haftung des Fußes am Boden und der Trägheit des Körpers im Kniegelenk streckend. 5. Mehrgelenkigkeit einzelner Muskelteile: Beispiel: Der lange Kopf des dreiköpfigen Armstreckers wirkt im Schultergelenk als Retroversor. Beispiel: Der lange Kopf des vierköpfigen Schenkelstreckers wirkt im Hüftgelenk beugend. Lit.: 20, 28

49 45 Bedingungen zur Bestimmung der Muskelfunktion Stütz-Stoß-Schlinge des Armes (Nummerierung der Muskeln s.s.40) Lit.: 18, 28

50 46 Kontraktionsformen der Muskeln Kontraktionsformen der Muskeln 1. Isometrische Kontraktion Kontraktion bei konstanter Muskellänge aber sich ändernder Muskelkraft. Beispiel: Anwachsende Muskelkraft gegen einen unüberwindlichen Widerstand des Gegners beim Schiebekampf. 2. Isotonische Kontraktion Kontraktion bei konstanter Muskelkraft aber sich ändernder Muskellänge. Beispiel: Gleichmäßige Bewegung des Tennisschlägers durch den Brustmuskel. 3. Auxotonische Kontraktion Kontraktion bei Veränderung der Muskellänge und Veränderung der Muskelkraft. a) Konzentrische Form: Der Muskel verkürzt sich, während die Kraft steigt. b) Exzentrische Form: Der Muskel wird durch äußere Kräfte verlängert, während seine Kraft steigt. 4. Anschlagkontraktion Nach einer isotonischen oder auxotonischen Kontraktion Übergang zu einer isometrischen Kontraktion. Beispiel: Fixierung des Boxstoßes durch äußeren Widerstand. 5. Unterstützungskontraktion Nach einer isometrischen Kontraktion, die den äußeren Widerstand überwindet, Übergang zu isotonischer bzw. auxotonischer Kontraktion. Beispiel: Heben eines Gewichtes. Alle genannten Beispiele sind als Modellfälle zu betrachten, die in reiner Form nur gelegentlich in der Bewegungspraxis auftreten. Den Kraft-Muskellänge-Verlauf bei einem Hochsprung mit federndem Ausholen zeigt annähernd nebenstehendes Diagramm: Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus (DVZ) Lit.: 8, 28