Die Muskelfaserstruktur

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1 HGM Stefan Letzelter Das Geheimnis langer Drives: Die Muskelfaserstruktur Welcher Golfer bewundert nicht bei TV-Übertragungen die Teilnehmer großer Turniere, denen es durch ihre Abschläge gelingt, die Fairway-Hindernisse mühelos zu überspielen. Mit ihren Drivelängen von 300 und mehr Metern realisieren sie sich eine völlig andere Platzstrategie. Was für die Profis ein Muss ist, kann auch von Amateuren erreicht werden. Die Voraussetzungen dazu werden im folgenden Artikel von Dr. Stefan Letzelter beschrieben. Ihm danken wir für seine Zustimmung, die bereits in der ProGolf 2004 erschienene Veröffentlichung in unsere Fach-Bibliothek setzen zu dürfen. Dr. Stefan Letzelter studierte Sportwissenschaft, Philosophie und Politikwissenschaft in Mainz und San Diego und promovierte am Fachbereich Sport der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Dort unterrichtet er Theorie und Praxis der Leichtathletik und Fitness. Als Leichtathlet war er 1998 Deutscher Meister, EM- und Weltcup-Teilnehmer im 400-m-Lauf. Zuvor hatte er bereits mehrere Süddeutsche Meisterschaften und Deutsche Hochschulmeisterschaften gewonnen. In der Jugendklasse gehörte er außerdem zur nationalen Spitze im Mehrkampf und Hürdensprint. Nach Beendigung seiner aktiven Laufbahn im Jahr 2000 folgte der nahtlose Übergang ins Trainerfach, wo die von ihm ehrenamtlich betreuten Athleten Süddeutsche Meistertitel und Medaillen bei Deutschen Meisterschaften gewannen. Über fünf Jahre war Letzelter als Konditionstrainer im Profi-Basketball tätig, erst bei der Deutschen Nationalmannschaft und anschließend bei einem Bundesligisten. Er war auch persönlicher Athletiktrainer von Fußball- und Tennisprofis. Letzelter war sechs Jahre lang Aktivensprecher im Deutschen Leichtathletik-Verband und von 2002 bis 2006 stellvertretender Vorsitzender des Beirats der Aktiven im DSB und Präsidiumsmitglied des NOK. Er war verantwortlicher Redakteur der Lehrbeilage des Leichtathletik -Magazins. Außerdem war er journalistisch für das ZDF und eine Mainzer Tageszeitung tätig. Seit 2002 ist er Wortredakteur im Videotext des Südwestrundfunks. Letzelter ist Autor bzw. Co-Autor von zwei Büchern und rund 30 sportwissenschaftlichen Beiträgen in Fachzeitschriften und Festschriften in den Bereichen Leichtathletik, Basketball, Fußball und Golf. HGM GmbH HAAG Golf Messtechnik Emil-Hurm-Str Waldbrunn Tel.: +49 (06436)

2 HGM Stefan Letzelter Das Geheimnis langer Drives: Die Muskelfaserstruktur 1 Einflussgrößen der Drivelänge In den letzten Jahren sind die Drives von Profis und Amateuren immer länger geworden. 300 Meter und mehr auch ohne Rückenwind kommen öfter vor. Andererseits gibt es selbst unter den Topspielern ein beachtliches Gefälle. Abstände von 30 bis 40m sind die Regel, und die müssen durch eine größere Präzision bei den folgenden Schlägen ausgeglichen werden. B. Langer beklagt immer wieder, dass ihm gegenüber den Longhittern viele Meter im Abschlag fehlen und er deshalb ein Eisen 4 oder 5 braucht, wenn diese mit dem Eisen 9 oder 8 das Grün angreifen. Wie kommen die enormen Differenzen zustande? Die Antwort fällt zunächst einmal leicht: Durch Unterschiede in der Kondition einer- und der Technik andererseits, wie in allen anderen Sportarten. Die biomechanischen Einflussgrößen der Abfluggeschwindigkeit und damit der führenden Einflussgröße der Schlagweite sind sofern ihre Ausprägung vom Können des Golfers abhängig ist - in Abb. 1 aufgelistet. Abfluggeschwindigkeit des Balles Schlägerkopfstellung Auftreffwinkel Schlägerkopfgeschwindigkeit Treffpunkt auf der Schlagfläche Abb. 1: Führende vom Golfer abhängige Einflussgrößen der Abfluggeschwindigkeit Von diesen Einflussgrößen sind die Schlägerkopfstellung, das Treffen im Sweetspot und der Auftreffwinkel reine Technikmerkmale, die Schlägerkopfgeschwindigkeit dagegen ist zusätzlich noch von der Schlagkraft, der golfspezifischen Erscheinungsweise der Schnellkraft, geprägt. Diese Fähigkeit ist auch technikorientiert, da der Golfer die Bewegungen einzelner Körperteile (Teilimpulse) in einer zeitlich angemessenen Reihenfolge koppeln muss (Timing). Man spricht auch von intermuskulärer Koordination. 1

3 Diese muss in kürzester Zeit realisiert werden. Bei den Profis dauert der gesamte Abschwung nur zwischen 0,22 und 0,25s. Dementsprechend ist für die Bewegungen der einzelnen Körpersegmente noch viel weniger Zeit. Die Entwinkelung des Handgelenks beispielsweise geschieht innerhalb von nur 5 Hundertstel Sekunden. Der geschulte Blick des Golflehrers kann Fehler im Timing erkennen, sie zeigen sich auch im Ballflug. Viel zuverlässiger sind allerdings biomechanische Analysen, die mit Hochfrequenz-Videokameras und Kraftmessplattformen durchgeführt werden können. Dabei kommt man bisweilen zu einem bemerkenswerten Ergebnis: Obwohl in den räumlichen Merkmalen wie Schwungbahn, Schlägerkopfstellung oder Treffpunkt am Schläger im Impact ebenso wenig Unterschiede festzustellen sind wie in der Bewegungskopplung, obwohl also die Schwungtechniken einzelner Golfer sich nicht auffällig unterscheiden, schlagen die einen den Ball viel weiter als die anderen. Die Ursache hierfür liegt in der Schlägerkopfgeschwindigkeit, die ihrerseits durch die Winkelgeschwindigkeiten der Körpersegmente Beine, Hüfte, Rumpf und Arme bestimmt wird. Wie kommen die zustande? 2 Die Rolle der Schlagkraft Die führende Fähigkeit des Sprinters ist die Sprintkraft, die des Springers die Sprungkraft und die des Werfers die Wurfkraft. Aus Sicht der Biomechanik gehört der Golfschwung zur Klasse der Schläge. Während des Ballkontaktes erfolgt die Übertragung vom Schläger auf den Ball. Im Physikunterricht haben wir dies am Beispiel zweier Billardkugeln gelernt: Der Bewegungsimpuls der ankommenden Kugel wird auf die ruhende übertragen. Je schneller die gestoßene Kugel auf die ruhende trifft, desto weiter wird diese rollen. Beim Golfschlag ist das genauso: Wird der Ball korrekt getroffen, hängt dessen Abfluggeschwindigkeit ausschließlich von der Schlägerkopfgeschwindigkeit ab. Die Schlagkraft ist die spezifische Schnellkraftfähigkeit des Golfers, sie beeinflusst die Schlägerkopfgeschwindigkeit maßgeblich. Spezifische Untersuchungen dazu gibt es noch nicht. Andere Schnellkraftfähigkeiten wurden dagegen schon häufig analysiert, und deshalb kann man analog argumentieren. Die physiologischen Grundlagen treffen auf die Schlagkraft genauso zu wie auf die Sprint-, Sprung- oder Wurfkraft. Einführen wollen wir die Betrachtung mit einem Beispiel, das jeden Tag auf allen Golfplätzen der Welt beobachtet werden könnte: Ein Sechzig- und ein Dreißigjähriger spielen gemeinsam Golf. Auf allen Bahnen sind die Drives des Älteren klar länger als die des Jüngeren. Der Dritte im Flight mag das zuerst gar nicht glauben. Obwohl er ein erfahrener Golfer ist, als Sportlehrer zudem geschult im Beobachten von Bewegungen, kann er auf den ersten Blick keine Vorteile des Älteren in der Technik erkennen. Sein geübtes Auge stellt aber bei genauerem Hinsehen fest, dass der Ältere viel 2

4 dynamischer abschwingt und deshalb eine weitaus höhere Bewegungsgeschwindigkeit erzielt. Da ihn das bei dem beachtlichen Altersunterschied doch sehr wundert, fragt er nach. So erfährt er, dass der ältere Golfer früher ein erfolgreicher Sprinter war, der jüngere dagegen Langstreckenläufer ist. Dem Sportlehrer ist nun sofort klar, warum der Sechzigjährige den Ball weiter schlagen kann. Sprinter haben nämlich eine ganz andere Muskelfaserstruktur als Dauerläufer, deswegen können sie schneller laufen, aber auch andere Bewegungen mit höherer Geschwindigkeit ausführen, beispielsweise schneller zuschlagen. Alle Teilbewegungen, alle Rotationen, die zur Erzeugung der Schlägerkopfgeschwindigkeit notwendig sind, können schneller erfolgen: die der Hüfte und die der Schulter, dann die der Arme und im letzten Schritt der Impulsübertragung die des Schlägerschaftes. Dadurch wird ein höherer Bewegungsimpuls im Impact realisiert, denn der Bewegungsimpuls eines Körpers ist nichts anderes als das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit des Schlägers, folglich von Masse und Geschwindigkeit des Schlägerkopfes. 3 Was heißt Muskelfaserstruktur? Bewegungen im Sport werden durch das Zusammenwirken der Einzelbestandteile des Bewegungsapparates ermöglicht. Dieser besteht aus dem Knochengerüst dem Nervensystem der Skelettmuskulatur mit Sehnen und Bändern. Die Skelettmuskulatur allein ist dem Willen unterworfen, kann also Befehle aufnehmen und in Bewegungen umsetzen. Die Muskelmasse des Mannes beträgt 40 bis 50, die der Frau 25 bis 30% des gesamten Körpergewichtes. Jeder Skelettmuskel setzt sich aus vielen tausend einzelnen Muskelfasern zusammen, die zu Muskelfaserbündeln vereinigt und mit bemerkenswerter Präzision gesteuert werden. Eine Muskelfaser wird zwar von nur einer einzigen Verästelung eines motorischen Neurons innerviert, doch stellt dieser Ast eine von 10 bis 1000 ähnlichen Aufzweigungen dar, die alle Abb 2: Schematisierte Darstellung der für die Bewegung zuständigen Komponenten dem gleichen Axon (vgl. Abb. 2) angehören. Eine motorische Einheit besteht aus einem-motoneuron und allen Skelettmuskelfasern, die dadurch aktiviert werden. Die Kontraktion beginnt entweder 3

5 direkt im Zentralen Nervensystem und verläuft von dort zu den-motoneuronen oder sie verläuft indirekt über reflektorische Bahnen. Die Größe einer motorischen Einheit und damit die Anzahl der Muskelfasern schwankt sehr stark. Darüber hinaus gibt es weitere Besonderheiten einzelner Skelettmuskeln, und zwar in der Geschwindigkeit der Kraftentwicklung, in der Höhe der Krafterzeugung, in der Aufrechterhaltung des Kraftniveaus. 4 Fasertypen Motoneurone können faserig mit schnellen, kurzdauernden oder tonisch mit langsamen, langandauernden Kontraktionen sein. Allgemein unterscheidet man drei Arten der motorischen Einheiten, sogenannte FT-, FR- und S-Einheiten. Die FT-motorische Einheit kann schnell Spannung entwickeln, aber ermüdet auch sehr rasch. Die FR-Einheit hält länger durch. Die S-Einheit zeichnet sich durch ein geringes Tempo der Kraftentwicklung aus, kann die Kraft aber für längere Zeit ohne größere Verluste aufrechterhalten. Bei den FT-Einheiten erfolgt die Spannung schnell, lässt aber auch schnell nach. FR-Einheiten haben ebenfalls einen schnellen Kraftanstieg, doch bleibt die Kraft längere Zeit auf hohem Niveau. Sehr langsam ist der Anstieg bei den S-Einheiten. Die Kraft eines Muskels ist abhängig von der Muskelquerschnittsfläche und der willkürlichen Aktivierungsfähigkeit. Als dritte Einflussgröße kommt die Qualität der Muskelfasern hinzu. Es gibt unterschiedliche Typen von Muskelfasern, und deren Verteilung ist bei einzelnen Sportlern verschieden. Die einzelnen Skelettmuskeln weisen ein breites Spektrum unterschiedlicher Eigenschaften auf. So variieren die Kontraktionszeiten von 25 bis 100 Milisekunden. Früher hat man nur zwei Typen mit unterschiedlichen Funktionen unterschieden, dann drei: schnelle (Typ II) und langsame (Typ I) Zuckungsfasern, sowie eine Zwischenform. Neuere Methoden der Analyse von Gewebeproben erlauben eine präzisere Unterteilung: Typ I: Typ II: Dünne Fasern, langsam kontrahierend, ermüdungsresistent. In drei Varianten: Typ IIa: Schnell, mittelgroß, relativ ermüdungswiderstandsfähig. Typ IIb: Schnell, groß, relativ leicht ermüdbar. Typ IIc: Transformationstyp: Intermediär zu den Typ I-Fasern, schnell. 4

6 Schnellkraftsportler Ausdauersportler Abb.3: Muskelfaserzusammensetzung bei einem Schnelligkeits- und einem Ausdauersportler Die Fasern jedes Typs zeigen große Streubereiche in der Kontraktionsgeschwindigkeit, der Erholungsfähigkeit und der Ermüdbarkeit. Es gibt also fließende Übergänge der Eigenschaften der Fasertypen. Abb. 3 zeigt Gewebeproben aus dem Oberschenkel eines Schnellkraft- und dem eines Ausdauersportlers. Der Schnellkraftsportler verfügt über einen viel größeren Anteil an schnellen Muskelfasern des Typs IIb, der Ausdauersportler über einen höheren Prozentsatz langsamer Fasern des Typs I. Inwieweit extreme Fasertypenverteilungen wie in der Weltklasse vererbt oder antrainiert sind, ist bis heute nicht vollständig klar. Interessant ist, dass hochqualifizierte Ausdauersportler fast nur Typ I- Fasern haben, diese Verteilung sich nach Aufgabe des Hochleistungsstrainings aber wieder verändert. Bereits ein zweimaliges Ausdauertraining pro Woche führt bei Untrainierten zu einer Umwandlung von Typ IIb- in Typ IIa-Fasern, in den Biopsien gut austrainierter Ausdauerathleten finden sich oft überhaupt keine Typ IIb-Fasern mehr. Folgt man der groberen Klassifizierung, lassen sich die unterschiedlichen Funktionen einfach erklären. Die schnell zuckenden Muskelfasern, auch als helle, weiße oder phasische Fasern bezeichnet, haben eine höhere Erregbarkeit und eine höhere Verkürzungsgeschwindigkeit. FT-Fasern sind für schnellkräftige Bewegungen zuständig. Sie produzieren explosive Kontraktionen in kurzer Folge und entwickeln eine hohe Zugkraft, haben aber den Nachteil, dass sie für Dauerleistungen ungeeignet sind, weil sie schnell ermüden. Die langsam zuckenden, auch dunkle, rote oder tonische Fasern genannt, kontrahieren langsamer. Sie sind dafür widerstandsfähiger gegen Ermüdung. 5

7 Große Drivelängen erfordern eine hohe Schlägerkopfgeschwindigkeit im Impact. Dazu benötigt der Golfer eine sehr gute Schlagkraft. Die wiederum setzt eine günstige Muskelfaserverteilung voraus, und zwar einen hohen Anteil schnell zuckender Fasern des Typs IIb. Da der gesamte Abschwung innerhalb von 22 bis 25 Hundertstelsekunden geschieht und die einzelnen Teilbewegungen noch deutlich schneller ablaufen (s.o.), kommen im Wesentlichen nur die schnellen Muskelfasern zum Einsatz. Golfer mit einem relativ geringen Anteil schneller Fasern können einzelne Bewegungen nicht mit hoher Geschwindigkeit ausführen und erzielen folglich keine hohe Schlägerkopfgeschwindigkeit. Die Verteilung der Fasertypen beim Menschen war lange Zeit nicht geklärt. Unser Wissen resultierte ausschließlich aus Tierversuchen. Das hat sich geändert. Man weiß mittlerweile, dass der Mensch mehr tonisch dominierte Muskeln mit einem größeren Anteil langsam kontrahierender, also Typ I-Fasern hat, dass es aber auch andere Muskeln mit mehr Fasern des Typs IIb gibt. Der Mensch besitzt allerdings keine Muskeln, in denen nur ein einziger Fasertyp vorhanden ist. Durch Gewebeentnahmen hat man die Faserverteilung jeweils untersucht. Langsame Fasern sind vor allem in der Haltemuskulatur vorzufinden. Dort beträgt ihr Anteil bis zu 95%. Über schnelle Muskeln verfügen die Arme und Hände, dort ist ihr Anteil höher als in den Beinen. Eine Übersicht biomechanischer und kontraktiler Eigenschaften der Typen I und II des menschlichen Muskels leistet Tab. 1. Man erkennt, dass die Kontraktionszeit der Muskelfasern des Typs I rund doppelt so lang ist wie die des Typs II, während im Ermüdungsindex der Typ I deutliche Vorteile hat. In der Leitungsgeschwindigkeit der Membranen zeigen sich beim Typ II doppelt so hohe Werte wie beim Typ I. Auch die maximale Spannung ist viel ausgeprägter, besonders in den Extremwerten bestehen erhebliche Abstände. Typ I (S) Typ IIc/IIa (FR) Typ IIb (FF) Erregungsschwelle Niedrig Mittel Hoch Entladungsfrequenz Muskelfaserquerschnitt Leitungsgeschwindigkeit bis 30 Impulse/s eher kontinuierlich Bis ca. 90 Imp./s bis 150 Imp./s eher in Salven 2000 bis 2000 bis 6000µm bis 10000µm µm 2 ca. 2,5 m/s 3 bis 5 m/s ca. 5,5 m/s Kraft/Einzelzuckung 70 mg 80 bis 90 mg 100 mg Ermüdbarkeit Niedrig Niedrig hoch Kontraktionszeit ca. 100 ms 50 bis 90 ms ca. 40 ms Kraft/Einheit 2 bis 13 gr 5 bis 50 gr 30 bis 130 gr Tab. 1: Biochemische und kontraktile Eigenschaften verschiedener Muskelfasertypen 6

8 Bei Bewegungen werden zuerst die langsamen motorischen Einheiten rekrutiert, mit zunehmender Kraftentwicklung dann mehr und mehr auch die schnellen. Spitzensportler können fast alle motorischen Einheiten eines großen Extremitätenmuskels miteinander aktivieren, Untrainierte nicht. Explosive und schnelle Kontraktionen aktivieren Typ I- und Typ II-Einheiten fast gleichzeitig. Wegen der größeren Anzahl an Fasern pro motorischer Einheit und deren schnellerer Kontraktionsfähigkeit überwiegt der Kraftbeitrag der Typ II-Einheiten bei weitem. 5 Muskelfasertypen in Schnellkraftdisziplinen Hat ein Sportler einen sehr hohen Anteil an Typ I-Fasern, ist er für Ausdauersportarten talentiert, bei einem hohen Anteil an Typ II-Fasern für Schnellkraftsportarten. Bei einem früheren Weltklassemarathonläufer wurden 93% Anteile des Typs I und 7% des Typs IIa festgestellt, IIb-Fasern sind überhaupt nicht registriert worden. Bei Sprintern wurden mehr als 70% IIb-Fasern gefunden. Mit zunehmender Belastungslänge und damit zunehmend größerer Bedeutung der aeroben Ausdauer nimmt der Anteil der Fasern des Typs I zu, der des Typs II ab. Je größer der Anteil an FT-Fasern, desto größer die Schnelligkeit. Der Anteil an langsamen oder schnellen Muskelfasern ist nicht in allen Muskeln gleich groß, Sportler einer Disziplin haben in einem Muskel größere und im anderen kleinere Anteile an schnellen Muskelfasern. Eine günstige Faserverteilung, ein hoher Anteil an Fasern des Typs IIb ist Voraussetzung schneller, explosiver Muskelkontraktionen und über diesen Weg auch die Basis einer guten Schlagkraft. Sie sorgt dann entsprechende Technik und damit eine hohe Bewegungspräzision vorausgesetzt für die enormen Drives, die wir immer wieder bestaunen. Stefan Letzelter Mainz