Grundlagen der Biomechanik. Ewa Haldemann

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1 Grundlagen der Biomechanik Ewa Haldemann

2 Was ist Biomechanik 1 Unter Biomechanik versteht man die Mechanik des menschlichen Körpers beim Sporttreiben. 2

3 Was ist Biomechanik 2 Bewegungen entstehen durch das Einwirken von inneren (Muskelkraft) und äusseren Kräften (z.b. Erdanziehung) auf den Körper. Anhand eines Films können Strecken, Winkel, Zeiten, Geschwindigkeiten bestimmt werden (z.b. Schrittlänge, Schrittfrequenz, Kniewinkel, Laufgeschwindigkeit). 3

4 Ziele der Biomechanik Fähigkeit entwickeln, Bewegungsabläufe analysieren und verstehen zu können. Fähigkeit entwickeln, Bewegungsabläufe mit Hilfe von technischen und konditionellen Massnahmen korrigieren und optimieren zu können. 4

5 Kinematik (Bewegungsbeschreibung) A1 Winkel Winkelgeschwindigkeit Weg zurückgelegte Strecke Gesch windigk eit Wegänderung pro Zeit Beschl eunigu ng Geschwindigkeitsänderung pro Zeit Quelle: Ursula Keller, 2014 Winkelbeschleunigung 5

6 Folie 5 A1 Im Kreis die Begriffe für die Bewegung in der Ebene, aussen die entsprechenden Begriffe für Rotationswegungen Autor;

7 Beispiel Bei einem 100-m-Sprint in 10.0 sec. können in einem Diagramm die Laufstrecke, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung dargestellt werden. Der Weg steigt nach dem Start nicht ganz linear an. Die Geschwindigkeit hat nach 5 Sekunden ihr Maximum. Die Beschleunigung ist nach dem Start am grössten Prozent Weg Geschwindigkeit Beschleunigung Zeit (sec) 6

8 Biomechanische Begriffe und Prinzipien Trägheitsmoment Massenverteilung Drehimpuls Drehmoment A2 Träghei t Masse Impuls Kraft Actio = Reactio Impulserhaltung Drehimpulserhaltung Quelle: Ursula Keller, 2014 Energieerhaltung 7

9 Folie 7 A2 Im Kreis die 3 Grundprinzipien der Mechanik anhand deiner Stichworte Aussen wieder die analogen Begriffe im Fall von Rotationsbewegungen Ergänzt mit Impulserhaltung (Zusammenspiel von Kraftprinzip und Actio=Reactio) und Energieerhaltung (zu Begriffen Arbeit, Energie, Leistung) Autor;

10 Trägheit Jeder Körper hat eine Trägheit. Diese Trägheit äussert sich darin, dass der Körper bestrebt ist, in Ruhe zu verbleiben oder die Bewegung unverändert fortzusetzen. Eine am Boden liegende Kugel bleibt am gleichen Ort liegen. Wirken auf einen bewegten Körper keine Kräfte, bewegt er sich unendlich lange geradeaus. Quelle: Ursula Keller, 2014 Sendung Einstein SRF,

11 Trägheit Junioren-Gala Mannheim 2014 Quelle: Ursula Keller,

12 Trägheit A3 Quelle: Ursula Keller,

13 Folie 10 A3 Beim Kurvenlauf erfahren wir die Trägheit in Form einer (Schein)Kraft, die uns nach aussen drückt (der bewegte Körper strebt danach, auf seiner geradlinigen Bewegungsbahn zu bleiben) Autor;

14 Impuls Der Impuls ist proportional zu Geschwindigkeit und der Masse eines Körpers und hat die gleiche Richtung wie die Geschwindigkeit. Eine Krafteinwirkung auf den Körper bewirkt eine Impulsänderung. Abflugwinkel von Impuls aus Absprung und Bremsung Impuls aus Anlauf Foto: Tom Finke, Quelle: Ursula Keller,

15 Actio = Reactio Jede Kraft bewirkt eine gleich grosse, genau entgegengesetzte Kraft. Kraft von Block auf Sprinter Reactio Kraft von Sprinter auf Block Actio Quelle: Ursula Keller,

16 Beispiel Die Reaktionskräfte sind gesamthaft gesehen gleich gross wie die Kraft der an der Bewegung beteiligten Muskeln. Sie haben aber eine entgegengesetzte Richtung (aktio = reaktio). Das schnelle Heben des Oberkörpers nach der Hürdenüberquerung bewirkt ein schnelles Bodenfassen des Schwungbeines. Durch einen aktiven Muskeleinsatz bei der Landung ist die Reaktionskraft am Boden gross und der KS bleibt hoch. 13

17 Rotationen Rotationsbewegungen entstehen, wenn eine Kraft nicht im Schwerpunkt eines Körpers angreift (Drehmoment). Drehachse Kraftrichtung Abstand vom Schwerpunkt Foto: Kenny Beele, Quelle: Ursula Keller,

18 Trägheitsmoment Das Trägheitsmoment ist der Widerstand gegen Rotationsbewegungen. Das Trägheitsmoment ist von der Masse und von der Körperhaltung abhängig. A4 Quelle: Ursula Keller,

19 Folie 15 A4 Veränderung des Trägheitsmoments I führt zu grösserer Rotationsgeschwindigkeit w (wegen Drehimpulserhaltung ist I*w kontant) Autor;

20 A5 Beispiel Quelle: Ursula Keller, 2014 Foto: Hansjörg Brunhart, 16

21 Folie 16 A5 Offene Körperhaltung führt zu grossem Trägheitsmoment -> grosser Widerstand gegen Rotation in Bewegungsrichtung Autor;

22 Äussere leistungsbeeinflussende Kräfte Die Erdanziehungskraft und damit das Körpergewicht sind abhängig von der Höhe über Meer. Auf Meereshöhe ist jeder Körper schwerer als in grosser Höhe. Der Luftwiderstand ist in der Höhe geringer als im Flachland. Deshalb sind in Höhenlagen im anaeroben Bereich bessere Leistungen möglich. Reibungskräfte spielen eine zentrale Rolle, sie ermöglichen uns überhaupt eine Fortbewegung (actio=reactio). Auf einer nassen Unterlage sind sie geringer. 17

23 Arbeit und Energie Arbeit wird dann verrichtet, wenn eine Kraft entlang eines Weges wirkt (z.b. Heben einer Hantel, Ziehen eines Schlittens). Arbeit ist Energie, die mechanisch auf einen Körper übertragen wird. Die mechanische Energie eines Körpers kann kinetisch oder potentiell sein. Verrichtet ein Körper Arbeit, so findet eine Energieumwandlung statt. Im Idealfall (keine Reibungskräfte) bleibt die mechanische Energie in einem solchen Ablauf konstant. Weg 18

24 Beispiel Kinetische Energie des Springers ( Geschwindigkeit ) wird über potentielle Energie des Stabes (Stabbiegung, Spannenergie) in potentielle Energie des Springers ( Höhe ) umgewandelt. Quelle: Ursula Keller,

25 Beispiel A6 Hebelgesetz Muskelarbeit Arbeit Ball Quelle: Ursula Keller,

26 Folie 20 A6 Arbeit die Hineingesteckt wird ist gleich der Arbeit, die hinauskommt. D.h. Muskelkraft muss hier viel grösser sein (rund 10x so gross) wie die Gewichtskraft des Balls, weil der zurückgelegte Weg des Balls viel grösser (rund 10x so gross) als die Kontraktionsfähigkeit des Muskels ist. Autor;

27 Leistung Leistung ist die pro Zeit verrichtete Arbeit Arbeit: Körper auf Absprunggeschwindigkeit beschleunigen Arbeit: Kugel auf Abstossgeschwindigkeit und Höhe bringen Zeit: 0.1s-0.2s A7 Zeit: 0.1s-0.2s Leistung: Rund 5000 Watt Leistung: Rund 3000 Watt Fotos: Hansjörg Brunhart, Vergleich: Glühbirne 60 Watt (1000 Stunden), Hometrainer 300 Watt (2 min) 21

28 Folie 21 A7 Sprint 100m, 10s: Mittlere Leistung ca Watt Autor;

29 Biomechanische Messgrössen Sprint Entscheidende Komponenten: Schrittlänge (Schnellkraft, Reaktivkraft, Kniehebewinkel ε, Körpervorlage η) Schrittfrequenz (Reaktivkraft, Technik, kurze Bodenkontaktzeit, kleines γ) B. Kunz, August 2011 (Quelle TB 31, Biomechanik der LA, HR. Kunz, 2003) 22

30 Beispiel Quelle: Ursula Keller,

31 Biomechanische Messgrössen Hürdensprint Entscheidende Komponenten für eine schnelle und kurze Hürdenüberquerung: Position KSP (Vertikale Verschiebung des KSP HHü) Flacher, schneller Abstoss (optimaler Abstossabstand s1, grosser Abstosswinkel γ2, schneller/hoher Kniehub ε) Schneller Bodenkontakt nach der Hürde (kurzer Landeabstand s2, kleiner Abstosswinkel γ4) B. Kunz, August 2011 (Quelle TB 31, Biomechanik der LA, HR. Kunz, 2003) 24