Thema: Die biomechanische Betrachtungsweise

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1 Thema: Die biomechanische Betrachtungsweise Definition: Die Biomechanik des Sports ist die Wissenschaft von der mechanischen Beschreibung und Erklärung der Erscheinungen und Ursachen von Bewegungen im Sport unter Zugrundelegung der Bedingungen des Organismus. (Willimczik 1999) Die biomechanische Betrachtungsweise 2000 Dr. D. Pollmann, Universität Bielefeld, Abt. Sportwissenschaft

2 Einteilung der Mechanik Kinematik Mechanik Dynamik Kinematik: Die raum-zeitliche Charakterisierung von Bewegungen Dynamik: Untersuchung der Kräfte, die der Bewegung zugrundeliegen

3 Räumliche Charakteristik der Bewegung Fortschreitende Bewegung (Translation) Bewegungsarten (räumliche Charakteristik) Drehbewegung (Rotation) Abbildungen aus: Roth & Willimczik, 1989

4 Kinematische Größen Translatorische Bewegungen Größe Symbol Formel Einheit Weg Zeit Geschwindigkeit Beschleunigung s m (km) t s (h)

5 Zeitliche Charakteristik der Bewegung gleichförmige Bewegung (v=konstant) Bewegungsarten (zeitliche Charakterstik) gleichmäßig beschleunigte Bewegung (a=konstant) ungleichförmige Bewegung (v=variabel) ungleichmäßig beschleunigte Bewegung (a=variabel)

6 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Kinematische Größen Abbildung aus: Roth & Willimczik, 1999 Beschleunigung Ungleichmäßige Beschleunigung

7 Kinematische Größen Rotatorische Bewegungen Größe Symbol Formel Einheit Winkel Zeit Winkel - geschwindigkeit Winkel - beschleunigung t s (h)

8 Methoden zur Ermittlung kinematischer Größen direkte Verfahren direkte Ortsmessung direkte Zeitmessung * Stoppuhr * Lichtschranke indirekte (optische Verfahren Bildserienfotografie Film-/Videoanalyse

9 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Körperschwerpunktbestimmung zwei Prämissen als Grundlage und Voraussetzung für die Bestimmung des Körperschwerpunktes: 1. Beim normal gebauten, erwachsenen Körper stehen die Gewichte der einzelnen Körperteile in einem bestimmten Verhältnis zum Gesamtgewicht. Tabelle aus: Roth & Willimczik, 1999 Relative Gewichte und Schwerpunktradien nach FISCHER und (in Klammern) nach DEMPSTER

10 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Körperschwerpunktbestimmung zwei Prämissen als Grundlage und Voraussetzung für die Bestimmung des Körperschwerpunktes: Abbildung aus: Roth & Willimczik, 1999 Gelenkpunkte ( ) und Teilschwerpunkte ( ) des menschlichen Körpers 2. Die Schwerpunkte der Extremitäten liegen fast genau auf ihren Längsachsen und in interindividuell gleicher Entfernung von den beteiligten Gelenkpunkten

11 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Grafische Körperschwerpunktbestimmung Schritt 1: Einzeichnen der Gelenkpunkte

12 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Grafische Körperschwerpunktbestimmung Schritt 2: Einzeichnen der Teilschwerpunkte für Extremitäten, Rumpf, Kopf ( 1-8)

13 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Grafische Körperschwerpunktbestimmung Schwerpunkt Beine Schwerpunkt Rumpf / Kopf Schwerpunkt Arme / Beine KSP Schwerpunkt Arme Schritt 3: Grafische Ermittlung der Teilschwerpunkte für jeweils zwei Körperteile bzw. zwei Gruppen von Körperteilen

14 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Einteilung der Mechanik Kinematik Mechanik Statik Dynamik Kinetik Bei der Statik stehen unterschiedliche Kräfte im Gleichgewicht keine Bewegung Bei der Kinetik stehen unterschiedliche Kräfte nicht im Gleichgewicht Bewegung entsteht

15 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Masse Kraft Impuls Dynamische Größen Translatorische Bewegungen Größe Symbol Formel Einheit m kg bzw. N bzw. bzw. bzw.

16 Dynamische Größen Subtraktion von Kräften Kraft Addition von Kräften Abbildung aus: Roth & Willimczik, 1999

17 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Dynamische Größen Abbildung aus: Roth & Willimczik, 1999 Kraft Kraftvektoren für den Weitsprung-Absprung

18 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II = Kraftstoß Impulssatz * Impulsänderung Diese Gleichung besagt, dass die Änderung der Geschwindigkeit eines Körpers (Änderung des Impulses) gleich der Wirkung der Kraft über die Zeit ist (Kraftstoß= )

19 Abbildung aus: Baumann, 1989 Impulssatz Gleiche Impulsänderung durch große Kraft bei kleiner Wirkungsdauer und kleine Kraft bei großer Wirkungsdauer

20 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Trägheitsmoment Drehmoment Drehimpuls Dynamische Größen Rotatorische Bewegungen Größe Symbol Formel Einheit J bzw. bzw. Nm bzw. bzw.

21 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Abbildung aus:roth & Willimczik, 1999 Dynamische Größen Trägheitsmoment Abhängigkeit des Massenträgheitsmoments des menschlichen Körpers von der Körperhaltung und der Lage der Rotationsachse

22 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Dynamische Größen Abbildung aus: Baumann, 1989 Drehmoment Das Drehmoment ist das Produkt aus Kraft und dem senkrechten Abstand ihrer Wirkungslinie vom Drehpunkt.

23 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Dynamische Größen Drehimpuls = J * Drehimpuls = Trägheitsmoment mal Winkelgeschwindigkeit

24 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Dynamometrie Mit dynamometrischen Verfahren werden diejenigen Kräfte gemessen, die zwischen dem Gesamtsystem Mensch und seiner Umwelt auftreten. Meßgrößen der Kraftmeßplattform

25 Dynamometrie Zwei Sportler stellen sich nacheinander auf die Meßplatte. Ihr Gewicht (F Z ) kann aus der Kurve abgelesen werden.

26 Dynamometrie (Horizontale) Kraftstöße bei 3 verschiedenen Laufaufgaben Abbildung aus: Göhner, 1999 Sprintschritt unmittelbar nach dem Start (Beschleunigungsphase)

27 Dynamometrie (Horizontale) Kraftstöße bei 3 verschiedenen Laufaufgaben Abbildung aus: Göhner, 1999 Sprintschritt während des Laufens mit annähernd gleicher Geschwindigkeit

28 Dynamometrie (Horizontale) Kraftstöße bei 3 verschiedenen Laufaufgaben Abbildung aus: Göhner, 1999 Absprungsschritt (fast völliges Abbremsen der horizontalen Beschleunigung)

29 (Bio-)Mechanische von Bewegungen im Sport Geltungsbereich (Allgemeinheitsgrad) allgemeine Bewegungen oder Bewegungskategori en spezielle Bewegungen Erklärungsansatz mechanisch mechanische Gesetzmäßigkeite n mechanischtheoretische biomechanisch biomechanische empirischstatistische

30 Mechanische Gesetze - 3 Newtonsche Gesetze: Trägheitsgesetz Grundgesetz der Mechanik: Reaktionsgesetz: = - - Freier Fall - Senkrechter Wurf nach oben - Schiefer Wurf =

31 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Abbildung aus: Roth & Willimczik, 1999 Mechanische Gesetze Der schiefe Wurf Formel: *[ ] Grafische Darstellung der Merkmale, die zur Bestimmung der Kugelstoßweite auf der Grundlage des Schiefen Wurfes benötigt werden (nach BALLREICH, 1989)

32 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Abbildungen aus: Baumann, 1989 Mechanische Gesetze Der schiefe Wurf Verschiedene Kugelstoßvarianten (oben: Abfluggeschwindigkeit, unten: Abflugwinkel)

33 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Biomechanische 1. Prinzip der Anfangskraft 2. Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges 3. Prinzip der optimalen Tendenz im Beschleunigungsverlauf 4. Prinzip der zeitlichen Koordination von Teilimpulsen Nach Hochmuth (1982) 5. Prinzip der Gegenwirkung 6. Prinzip der Impulserhaltung

34 Biomechanische Definition: Prinzip der Anfangskraft Eine Körperbewegung, mit der ein großer Kraftstoß erreicht werden soll, ist durch eine entgegengesetzt gerichtete Bewegung einzuleiten. Durch das Abbremsen der Gegenbewegung ist zu Beginn der Zielbewegung bereits eine positive Kraft (Anfangskraft) für die Beschleunigung vorhanden. Dieses vergrößert den Kraftstoß, wenn Brems- und Beschleunigungskraftstoß dabei in einem optimalen Verhältnis stehen.

35 Biomechanische Prinzip der Anfangskraft Abbildung aus: Roth & Willimczik, 1999 Maximal möglicher Kraftstoß bei vorgegebener Maximalkraft und Zeit

36 Biomechanische Abbildung aus: Roth & Willimczik, 1999 Prinzip der Anfangskraft Vertikaler Strecksprung ohne Ausholbewegung

37 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Biomechanische Abbildung aus: Roth & Willimczik, 1999 Prinzip der Anfangskraft Vertikaler Strecksprung mit Ausholbewegung Kappa-Verhältnis: Fläche 2 zu Flächen 3 und 4 (nach Hochmuth optimal zwischen 0,3 und 0,4)

38 Biomechanische Prinzip der Anfangskraft Abbildung aus:roth & Willimczik, 1999 Vertikaler Strecksprung mit ungünstigem Kappa-Verhältnis

39 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Biomechanische Definition: Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges Bei Körperbewegungen, mit denen eine möglichst hohe Endgeschwindigkeit erreicht werden soll, ist ein optimal langer Beschleunigungsweg auszunutzen. Dabei sollte der geometrische Verlauf des Beschleunigungsweges geradlinig oder stetig gekrümmt sein.

40 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Biomechanische Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges Abbildung aus: Roth & Willimczik, 1999 Entwicklung der Kraft und des Kraftstoßes (Impulses) bei unterschiedlichen Beschleunigungszeiten (schematisiert)

41 Biomechanische Prinzip der optimalen Tendenz im Beschleunigungsverlauf Definition: Die größten Beschleunigungskräfte sollen am Anfang der Beschleunigungsphase wirksam werden, wenn es darum geht, schnellstmöglich hohe Kräfte zu entwickeln. Sollen hohe Endgeschwindigkeiten erreicht werden, liegen die größten Beschleunigungen am Ende des Beschleunigungsweges.

42 Biomechanische Prinzip der zeitlichen Koordination von Teilimpulsen Definition: Bei vielen sportlichen Bewegungen ist es möglich, den Gesamtimpuls durch das Hintereinanderschalten mehrerer Einzelimpulse zu erhöhen. Wesentlich ist dabei, daß der Impuls durch Abbremsung von einem Körperteil auf ein anderes übertragen werden kann. Dabei sollen die Beschleunigungsmaxima der Körperteile zeitlich nacheinander auftreten und distalorientiert zunehmen.

43 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Biomechanische Prinzip der zeitlichen Koordination von Teilimpulsen Abbildung aus: Roth & Willimczik, 1999 Maximierung der Koordination von Teilimpulsen auf mechanischtheoretischer Grundlage

44 Abbildung aus: Roth & Willimczik, 1999 Biomechanische Prinzip der zeitlichen Koordination von Teilimpulsen Koordination von Teilimpulsen für den Handballschlagwurf (Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf)

45 Biomechanische Definition: Prinzip der Gegenwirkung Das Prinzip der Gegenwirkung besagt, daß bei Bewegung im freien Fall oder Flug die Bewegung einzelner Körperteile notwendigerweise die Gegenbewegung anderer Körperteile zur Folge hat. Dieses beruht auf dem dritten Newtonschen Gesetz (actio et reactio).

46 Biomechanische Definition: Prinzip der Impulserhaltung Das Prinzip der Impulserhaltung beruht auf dem Drehimpulserhaltungssatz. Danach bleibt der Drehimpuls einer Bewegung konstant, wenn keine äußeren Kräfte wirken. Diese Gesetzmäßigkeit erlaubt einem Sportler die aktive Kontrolle seiner Drehgeschwindigkeit.

47 Drei Schritte der 1. (Konstruktionsphase) 2. Empirische Modellüberprüfung (Evaluierungsphase) 3. Modellsimulation (Experimentelle Phase)

48 Mechanisch-theoretische Abbildung aus: Roth & Willimczik, 1999 Modell für das Rennrodeln; am Schwerpunkt von Schlitten und Fahrer in der Bewegungsebene wirkende Kräfte

49 Abbildung aus: Willimczik, 1989 Mechanisch-theoretische Vergleich der zeitlichen Abweichungen zwischen Modellrechnung (Polygonzug) und Bahnrekordlauf (Abzisse) in Zehntelsekunden. S1-S8=aufeinanderfolgende Streckenabschnitte mit unterschiedlichem Gefälle und verschiedenen Kurvenradien

50 Mechanisch-theoretische Größe Änderung Resultierende Änderung der Gesamtzeit Gewichtskraft + 10 kg -0,25 bis -0,35 s Anfangsgeschwindigkeit + 1 m/s -0,6 s Reibungskoeffizient + 10 % +0,25 bis +0,30 s Luftwiderstand + 10 % +0,45 bis +0,70 s Änderung der Gesamtzeit bei Veränderung der numerischen Werte der mechanischen Faktoren Tabelle aus: Willimczik, 1989

51 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Abbildung aus: Roth & Willimczik, 1999 Empirisch-statistische Teilweiten W 1-4 der Weitsprungweite W (nach Ballreich, 1980)

52 Einführung in die Bewegungswissenschaft - Grundlagen des AB II Empirisch-statistische Für die Erklärung einer Weitsprungweite aufgrund von acht Merkmalen ergibt sich für einen linearen Ansatz: ^ y = b 0 + b 1 x 1 + b 2 x b 8 x 8 In dieser Gleichung bedeuten: ^y = aufgrund der Gleichung berechnete Weitsprungweite x 1 -x 8 = Ausprägung der berücksichtigten Merkmale b 1 -b 8 = die Gewichtung, mit denen die Merkmalsausprägungen x 1 -x 8 in die Gleichung eingehen Regressionsgleichung zur Vorhersage der Weitsprungweite: ^ y = 27,7-15,4x 1-41x 2-4,3x 3-0,009x 4-20x 5 +0,8x 6-0,04x 7 +5x 8 +4,1x ,3x 22 +2,9x 32 +0,0003x 42 +3,5x 52-1,4x 62 +0,0005x 72-2,7x 8 2

53 Kritikpunkte - letzlich eine mechanische Betrachtungsweise - durch Motorik (Innenaspekt) zu ergänzen - keine Ganzheitlichkeit - Übersetzung in Praxissprache - externe Validität der Modellsimulation Biomechanische Betrachtungsweise nicht überschätzen

54 Literatur: Willimczik, K. (1999). Die biomechanische Betrachtungsweise. In: Roth, K. & Willimczik, K. Bewegungswissenschaft. Reinbek: Rowohlt. S