4 Biomechanische Aspekte sportlicher Leistung. Magnuseffekt. Magnuseffekt. 4.2 Auslösen von Salto- und Schraubbewegungen

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1 1 4 Biomechanische Aspekte sportlicher Leistung 4.2 Auslösen von Salto- und Schraubbewegungen 4.3 Biomechanische Prinzipien nach Hochmuth 4.4 Bewegungsübertragung Magnuseffekt Rotierender Ball: Ball versetzt Luftschichten in ihrer Umgebung in Rotation es entsteht eine ZIRKULATIONSSTRÖMUNG Luftströmung um ruhenden Ball 2 Magnuseffekt Überlagerung der beiden Strömungen F quer = ρ. v. ZS Drehrichtung F quer F quer v ρ ZS Querkraft translatorische Geschwindigkeit Luftdichte Zirkulationsstärke ZS = f (Rotationsgeschwindigkeit, Ballradius, Ballrauhigkeit) V Ball 3

2 4 Computersimulation: Stromlinien Ball in Ruhe Rotierender Ball Computersimulation: Druck Ball in Ruhe Rotierender Ball 5 Computersimulation: Kraft Ball nicht rotierend Rotierender Ball 6

3 7 Hydrostatischer Auftrieb Archimedisches Prinzip: Beim Eintauchen in eine Flüssigkeit erfährt jeder Körper eine nach oben gerichtete Auftriebskraft. Diese ist dem Betrag nach gleich der Gewichtskraft der vom Körper verdrängten Flüssigkeit. F A = V ρ g F A Auftriebskraft, V Volumen der vom Körper verdrängten Flüssigkeit, ρ Dichte der Flüssigkeit, g Schwerebeschleunigung Auftrieb Gewichtskraft Praktische Bedeutung: Rehabilitation, Auftrieb/Gewichtskraft leistungsbestimmend 4 Biomechanische Aspekte sportlicher Leistung 4.1 Magnuseffekt, Hydrostatischer Auftrieb 4.3 Biomechanische Prinzipien nach Hochmuth 4.4 Bewegungsübertragung 4.5 Biomechanische Funktionsanalysen 8 Salto - Schraube 1. Auslösen der Drehung beim Absprung Durch das Drehmoment beim Absprung wird der Drehimpuls erzeugt. Den Drehimpuls für Schrauben vom Boden mitzunehmen, bringt meist Abzüge bei der Bewertung. 2. Auslösung der Drehung in der Luft Der Drehimpulserhaltungssatz besagt, dass wenn sich der Springer in der Luft befindet, sein Gesamtdrehimpuls (Betrag und Richtung) nicht mehr geändert werden kann. 9

4 10 Drehung bei Null-Gesamtdrehimpuls (reaktive Drehung) Wenn z. B. der Oberkörper nach rechts gedreht wird, muss sich der Unterkörper nach links drehen, um den Null- Gesamtdrehimpuls zu erhalten. Das Körpersegment mit dem kleinsten Trägheitsmoment weist die höchste Winkelgeschwindigkeit auf, da der Drehimpuls gleich der Winkelgeschwindigkeit mal dem Trägheitsmoment ist. Katzendrehungen sind möglich, wenn in der Hüfte gebeugt und Ober- und Unterkörper gleichsinnig geschraubt werden (Frohlich 1980, 162). Um den Null-Gesamtdrehimpuls zu erhalten, wird der Gesamtkörper gegensinnig gedreht werden. Hocke - Rückenlage 11 Sitz halbe Drehung - Sitz 12

5 13 Drehung bei vorhandenem Drehimpuls Drehungen um die Längenachse (Schrauben) sind im allgemeinen mit Drehungen um die Breitachse (Salti) kombiniert. Die Schrauben werden durch den Kreiseleffekt bewirkt. Die nachfolgende Abbildung zeigt den Springer am Ende des gehockten Saltos, wenn er wieder gestreckt ist. Der Drehimpulsvektor fällt mit der Breitenachse zusammen und steht senkrecht zur Längenachse. Es erfolgt eine Rotation um die Breitenachse. Die Armbewegung (2. Bild) bewirkt ein Kippen der Längenachse (3. Bild) durch eine reaktive Dehnung. Der Drehimpulsvektors kann in eine Komponente senkrecht zur Längenachse und parallel zur Längenachse zerlegt werden. Der Springer macht also eine Drehung um die Breitenachse und zusätzlich eine Drehung um die Längenachse. Der Gesamtdrehimpuls bleibt konstant. Zerlegung des Drehimpulsvektors 14 Drehung bei vorhandenem Drehimpuls Nach Mehn und Engelhardt (1986) kann durch die Armbewegung die Längenachse um 6 Grad gekippt werden. Der so erreichte Drehimpulsanteil genügt etwa für 1.7 Schrauben. Nach einer halben Drehung vorwärts und einer halben Schraube kann die Bewegung der Arme (nun gegensinnig) ausgeführt werden und damit eine weitere Auslenkung der Körperlängenachse um 12 Grad erreichen. Das Kippen von insgesamt 18 Grad genügt nach Angaben der Autoren für die Ausführung von Vierfachschrauben. 15

6 16 4 Biomechanische Aspekte sportlicher Leistung 4.1 Magnuseffekt, Hydrostatischer Auftrieb 4.2 Auslösen von Salto- und Schraubbewegungen 4.4 Bewegungsübertragung 4.5 Biomechanische Funktionsanalysen Prinzip der Anfangskraft Eine Körperbewegung, mit der eine hohe Endgeschwindigkeit erreicht werden soll (z. B. Sprung, Wurf, Stoß), ist durch eine entgegengesetzt gerichtete Bewegung einzuleiten. Durch das Abbremsen der Gegenbewegung ist zu Beginn der eigentlichen Bewegung bereits eine positive Kraft für die Beschleunigung vorhanden, wenn sich der Übergang flüssig vollzieht. Damit wird der Beschleunigungsstoß insgesamt größer. Das Verhältnis von Brems- zu Beschleunigungsstoß muss dabei optimal sein. Das Kraftmaximum soll auf Grund der biomechanischen Besonderheiten des menschlichen Bewegungsapparates und der biologischen Bedingungen für die Muskelkontraktion erst während des Beschleunigungsstoßes erreicht werden (Hochmuth 1982, 166f). 17 s-t und F-t Verlauf für bdbg. Strecksprung Fall A: ohne Schwungeinleitung Fall B: mit Schwungeinleitung 18

7 19 Optimales Kraftstoßverhältnis (κ) Das optimale κ- Verhältnis liegt in relativ engen Grenzen zwischen 0.3 und 0.4 Absprunggeschwindigkeit v e gegen κ-wert beim vertialen Strecksprung 2 Leistungssportler 1 jugendliche Sportler Gründe für hohe Anfangskraft Bewegung mit Ausholen entspricht Dehnungs-Verkürzungszyklus (DVZ): exzentrische mit nachfolgender konzentrischer Muskelaktivierung Mechanischer Vorteil: Nutzung elastischer Energie Neuronale Vorteile: Voraktivierung Auslösen vom Muskeldehnungsreflex mit reziproker Hemmung 20 F-l Diagramm einer Sehne 21

8 22 Speicherung/Nutzung von elastischer Energie gespeicherte elastische Energie: W = F dl F Kraft mit der Muskel-Sehnenkomplex gedehnt wird l Längenänderung der Sehne Elastische Komponenten: Sehnen, Bindegewebe des Muskels, Bereich der Querbrücken Elastische Energie stammt von kinetischer Energie des Skeletts oder Muskelkontraktion Gespeicherte elastische Energie kann auf Skelett oder kontraktilen Elemente des Muskels übertragen werden Ausmaß der Nutzung Counter Movement Jump: 35 % (Anderson/Pandy 1993) Laufen: 9 % (Huijing 1994) Ausmaß umstritten, eher grobe Schätzungen Isometrische Vorspannung R Kontraktion aus Ruhe I Kontraktion nach isometrischer Vorspannung S Kontraktion nach Vordehnung 23 Voraktivierung = Muskelinnervation bereits vor der Beanspruchung Funktionell Bedeutung: 1. Voraktivierung ermöglicht hohes Kraftniveau, wenn äußere Belastung einsetzt und bei Beginn der konzentrischen Phase, bis zum Erreichen der Maximalkraft ca. 250 ms 2. Erhöhte Sehnensteifigkeit durch Voraktivierung, äußerer Belastung wird auch höherer passiver Widerstand entgegengesetzt 3. Stabilisierung der Gelenke durch Koaktivierung 4. Optimale Sensibilisierung der Muskelspindel durch γ-efferenz 24

9 25 Innervation der Muskelspindel Empfindlichkeit der Spindelafferenz ist efferent reguliert Muskelspindeln werden von γ - Motoneuronen innerviert. Bei Entladungen der γ - Motoneuronen kontrahieren sich die polaren Zonen der Intrafusalfaser: Dehnung der mittleren Zone und Aktivierung der Rezeptorendigung. Erregung der Muskelspindel über Dehnung und γ - System möglich. Muskeldehnungsreflex Monosynaptischer Reflex Reflexzeit ca. 40 ms Abhängig von Dehnamplitude und Dehngeschwindigkeit der Muskelspindel Wirkung: bei maximaler Kontraktion noch 2 %ige Kraftverbesserung (laut Komi) bei submaximaler Kontraktion entsprechend höher 26 Kraft bei verschiedener Dehnamplitude 3.4 mm Dehnungsamplitude 2.0 mm Dehnungsamplitude.39 mm Dehnungsamplitude.20 mm Dehnungsamplitude Kraftentwicklung des m. soleus der Katze bei verschiedener Dehnungsamplitude. REFLEX intaktes afferentes System MUSCLE Durchtrennung der afferenten Nervenbahnen Schraffierte Fläche zeigt den reflektorischen Beitrag an der Regulation der Muskelsteifigkeit. (aus Gollhofer 1987, 73) 27

10 28 Reziproke Hemmung Ia-Afferenzen wirken auch hemmend auf Antagonisten: Ia-Fasern haben auch Kontakt zu Interneuronen, diese hemmen α- Motoneurone von Muskeln, die Gegenspieler (Antagonisten) zu den Muskeln sind, aus dem die Ia-Afferenz stammt. Funktionell bedeutet dies, dass mit Aktivierung der Spindelafferenz Agonisten monosynaptisch gefördert und deren Antagonisten disynaptisch gehemmt werden (reziproke Hemmung). Beispiele Landen nach Sprüngen Ausholbewegung Alternierende Bewegungen Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges Bei einer Körperbewegung, mit der eine hohe Endgeschwindigkeit erreicht werden soll, ist unter den speziellen Bedingungen der einzelnen Sportdisziplin und bei dem vorhandenen Muskelkraftniveau und Koordinationsvermögen ein optimal langer Beschleunigungsweg auszunutzen. Der geometrische Verlauf des Beschleunigungsweges soll geradlinig oder gleichsinnig gekrümmt und nicht wellenförmig sein. Durch rotatorische Beschleunigung (mehrfache Drehungen) kann der Beschleunigungsweg wesentlich vergrößert werden (Hochmuth 1982, 154f). 29 Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges Beschleunigungsarbeit führ zu Energiezunahme im beschleunigten System. Sie kann durch die folgende Formel dargestellt werden: F mittel. s = E kin 2 E kin 1 = 1/2 m ( v 2 ² - v 1 ²) F mittel. s = zugeführte Beschleunigungsarbeit bewirkt Erhöhung der Energie (kinetische, potentielle, rotatorische) F mittel mittlere Kraft längs des Beschleunigungsweges zwischen t 1 und t 2 s Beschleunigungsweg E kin 1 bzw. 2 Kinetische Energie in Zeitpunkten t 1 bzw. 2 v 1 bzw. 2 Geschwindigkeiten in Zeitpunkten t 1 bzw. 2 30

11 31 Lastarme in tiefer und mittlerer Beugestellung Kugelstoßtechniken (Kugelwege) 32 Prinzip der optimalen Tendenz im Beschleunigungsverlauf Je nach der Zielstellung und den Bedingungen für die Kraftstöße von Bewegungen ist eine bestimmte Art des Beschleunigungs-Zeit-Verlaufes zweckmäßig. Dabei wird vorausgesetzt, dass das Maximum der Beschleunigungskraft nur kurzzeitig entwickelt werden kann und es die spezifischen Bedingungen der Sportart erlauben, entsprechende Variationen der Kraftverläufe zu gestalten (Hochmuth 1982, 172). 33

12 34 Tendenzen im Beschleunigungsverlauf A. Soll bei einem vorgegebenen Beschleunigungsweg die größtmögliche Endgeschwindigkeit erreicht werden, müssen die größten Beschleunigungskräfte erst gegen Ende der Beschleunigungsphase wirken (ansteigende Tendenz des Beschleunigungsverlaufs). B. Wenn ein bestimmter Beschleunigungsweg in kürzester Zeit zurückgelegt werden soll, müssen zu Anfang der Beschleunigungsphase die größten Beschleunigungskräfte wirksam sein (abfallende Tendenz des Beschleunigungsverlaufs). Unterschiedlicher Geschwindigkeitsverlauf bei gleichem Beschleunigungsweg Tendenz A Tendenz B 35 4 Biomechanische Aspekte sportlicher Leistung 4.1 Magnuseffekt, Hydrostatischer Auftrieb 4.2 Auslösen von Salto- und Schraubbewegungen 4.3 Biomechanische Prinzipien nach Hochmuth 4.5 Biomechanische Funktionsanalysen 36

13 37 Bewegungsübertragung Bewegungsübertragungen sind Impulsübertragungen, die sich durch innere Kräfte innerhalb des menschlichen Gliederkettensystems abspielen (Fetz 1989, 357). Gliederung der Impulsübertragung Impulsübertragung translatorische Impulsübertragung rotatorische Impulsübertragung Impulsübertragung bei zwei Kugeln Pos A: A Pos B: A Pos C: A B B B Kugeln A und B sind durch eine Schnur verbunden. In Pos A wird die Kugel in Pfeilrichtung beschleunigt. Bei Pos B wird die Schnur gespannt. Es kommt zur Impulsübertragung mittels der Schnur. Wenn die Kugeln A und B das gleiche Gewicht und Reibungseigenschaften haben, kommt es zur vollständigen Übertragung auf die Kugel A. Pos C: Kugel B bleibt stehen und die Kugel A kommt nach. 38 Kippe an den Ringen (Fetz 1989, 351) 39

14 40 v-t Verlauf bei der Kippe an den Ringen Indikatoren der Impulsübertragung in der Stemmphase des Speerwurfs Quelle 41 Proximal distale Bewegungssequenz... besagt, dass zur Maximierung der Geschwindigkeit des distalen Endes einer kinematischen Kette, die Bewegung mit dem proximalen Segment beginnt und dann zu den mehr distalen Segmenten fortschreitet. Dabei erreicht jedes Segment eine höhere maximale Geschwindigkeit als das vorangegangene Segment. Erklärungen: Übertragung des Drehimpulses Summierung der Geschwindigkeiten Verminderung der Massenträgheit des Systems 42