Grundlagen der Biomechanik des Sports

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1 Grundlagen der Biomechanik des Sports Probleme Methoden Modelle Herausgegeben von Rainer Ballreich und Wolfgang Baumann unter Mitarbeit von Angela Ballreich Rüdiger Preiß Wolfgang Schöllhorn Martin Sust Ferdinand Enke Verlag Stuttgart 1996

2 Inhalt 1 Einführung in die Biomechanik des Sports 1 Rainer Ballreich 1.1 Zur Begriffsbestimmung Biomechanik des Sports und interdisziplinäre Bewegungsforschung. > Zur relativen Autonomie wissenschaftlicher Disziplinen Methodologische Barrieren bei interdisziplinären Lösungsansätzen Interdisziplinäre Lösungsansätze Zur Abgrenzung der Biomechanik des Sports gegenüber anderen bewegungswissenschaftlichen Disziplinen Systematische Ansätze für biomechanische Lehr- und Forschungskonzeptionen Literatur 12 2 Untersuchungsziele des Sports 13 Rainer Ballreich 2.1 Übersichtsdarstellung der Untersuchungsziele Untersuchungsziele der Leistungsbiomechanik Technikanalyse (Analyse des technomotorischen Leistungszustands) Techniksteuerung (Ansteuerung des technomotorischen Leistungszustands) Technikoptimierung (Fortschreitende Optimierung sportmotorischer Techniken) Konditionsanalyse (Analyse des konditioneilen Leistungszustands) Konditionssteuerung (Ansteuerung des konditionellen Leistungszustands) Untersuchungsziele der Anthropometrischen Biomechanik Eignungsdiagnose (Diagnose der biomechanisch-anthropometrischen Eignung für sportartspezifische Anforderungen) Leistungsprognose (Prognose der Entwicklung des [individuellen] sportartspezifischen Leistungszustands) Untersuchungsziele der Präventiven Biomechanik Belastungs-/Beanspruchungsanalyse (Analyse der mechanischen Belastung und Beanspruchung des Bewegungsapparats) Belastungsgestaltung (Abstimmung der mechanischen Beanspruchung auf die Belastbarkeit des Bewegungsapparats) Literatur 52 3 Biomechanische Merkmale 54 Rüdiger Preiß 3.1 Übersicht und Vorbemerkung Zeitmerkmale Zeit Frequenz 57

3 VIII Inhalt 3.3 Biokinematische Merkmale Translatorische biokinematische Merkmale Länge Geschwindigkeit Beschleunigung Rotatorische biokinematische Merkmale Winkel Winkelgeschwindigkeit Winkelbeschleunigung Biodynamische Merkmale Translatorische biodynamische Merkmale Masse Impuls Kraft ' Kraftstoß Arbeit Energie Leistung Rotatorische biodynamische Merkmale Massenträgheitsmoment Drehimpuls Drehmoment Drehmomentenstoß Arbeit, Energie und Leistung bei Rotationen Literatur 74 4 Biomechanische Meßverfahren 75 Wolfgang Baumann und Rüdiger Preiß 4.1 Allgemeine Grundlagen Grundbegriffe des Messens Gütekriterien von Meßverfahren Übersicht und Einteilung der Meßverfahren Einzelmeßverfahren Biomechanische Anthropometrie Kinemetrie Elektronische Verfahren Optische Verfahren Dynamometrie Elektromyografie Literatur Perspektiven in der Entwicklung von sportmotorischen Techniken Angela Ballreich und Rainer Ballreich 5.1 Kennzeichnung bzw. Begriffsbestimmung von Technikanalyse, Techniksteuerung und Technikentwicklung Biomechanische Technikanalysen Biomechanisch gestützte Techniksteuerung Zum Begriff der Entwicklung von sportmotorischen Techniken Kategorien für die Entwicklung sportmotorischer Techniken 106

4 .- Inhalt IX 5.2 Technikanalyse/Techniksteuerung und Technikentwicklung unter dem Blickwinkel der Leistungsoptimierung Einflußfaktoren der Entwicklung von sportmotorischen Techniken Forschungsstand der Modellmethode in der Biomechanik des Sports Entwicklung von Sportgeräten und Sportbekleidung Entwicklung des Sportterrains Perspektiven in der Entwicklung sportmotorischer Techniken Entwicklungstendenzen von Wettkampftechniken Entwicklungstendenzen von Übungstechniken Methodenorientierte Bedingungen für Perspektiven in der Entwicklung sportmotorischer Techniken Entwicklungstendenzen in der Wahl von Modellzwecken Entwicklungstendenzen in der Modellkonstruktion Entwicklungstendenzen in der Modellsimulation Literatur Grundlagen der Modellmethode 118 Rainer Ballreich 6.1 Begriff, Gegenstand und Zweck der Modellierung Zum allgemeinen Begriff der Modellierung Zum Gegenstand der Modellierung Zum Zweck der Modellierung Definitionsvorschlag für Modelle in der Biomechanik des Sports Zum Unterschied zwischen den Modellen der Mechanik und der Biomechanik Zum Modellmonismus und zur Modellbewertung Arbeitsschritte der Modellmethode Zur Problemformulierung Zur Modellkonstruktion Zum Modellansatz Wahl des Modellkonzepts (datenbasiert-theoriebasiert) Wahl der Modellform (deterministisch-indeterministisch) Zur Identifikation und Auswahl der Variablen Zur Identifikation und Auswahl der Variablen nach dem datenbasierten Modellkonzept Zur Identifikation und Auswahl der Variablen nach dem theoriebasierten Modellkonzept Zur Datenbeschaffung Zur Erstellung der Relationen Modellüberprüfung (Modelltest) und Modellüberarbeitung (Modellrevision) Zur Modellsimulation Modellzweck Entscheidungshilfe" Modellzweck Optimierung" Hierarchisch strukturierte deterministische Modellmethode sportmotorischer Leistungen Darstellung (Beschreibung) der Modellmethode Ziele und Modellstufen Erste Modellstufe Zweite Modellstufe Dritte Modellstufe 143

5 Inhalt Katalog von physikalisch-mechanischen Gesetzen zwischen biomechanischen Zielund Einflußgrößen Konstruktion eines elementaren deterministischen Modells für den Standweitsprung unter Verwendung des modifizierten Katalogs von J.G. Hay Erste Modellstufe Zweite Modellstufe Dritte Modellstufe Katalog nach J.G. Hay zur Konstruktion elementarer deterministischer Modelle für sportmotorische Techniken Literatur Produkt- und prozeßorientierte Modelle der Sportmotorischen Techniken, der mechanischen Belastung des Bewegungsapparats und der Massenträgheitscharakteristika des menschlichen Körpers 160 Wolfgang Baumann, Rüdiger Preiß und Wolfgang Schöllhorn 11 Problemhinführung Verfahren für den quantitativen Vergleich von komplexen Bewegungsmustern mit Hilfe von prozeßorientierten Modellen Klassifikationsmodell zum Sprint Problemformulierung Modellkonstruktion Wahl des Modellkonzepts (datenbasiert-theoriebasiert) Wahl der Modellform (deterministisch-indeterministisch) Wahl der Modellvariablen (Beschreibungsgrößen) Wahl der Zielgröße Datenbeschaffung Erstellung der mathematisch-statistischen Relation zwischen den Faktorladungsmatrizen und ihrer Klassifikation Lernmodell für komplexe ballistische Bewegungsmuster Problemformulierung Modellkonstruktion Wahl des Modellkonzepts Wahl der Modellform Wahl der Modellvariablen Wahl der Zielgröße Datenbeschaffung Erstellung einer mathematischen Relation zwischen der Strukturierung von Bewegungsabläufen und Referenzkoeffizientenmatrizen Literatur Deterministisches Modell des Strecksprungs und der mechanischen Belastung der unteren Extremitäten in der Stützphase Deterministisches Modell des Strecksprungs Deterministisches Modell der mechanischen Belastung der unteren Extremitäten in der Stützphase Literatur Modell zur Bestimmung der Lage des Körperschwerpunkts und der Massenträgheitsmomente des menschlichen Körpers Zielgrößen des Modells Kennzeichnung der Zielgrößen des Modells 181

6 Inhalt XI Kennzeichnung des Körperschwerpunkts Kennzeichnung der Massenträgheitsmomente Anwendungszwecke der Zielgrößen des Modells Folgerungen zum Aufbau des Modells Experimentelle Methoden zur Bestimmung der Zielgrößen des Modells Experimentelle Bestimmung der Lage des Körperschwerpunkts Experimentelle Bestimmung der Massenträgheitsmomente Problematik der experimentellen Methoden Modellzweck der Teilmodelle Geometrie und Massenverteilung Konstruktion des Modells Aufbau des Modells aus Teilmodellen Modellansatz Teilmodell der Geometrie der Körperteile Auswahl der Variablen ' Meßvorschriften zur Datenbeschaffung Teilmodell der Massenverteilung Auswahl der Variablen Meßvorschriften zur Datenbeschaffung Relationen zur Bestimmung der Segmentmassen Überprüfung des Modells Anwendung des Modells Literatur Modular aufgebaute deterministische Modelle menschlicher Bewegungen 196 Martin Sust 8.1 Problemformulierung Auswahl des Modelloriginals Kennzeichnung des Modellzwecks Festlegung des Benutzerbezugs Modellkonstruktion Wahl des Modellansatzes Wahl des Modellkonzepts Wahl der Modellform Identifikation und Auswahl der Modellvariablen Auswahl der Submodelle Beschreibung der Submodelle Submodell Schaltfunktion" Submodell Kraftgesetz" Submodell Rheologische Körper" Submodell Geometriefunktion" Submodell Klassische Mechanik" Erstellung der Relation zwischen Ziel- und Einflußgrößen Modellüberprüfung Modellrevision Modellsimulation Beschreibung und Erklärung von Bewegungsabläufen Voraussage von Bewegungen Optimierung des Beschleunigungswegs Aspekte der Koordination 211

7 XII Inhalt Erklärung von speziellen Effekten Zweigipflige Kraftkurven Abhängigkeiten zwischen ausgewählten punktuellen Bewegungscharakteristika Bestimmung von Eigenschaften Eigenschaften des Nerv-Muskel-Systems Beschreibungsmöglichkeiten innerhalb des Modells (Approximationen bei der Modellierung des Nerv-Muskel-Systems) Querverbindungen zu bisher üblichen Verfahren der Charakterisierung von isometrischen Kraft-Zeit-Verläufen Faserverteilungen Aussagen zum Begriffssystem Maximalkraft Schnellkraft Kraftausdauer.' 218 Sachregister Kapitel Kapitel 8 222