VII. Inhaltsverzeichnis

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1 VII Inhaltsverzeichnis 1 Biomechanik - Definitionen, Aufgaben und Fragestellungen Definition der Biomechanik Grundaufbau des menschlichen Bewegungsapparats Passiver Bewegungsapparat oder Skelettsystem Aktiver Bewegungsapparat oder Muskelsystem Lage- und Richtungsbeschreibung beim Bewegungsapparat Beschreibung der Relativbewegungen beim Bewegungsapparat Gewichtsanteile des menschlichen Körpers Aufgaben der Biomechanik Einteilung der Biomechanik Spezielle Fragestellungen der Biomechanik Schwerpunkte und Inhalte des Buchs 13 Literatur zu Kapitel Statik des Stützapparates Kräfte und ihre Wirkungen Äußere Kräfte, wirkende Lasten Reaktionskräfte und innere Kräfte Axiome der Statik Zerlegung einer Kraft in verschiedene Richtungen Zerlegung einer Kraft in Komponenten Rechnerische Ermittlung der resultierenden Kraft eines ebenen Kräftesystems Rechnerische Ermittlung der resultierenden Kraft eines räumlichen Kräftesystems Momente und ihre Wirkungen Moment einer Kraft Vektordarstellung eines Moments Ermittlung des Moments einer ebenen Kräftegruppe Ermittlung des Moments einer räumlichen Kräftegruppe Moment eines Kräftepaars Gleichgewichtsbedingungen Gleichgewichtsbedingungen für ebene Probleme Gleichgewichtsbedingungen für räumliche Probleme Schwerpunkt Schwerpunkt eines Körpers Schwerpunkt des Menschen bei verschiedenen Körperhaltungen Schwerpunkte von Flächen Bewegungsapparat als mehrteilige Struktur Passiver Bewegungsapparat Aktiver Bewegungsapparat Grundstrukturen der Statik Gelenke 49

2 VUI Inhaltsverzeichnis 2.6 Wechselwirkung des Bewegungsapparats mit der Umgebung Grundlegende Lagerungsarten der Technischen Mechanik Freiheitsgrade, stabile Lagerung und statische Bestimmtheit von Tragwerken und Körpern Stützen und Halten beim menschlichen Bewegungsapparat Haftung, Haftreibung : Gleitreibung Bestimmung von Reaktions- und Kontaktkräften bei einteiligen Systemen Abstrahieren des Systems und Freischnitt Ermittlung der Auflagerreaktions- bzw. Haltekräfte mittels der Gleichgewichtsbedingungen Bestimmung von Reaktions- und Zwischenreaktionskräften bei mehrteiligen Systemen Freiheitsgrade, stabile Lagerung und statische Bestimmtheit mehrteiliger Systeme Freischnitt des Gesamtsystems Freischnitt von Teilsystemen Ermittlung von Reaktions- bzw. Kontaktkräften und Gelenkkräften Hypothesen zur Berechnung von Stütz- und Haltekräften beim menschlichen Bewegungsapparat Bestimmung von inneren Kräften, Schnittgrößen Schnittprinzip nach EULER/LAGRANGE Ermittlung der Schnittgrößen Standfläche und Standsicherheit Definition der Standfläche Standsicherheit Räumliche Kräftesysteme 77 Literatur zu Kapitel Festigkeit des Stütz- und Bewegungsapparats Statik, Elastostatik, Festigkeitslehre Statik Elastostatik Festigkeitslehre Belastungs- und Verformungsarten Spannungen Beanspruchung durch Normalkräfte bei Zugbelastung Beanspruchung durch Normalkräfte bei Druckbelastung Beanspruchung durch Normalkräfte, Querkräfte und Biegemomente Beanspruchung durch Torsionsmomente Verformungen Verformungen bei einachsigem Zug Verformungen durch Schubbelastungen Allgemeine Formänderungen: Verzerrungen Stoffgesetze Längenänderungen und Federkonstanten von Seilen und Stäben Durchbiegungen von Balken Verdrehungen infolge Torsionsbelastungen 94

3 Inhaltsverzeichnis IX 3.5 Kombinationen von Belastungen Überlagerungen von Normalspannungen Überlagerung von Normal-und Schubspannungen Federschaltung elastischer Systeme Reihenschaltung elastischer Systeme Parallelschaltung elastischer Systeme 107 Literatur zu Kapitel Kinematik und Kinetik der Bewegungen Idealisierungen Massenpunkt Massenpunktsystem Starrer Körper Einteilung der Bewegungen Kinematik des Massenpunktes Bewegungsbahn Geschwindigkeit Beschleunigung Geradlinige Bewegung Bestimmung von Geschwindigkeit und Beschleunigung aus bekannter Weg-Zeit-Beziehung Bestimmung von Geschwindigkeit und Weg aus gegebener Beschleunigung Kinematik des starren Körpers Freiheitsgrade eines starren Körpers Translation Rotation Kinetik des Massenpunktes Axiome der Dynamik NEWTONsches Grundgesetz in kartesischen Koordinaten Kinetik des starren Körpers NEWTONsches Grundgesetz für den starren Körper bei Translation, Schwerpunktsatz NEWTONsches Grundgesetz für starre Körper bei Rotation Massenträgheitsmomente einzelner starrer Körper NEWTONsche Grundgleichungen für allgemeine ebene Bewegungen Anwendungen der NE WTONschen Grundgleichungen Impulssatz Arbeit, Leistung, Energie 141 Literatur zu Kapitel Zusammenhang zwischen Aufbau und Funktion des Bewegungsapparats Aufbau und Eigenschaften der Knochen Funktion der Knochen Mikroskopischer Aufbau der Knochen Aufbau der Kortikalis Aufbau der Spongiosa 150

4 X I nhaltsverzeichnis Makroskopischer Aufbau der Knochen Formen von Knochen Materialeigenschaften der Knochensubstanzen Anatomie und Funktionsweise der Gelenke Einteilung der Gelenke Aufbau und Einteilung der Synarthrosen Aufbau der Diarthrosen Einteilung der Diarthrosen oder echten Gelenke Aufbau und Eigenschaften der Bänder und Sehnen Funktion der Bänder Funktion der Sehnen Aufbau und Eigenschaften der Muskeln Einteilung der Muskulatur Funktion der Skelettmuskeln Aufbau der Skelettmuskeln Formen der Skelettmuskeln Zusammenhang zwischen Muskelfaseranordnung und Leistung der Skelettmuskeln Aufbau und Funktionsweise des Kniegelenks Anatomie des Kniegelenks Menisken des Kniegelenks Bandapparat des Kniegelenks Kinematik des Kniegelenks Belastung des Kniegelenks Alternative Betrachtung der Biomechanik des Kniegelenks Anpassung des Bewegungsapparats an die mechanische Belastung Gestaltung der Lasteinleitung in die tragenden Elemente Anpassung der Gestalt eines tragenden Elements an die typische Belastung Anpassung der Werkstoffeigenschaften an die lokale Beanspruchung Literatur zu Kapitel Finite-Elemente-Analysen des Bewegungsapparats Prinzipielles Vorgehen bei Finite-Elemente-Berechnungen Modellerstellung und Festlegung der Randbedingungen Modellierung der Materialkennwerte Erstellung von FE-Netzen aus CT-Daten Allgemeine Bemerkungen zu CT-Daten Ermittlung der Knochengeometrie aus radiologischen Bilddaten FAM GOFEG: Geometrieorientierte FE-Netzgenerierung FAM VoFEG: Voxelorientierte FE-Netzgenerierung Beispiele für FE-Spannungsanalysen Analyse für ein Kniegelenk Analyse für ein Hüftgelenk Simulation der Kniebeuge mit FE-Kontaktanalysen Bewegungsstudien am ebenen Kniemodell Modellbildung Definition der Randbedingungen 230

5 Inhaltsverzeichnis XI Durchführung der FE-Analyse Ergebnisse der FE-Analysen mit ebenem Kniemodell Bewegungsstudien am räumlichen Kniemodell Modellbildung Definition der Randbedingungen Durchfuhrung der FE-Analyse Auswertung der Ergebnisse Entwicklung eines räumlichen Kniegelenkmodells auf der Basis der Hüllflächentheorie 244 Literatur zu Kapitel Anwendungsbeispiele der Biomechanik in Sport und Medizin Ausgewählte Anwendungsfälle aus dem Bereich des Sports Wurf- und Stoßbewegungen in der Leichtathletik Fahrradfahren bei Windstille, Rücken- und Gegenwind Untersuchung von Heilungsmaßnahmen sowie von Bewegungs- und Heilungshilfen Betrachtung von REHA-Maßnahmen nach Implantation eines künstlichen Hüftgelenks Knochenbrüche und ihre Heilung Entwicklung eines künstlichen Kniegelenks Präoperative Studien für einen Unterarm 277 Literatur zu Kapitel Sachwortverzeichnis 282