Bewegungslehre und Methodik dargestellt am Beispiel des Gerätturnens

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1 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 1 Bewegungslehre und Methodik dargestellt am Beispiel des Gerätturnens Prof. Dr. Klaus Wiemann Biomechanische Grundlagen des Turnens Einige Grundbegriffe der Mechanik Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung Kraft, Masse, Trägheit Gewichtskraft und Schwerpunkt Kraftstoß, Impuls und Impulserhaltung Impulsaddition und Impulsübertragung Impulsübertragung bei den Kippen...27

2 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens Definition der Drehbewegung Drehwinkel, Drehgeschwindigkeit und Drehbeschleunigung Erzeugung einer Drehbewegung Drehmasse, Trägheitsmoment Drehkraftstoß, Drehimpuls, Drehimpulserhaltung Scheinrotation und Drehrückstoß Drehimpulsübertragung Biomechanik des Beinschneppers (Courbet) Biomechanik des Schwingens Definition: Pendeln - Schwingen Erklärung des Schwingens durch den Energiesatz Bewegungsgleichung des Pendels Verstärkung des Schwunges durch Pendelverkürzung Schwingen eines physikalischen Pendels Schwingen im Sturzhang Modifizierende Bedingungen für das Schwingen im Langhang Ausnutzen der Elastizität der Reckstange Konterschwünge und Power-Technik Schwingen im Stütz Schwingen an den Ringen Biomechanik elastischer Sprünge...124

3 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens Systematisierung turnerischer Bewegungen nach biomechanischen Kriterien Schwünge Rotationen Kippen Impulsschaffende Zusatzaktionen...144

4 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 4 3 Biomechanische Grundlagen des Turnen des Turnens Nahezu alle turnerischen Fertigkeiten stellen entweder als Ganzes oder in entscheidenden Bewegungsabschnitten eine Drehung des gesamten Körpers um irgendeine starre oder freie Achse dar oder enthalten zumindest in einzelnen Bewegungsphasen eine Drehung des Körpers oder eines Körperteiles. Aus diesem Grunde steht die Biomechanik von Drehbewegungen im Zentrum dieses Kapitels, wobei zuerst die Drehbewegung definiert wird (Kap. 3.2 und 3.3) und anschließend festzustellen ist, unter welchen Bedingungen der Turnerkörper in eine Drehbewegung versetzt wird (Kap. 3.4). Daran schließt sich die Erläuterung der Frage an, wie der Turner mit der vorhandenen Drehbewegung das Übungsziel erreichen kann, d.h. wie er mit der gewonnenen Drehbewegung haushalten muss (Kap. 3.5 und 3.6). Ob beim Turnen auch Körperdrehungen möglich sind, ohne dass der Turnerkörper einen Drehimpuls besitzt, wird in Kap. 3.7 beantwortet, während sich das Kap mit einem Spezialfall von Drehbewegungen befasst, nämlich dem Schwingen um starre Achsen. Zuvor sind jedoch einige Grundbegriffe der Mechanik zu erläutern, für die im Folgenden nicht jeweils ein eigenes Kapitel vorgesehen werden kann, die jedoch bei der Besprechung der Drehbewegungen immer wieder auftreten (Kap. 3.1). Dies soll mit einem vertretbaren Minimum an physikalischen Erläuterungen geschehen, um auch beim physikalisch Ungeschulten ein Verständnis zu erreichen und damit ein Interesse an den biomechanischen Zusammenhängen zu wecken und zu erhalten. Aus diesem Grunde können und sollen hier auch keine Dispute über die Berechtigung von Modellen, die die Wirklichkeit reduzieren und die physikalischen Zusammenhänge vereinfachen, geführt werden, obwohl man sich bewusst sein muss, dass eine Vereinfachung immer auch die Gefahr mit sich bringt, Unkorrektheiten zu riskieren. 3.1 Einige Grundbegriffe der Mechanik Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung Die Bewegung eines Turners erkennt man daran, dass sein Körper (oder ein Teil desselben) seine Position gegenüber der Umgebung von einem Zeitpunkt zum anderen verändert. Die räumliche Distanz von der ersten zur zweiten Position nennt man Weg.

5 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 5 Läuft ein Turner an (Abb. 3.1), um einen Überschlag über einen Kasten auszuführen, legt er einen Weg (s) zurück, der sich in Metern (m, hier als Beispiel 20 m) messen lässt und dessen Richtung durch den Ablaufpunkt und die Absprungstelle definiert ist. Wege sind somit gerichtete Größen (= Vektoren). Gerichtete Größen werden als Vektorpfeile dargestellt, wobei die Pfeilspitze die Richtung und die Pfeillänge den Betrag des Weges wiedergeben. Alle physikalischen Größen, die die Grundgröße Weg enthalten wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft, Impuls u.a., sind ebenfalls gerichtete Größen. Hier und im Folgenden wird davon abgesehen, dass die einzelnen Körperabschnitte des Turners unterschiedliche Wege zurücklegen. Statt dessen wird der Turner auf einen Massepunkt reduziert. Für das Zurücklegen des Anlaufweges benötigt der Turner eine bestimmte Zeit (t), die in Sekunden (s) gemessen wird. Nehmen wir an, der Turner möge für den 20 m langen Anlauf bis zum Sprungbrett 4 s benötigen, dann legt er den Weg in einer Durchschnittsgeschwindigkeit (v) von 5 m/s zurück. Allerdings ist seine Geschwindigkeit in einzelnen Zeitabschnitten des Anlaufes unterschiedlich groß, weil er zu Anfang langsamer läuft, dann seine Geschwindigkeit steigert und kurz vor dem Absprung wieder etwas verringert (Abb. 3.1). Die durchschnittliche Geschwindigkeit (v) eines Turners in einem Teilabschnitt des Anlaufes zum Sprung über den Kasten ergibt sich aus dem im Teilabschnitt zurückgelegten Weg (s), dividiert durch die dafür benötigte Zeit (t), v = s/t bzw. v = (s 2 -s 1 )/(t 2 -t 1 ), gemessen in m/s (Meter pro Sekunde). In der Regel genügt es, die Durchschnittsgeschwindigkeiten in größeren oder kleineren Weg- oder Zeitabschnitten zu bestimmen. Will man die momentane Geschwindigkeit in einem Zeitpunkt ermitteln, muss das Differential v = ds / dt berechnet werden.

6 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 6 s [m] 10 0 v [m/s] a [m/s 2 ] 0-4 t [s] Abb. 3.1: Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung beim Anlauf zum Sprung über ein Gerät Die Änderung der Geschwindigkeit im Beispiel Abb. 3.1, die Beschleunigung (a), gemessen in m/s², steigt erst langsam, nimmt dann stärker zu, um beim Reduzieren der Geschwindigkeit einen negativen Wert anzunehmen. In diesen Fällen der negativen Beschleunigung lässt sich auch von Verzögerung sprechen. Die durchschnittliche Beschleunigung (a) in einem Teilabschnitt des Anlaufes ergibt sich aus der Geschwindigkeitsänderung (v 2 -v 1 ), dividiert durch die dazu benötigte Zeit (t 2 -t 1 ), a = (v 2 -v 1 )/(t 2 -t 1 ), gemessen in m/s 2 (Meter pro Sekunde zum Quadrat).

7 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 7 Die Momentanbeschleunigung berechnet sich durch das Differential a = dv / dt. Der Anlauf zum Sprung über ein Turngerät erfüllt mindestens zwei Ziele. Zum einen will der Turner genügend Geschwindigkeit erreichen, um nach dem Absprung das Gerät überfliegen zu können, bevor die Schwerkraft ihn wieder auf den Boden zieht. Zum anderen aber muss die Anlaufgeschwindigkeit dazu ausgenutzt werden, den Turner auch in eine je nach Art des Sprunges kleinere oder größere Drehbewegung zu versetzen. Dieses zweite Ziel, das auch bei einer Vielzahl anderer Turnübungen verfolgt werden muss, wird oft übersehen und vernachlässigt, was dann zum Misslingen der Übung führen kann (s. dazu Kap. 3.4) Kraft, Masse, Trägheit Wenn ein Turner seinen Körper in Bewegung setzen (beschleunigen) will, beispielsweise bei einem Strecksprung, müssen seine Muskeln aktiv werden, was dazu führt, dass zwischen dem Turnerkörper und dem Boden eine Kraft wirkt. Der Grund für diese Notwendigkeit ist die Tatsache, dass der Turnerkörper ein Gebilde aus Materie ist und sich somit durch die Eigenschaft aller materieller Körper, die Eigenschaft der Trägheit, auszeichnet. Die Eigenschaft der Trägheit bezieht sich darauf, dass Körper (so auch der Körper des Turners) bestrebt sind, den Zustand der Ruhe oder der geradlinig fortschreitenden Bewegung beizubehalten und sich Änderungen ihres Bewegungszustandes zu widersetzen. Die Änderung des Bewegungszustandes setzt die Wirkung einer Kraft voraus Diese Eigenschaft Trägheit ist die Grundlage des Impulserhaltungssatzes, der in Kap besprochen wird. Je mehr Materie ein Körper besitzt, je größer seine Masse (m), die in kg gemessen wird, ist, desto größer ist auch seine Trägheit. Der Turner erfährt die Trägheit seines Körpers dann, wenn er diesen in Bewegung setzen (wenn er ihn beschleunigen) will und zwar durch seine Anstrengung, an der in erster Linie seine Muskeln teilhaben. Er nennt diese Anstrengung Kraft.

8 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 8 Schon hier ist anzumerken, dass die Kraft, die der Physiker am Turner durch die Bestimmung von Masse und Beschleunigung misst, nicht mit der Anstrengung, die der Turner empfindet, identisch ist (s. Kap. 6). Gleichwohl lässt sich feststellen, dass in der Regel, aber nicht unter allen Bedingungen - dann, wenn der Turnerkörper eine wachsende Beschleunigung erfahren muss, die Anstrengung seitens des Turners auch wachsen muss. Wenn umgangssprachlich auf die Kraft eines Turners hingewiesen wird, ist in der Regel die Fähigkeit des Sportlers gemeint, große Kräfte zwischen sich und der Umwelt wirken zu lassen. Um mit dem physikalischen Begriff der Kraft nicht in Konflikt zu kommen, wird im Folgenden in diesem Zusammenhang (in der Regel, wenn auch aus sprachlichen Überlegungen nicht immer konsequent) von der Muskelkraft, der Arm- und Beinkraft oder generell der Stärke gesprochen. Der Turner muss eine große Kraft erzeugen, wenn er große Teile seines Körpers oder gar seinen gesamten Körper (also eine große Masse) in Bewegung setzen will im Gegensatz zur Beschleunigung kleiner Körperteile (einer kleinen Masse). Ebenso muss eine große Kraft erzeugt werden, wenn eine Masse in kurzer Zeit auf eine große Geschwindigkeit gebracht werden soll. Im Umgang mit seinem Körper erfährt der Turner den Zusammenhang von Kraft, Körpermasse und der Änderung des Bewegungszustandes der Masse, d.h., der Beschleunigung der Masse. Die Wirkung einer Kraft (F) erkennt man daran, dass eine Masse (m) eine Beschleunigung (a) erfährt, F = m * a bzw. F = m * s/t 2 gemessen in kg*m/s 2 bzw. in N (Newton). Da beim Turnen die Masse des Turners durch seine Muskelkraft beschleunigt werden muss, ist es von Vorteil, wenn das Verhältnis der Masse zur Muskelkraft klein ist, d.h. wenn der Turner leicht, aber stark ist. Eine weitere Eigenschaft der Kraft wird dem Turner bewusst, wenn er seinen Körper in eine bestimmte Richtung beschleunigen will. Dies setzt nämlich voraus, dass er die Kraft eben in dieser Richtung wirken lässt. Kräfte sind, wie der Weg, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung, gerichtete Größen (= Vektoren), wobei sich die Richtung der Kraft durch die Richtung des Weges (s) offenbart, den der Körper durch den Beschleunigungsvorgang zurücklegt. Der Turner kann seinen Körper in der Gesamtheit aber nur dann beschleunigen, wenn er sich von einem anderen Körper, vom Boden oder vom Gerät, abstoßen kann. Daraus wird deutlich, dass zu einer Kraft (F) zwangsläufig immer eine Gegenkraft (-F) gehört, die den gleichen Betrag hat wie die Kraft, dieser aber entgegengerichtet ist (Abb. 3.2 e).

9 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 9 Unter der Wirkung einer Kraft werden stets zwei Körper in entgegengesetzter Richtung beschleunigt: ein Strecksprung beschleunigt den Turnerkörper nach oben, den Boden mit der gesamten Erde in umgekehrter Richtung. Es gilt: F = -F oder m t * a t = m e * -a e, wobei m t und a t Masse und Beschleunigung des Turners und m e und -a e Masse und Beschleunigung der Erde darstellen. Da die Masse der Erde im Vergleich zur Masse des Turners überproportional groß ist, kann die Beschleunigung der Erde gleich Null gesetzt und vernachlässigt werden. F F -F a -F b c d e f Abb. 3.2: Kräfte unterschiedlichen Betrages (a c) und veränderter Richtung (d). Kraft bzw. actio, F, und Gegenkraft bzw. reactio, -F, (e und f)

10 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 10 Welcher der beiden Partnerkräfte als actio (F) und welcher als reactio (-F) bezeichnet wird, hängt vom Interpretierenden ab. Man kann bei einer Muskelaktion, beispielsweise bei einem Absprung vom Boden, die Kraft, die in Richtung der Beschleunigung des Sportlerkörpers weist, zur actio erheben und die Kraft, die dabei auf das Widerlager drückt, als reactio. Es lässt sich aber mit gleicher Berechtigung die Kraft, mit der die abspringenden Beine gegen den Boden drücken, als actio definieren und den Widerstand des Bodens als reactio. Bewegt sich der Turner nach einem Absprung frei fliegend durch die Luft und führt er die gleiche Beinstreckbewegung mit der gleichen Anstrengung aus wie beim Sprung vom Boden, kann er seinen Körper in der Gesamtheit nicht beschleunigen, da die Aktion nicht auf einen zweiten, außerhalb des Turnerkörpers gelegenen Körper trifft. Die erzeugte Kraft ist in Bezug auf den Turnerkörper eine innere Kraft, sie kann nur Teilkörper des Turners beschleunigen, den Oberkörper nach oben und (durch die zwangsläufige Reaktionskraft) den Unterkörper nach unten (Abb. 3.2 f). Sieht man von Luftreibung und Schwerkraft ab, kann man den Turner in diesem Fall ein kräftefreies System nennen. In einem kräftefreien System (z.b. im Körper des Turners beim Flug nach dem Absprung) können nur innere Kräfte wirken. Diese bewegen zwar Teilkörper des Systems gegeneinander, können das System insgesamt jedoch nicht beschleunigen Gewichtskraft und Schwerpunkt Neben der Trägheit ist die Schwere eine zweite Eigenschaft der Masse. Diese resultiert aus dem Phänomen, dass sich Massen untereinander anziehen bzw. sich aufeinander zu beschleunigen. Die Beschleunigung zwischen der Masse der Erde und der Masse von Körpern, die sich auf der Erde befinden, die Erdbeschleunigung bzw. Gravitationskonstante, beträgt g = 9,81 m/s 2. Das Gewicht eines Körpers wird durch die Kraft, die Gewichtskraft (F G ), bestimmt, mit der seine Masse (m) durch die Gravitation in Richtung des Erdmittelpunktes beschleunigt wird.

11 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 11 Ein Turner mit der Masse von m = 60 kg besitzt somit die Gewichtskraft (das Gewicht ) von F G = 60 kg * 9,81 m/s 2, also 588,6 kg*m/s 2 oder 588,6 N. Obwohl die Erdbeschleunigung auf alle Massenteile (oder Massenteilchen) eines Körpers einwirkt, ist es zweckmäßig, einen Punkt zu benutzen, der als gedanklicher Vertreter der gesamten Körpermasse dienen kann. Dies ist der Schwerpunkt (= Massenmittelpunkt) eines Körpers. Der Schwerpunkt eines Körpers ist dadurch definiert, - dass er sich so bewegt, als wäre die gesamte Masse des Körpers auf ihn konzentriert, bzw. - dass man ihn sich als Angriffspunkt der Schwerkraft denken kann. Diese Definition wird in physikalischen Lehrbüchern generell verwendet. Sie wird hier zum Zweck des besseren Verständnisses seitens der physikalisch weniger geschulten Leser beibehalten, auch wenn man dagegen Bedenken anmelden könnte. Da der Körper des Turners kein starres System darstellt, hat der Körperschwerpunkt keinen festen Platz im Körper, sondern seine Lage verändert sich in Abhängigkeit von der Formveränderung des Körpers und von der Stellung der Gliedmaßen. Unter Umständen kann er sogar außerhalb des Körpers liegen (Abb. 3.3), was den ideellen Charakter des Massenmittelpunktes deutlich macht. Er ist außerdem derjenige Punkt, um den sich ein frei in der Luft befindlicher Körper dreht. Bei einem Salto vorwärts beispielsweise stellt der Körperschwerpunkt den einzigen Punkt dar, der sich auf einer Wurfparabel bewegt (Abb. 3.3 e). Die Lage des Schwerpunktes in Bezug zur Unterstützungsfläche bzw. zum Aufhängepunkt bestimmt das Gleichgewicht eines Körpers. Da sich im Schwerpunkt die Schwerkraftmomente (s. Kap. 3.4) aller Massenteilchen zu Null addieren, strebt der Schwerpunkt eine stabile Lage senkrecht unter dem Aufhängepunkt an (Abb. 3.3 d, stabiles Gleichgewicht). Andererseits ist ein Körper nur dann standfest, wenn der Schwerpunkt senkrecht über der Unterstützungsfläche (oder dem Unterstützungspunkt, labiles Gleichgewicht) liegt (Abb. 3.3 a und b)

12 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 12 = KSP a b c d e Abb. 3.3: Lage des Körperschwerpunktes (KSP) bei unterschiedlichen Körperpositionen (a c) sowie beim stabilen Gleichgewicht (d) und beim labilen Gleichgewicht (a b). Bewegung des KSP auf der Wurfparabel (e) beim Salto vorwärts. Befindet sich der Schwerpunkt des Turners z.b. im ruhigen Hang senkrecht unter dem Aufhängepunkt, besitzt der Turner ein stabiles Gleichgewicht. Befindet sich der Schwerpunkt oberhalb des Unterstützungspunktes z.b. im aufrechten Stand oder im Handstand -, spricht man von einem labilen Gleichgewicht. Die Standfestigkeit im labilen Gleichgewicht steigt mit der Größe der Unterstützungsfläche und sinkt mit zunehmender Höhe des Schwerpunktes über der Unterstützungsfläche. Die Bedeutung von Kraft und Schwerkraft im Turnen ist allgegenwärtig. Wie in kaum einer anderen Sportart liegt der Reiz im Turnen bzw. im akrobatischen sich-bewegen darin, die Schwerkraft zu überlisten und sich bei der Ausführung der akrobatischen Elemente leicht und quasi schwerelos zu fühlen. Das Kraft/Last-Verhältnis genauer das Verhältnis der Kraft, die von der Muskulatur erzeugt und zwischen Umwelt und Turnerkörper zur Wirkung gebracht werden kann, zur Schwerkraft des Turnerkörpers

13 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 13 bestimmt, welche Geschwindigkeit dem Körper bei Sprüngen vermittelt werden kann und prägt auf diese Weise die Flughöhe und damit die Zeit für das Erlebnis der Schwerelosigkeit. Die Kraft der Arm und Schultermuskulatur beeinflusst den Anstrengungsgrad beim Stützen und Hängen und damit das Gefühl der Mühelosigkeit. Um so wichtiger ist es, bei ungünstigem Kraft/Last-Verhältnis die mechanischen Bedingungen, die sich nicht außer Kraft setzen lassen, zu berücksichtigen, um sich die Ausführung turnerischer Elemente nicht überflüssig zu erschweren. a b c d e f g h Abb. 3.4: Günstige (a e) und ungünstige, überflüssige Anstrengung erfordernde (f h) Zuordnung von Körperschwerpunkt, Schultergelenk und Unterstützungspunkt bzw. Aufhängepunkt.

14 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 14 Wer beim Handstand den Körperschwerpunkt senkrecht über die Unterstützungsfläche und senkrecht über das Schultergelenk bringt (Abb. 3.4 a-b), benötigt kaum Stützkraft, um die Körpermasse zu trage, im Gegensatz zu dem Fall, bei dem bei vorgeschobener Schulter in den Handstand aufzuschwingen versucht wird (Abb. 3.4 f). Gleiches gilt für das Rad am Boden (Abb. 3.4 c), das bei richtiger Ausführung kein besonders günstiges Kraft/Lastverhältnis erfordert. Wer beim Schwingen im Langhang Aufhängepunkt, Schultergelenk und Körperschwerpunkt auf einer Linie hält (Abb. 3.4 d), kann ohne große Anstrengung den Schwung zu Ende führen, ohne befürchten zu müssen, unter der Wirkung der Schwerkraft senkrecht unter dem Aufhängepunkt den Griff zu verlieren wie derjenige, der den Schwung mit gebeugten Armen und Hohlkreuzhaltung beginnt (Abb. 3.4 g). Auch beim Unterschwung wird die Zuordnung von Schwerpunkt und Reckstange schon in der Anschwungphase darüber entscheiden, ob die Bewegung zu einem schwunghaften wenig Anstrengung erfordernden Bewegungserlebnis führt oder nicht (Abb. 3.4 e und h). Erfolgreiches und freudvolles Turnen ist vielfach keine Frage der Muskelkraft, sondern der Fähigkeit, die vorhandene Muskelkraft physikalisch richtig einzusetzen Kraftstoß, Impuls und Impulserhaltung In den bisherigen Betrachtungen wurde außer Acht gelassen, dass sich ein Turner, will er seinem Körper durch einen Absprung eine Aufwärtsgeschwindigkeit vermitteln, nicht nur Kraft auf die Absprungstelle wirken lassen muss, sondern dass diese Kraft auch eine bestimmte Zeit wirken muss, bis der Körper die gewünschte Aufwärtsgeschwindigkeit erreicht hat. Lässt der Turner eine Kraft (F) eine bestimmte Zeit (t) lang wirken, produziert er einen Kraftstoß (p). Dieser ist direkt dafür verantwortlich, mit welcher Geschwindigkeit (v) sich die Körpermasse - z.b. nach einem Absprung - aufwärts bewegt. Das Produkt aus Masse (m) und Geschwindigkeit wird Bewegungsgröße bzw. Impuls (p) genannt. Es gilt die Beziehung: Kraftstoß = Impuls, F * t = m * v = p. Da die vorhandene Muskelkraft zur Änderung des Bewegungszustandes des Turners begrenzt ist, kann auf dem Wege über die Vergrößerung der Wirkungszeit (t) der Kraft (F) versucht werden, den erforderlichen Kraftstoß zu erzielen.

15 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 15 In der Regel wird der Kraftstoß in Newton mal Sekunde (N * s bzw. Ns), der Impuls in Kilogramm mal Meter pro Sekunde (kg * m/s) gemessen. Da beide Maßeinheiten identisch sind, kann man auch Kraftstoß und Impuls als identische Größen ansehen. Somit überrascht es nicht, dass häufig sowohl in der Physik als auch in der Umgangssprache - der Begriff des Impulses auch für den Kraftstoß verwendet wird. Im Folgenden soll jedoch aus Gründen der besseren Unterscheidung die Beziehung Kraft mal Zeit Kraftstoß, die Beziehung Masse mal Geschwindigkeit Impuls (ersatzweise Bewegungsgröße oder wie in der Umgangssprache Wucht oder Schwung) genannt werden. Der Impuls ist eine gerichtete Größe (ein Vektor), wobei die Richtung des Impulses von der Richtung der Geschwindigkeit bestimmt wird. Gleiches gilt für den Kraftstoß, der seine Richtung durch die Richtung der Kraft erhält. v 1 v 2 p 2 v 3 p 3 p 1 Abb. 3.5: Darstellung von Geschwindigkeiten und Impulsen unterschiedlicher Größe und Richtung Die Bedeutung von Betrag und Richtung von Impulsen soll an folgendem Beispiel erläutert werden: Drei Turner springen im Rahmen eines Synchronturnens gleichzeitig vom Minitrampolin (Abb. 3.5) Die Aufgabe dabei ist natürlich, nicht nur zum gleichen Zeitpunkt abzuspringen, sondern auch gleich weit zuspringen und zum gleichen Zeitpunkt zu landen, was natürlich nur geschehen kann, wenn

16 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 16 die drei Turner bei gleichem Absprungwinkel gleiche Absprunggeschwindigkeiten erzeugen. Da nun die Turner unterschiedlich schwer sind, Turner 1 = 60 kg, Turner 2 und Turner 3 jeweils 70 kg, müssen die Turner 2 und Turner 3 einen größeren Kraftstoß am Minitrampolin erzeugen als Turner 1. Dies möge Turner 2 auch gelingen, so dass er zusammen mit Turner 1 eine Absprunggeschwindigkeit von v 1 = v 2 = 4 m/s in exakt der gleichen Richtung erreicht, in Abb. 3.5 verdeutlicht durch die gleich langen und gleich gerichteten Vektorpfeile v 1 und v 2. Trotz gleich großer und gleich gerichteter Geschwindigkeiten besitzt Turner 2 nach dem Absprungkraftstoß jedoch einen größeren Impuls als Turner 1, weil seine Masse größer ist. Turner 1 hat den Impuls p 1 = 240 kg*m/s und Turner 2 den Impuls p 2 = 280 kg*m/s, in Abb. 3.5 erkennbar an den unterschiedlich langen Vektorpfeilen p 1 und p 2. Die Voraussetzung für die unterschiedlich großen Impulse waren natürlich unterschiedlich große Kraftstöße auf der Absprungstelle, wobei Turner 1 einen Kraftstoß von 240 Ns und Turner 2 einen Kraftstoß von 280 Ns erzeugen mussten. Die hier im Beispiel angenommenen Beträge und Richtungen der Impulse gelten nur für den Augenblick, in dem die Turner die Absprungstelle verlassen. Sobald die Turner den Flug beginnen, kommt die Erdbeschleunigung zur Wirkung und verändert Betrag und Richtung der Impulse ständig, und zwar unabhängig von der unterschiedlichen Masse der Turner, so dass beide Turner zum gleichen Zeitpunkt landen wie von ihnen geplant. Im vorliegenden angenommenen Beispiel gelingt Turner 3 () die Aufgabe des synchronen Turnens weniger gut. Sein Absprung- Kraftstoß gerät zu groß (315 Ns) und zielt zusätzlich steiler nach oben, so dass Turner 3 nach Verlassen der Absprungstelle eine zu große (4,5 m/s) und zu steile Absprunggeschwindigkeit besitzt. Die Folge ist, dass er wesentlich höher springt und demgemäß deutlich später landet. Aus diesem Beispiel wird deutlich, dass die Aufgabe, sich mit anderen Turnern zusammen synchron zu bewegen, recht anspruchsvoll ist. Die Frage ist, welche Kriterien die Turner heranziehen, um den Absprung-Kraftstoß auf das zutreffende Maß begrenzen zu können. Turner 2 nützt es nicht zu wissen, dass er 10 kg mehr wiegt als Turner 1 und dass er deshalb einen stärkeren Absprung-Kraftstoß als Turner 1 ausführen muss. Dazu müsste er abschätzen können, welche Kraft Turner 1 erzeugt, und seine eigene Absprungkraft derart darauf abstimmen, dass er die gleich Abfluggeschwindigkeit bekommt. Auch die Bewegungsgeschwindigkeiten oder gar Impulse können Turner weder an sich, noch am Partner abschätzen. Die einzige brauchbare Information ist die Flugzeit. Diese müssen die Sportler untereinander absprechen bzw. festlegen, am einfachsten unter Vorgabe eines Bewegungsrhythmus. Dann sind die Bewegungen so lange zu üben, bis den Turnern es gelingt, unter Antizipation der Flugzeit den Absprungkraftstoß in der verlangten individuellen Größe (und Richtung) zu treffen, und somit gleichzeitig abspringen und gleichzeitig wieder landen (Näheres zur Bewegungswahrnehmung, -vorstellung und Koordination s. Kap 6). Käme im oben genannten Beispiel der Synchronturner nach dem Absprung vom Trampolin nicht die Schwerkraft zur Wirkung, würden sich Turner 1 und 2 mit der durch den Absprung-Kraftstoß erzeugten Geschwindigkeit von 4 m/s nebeneinander geradlinig und stetig

17 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 17 weiter bewegen, Turner 1 mit dem Impuls 240 kg*m/s, Turner 2 mit dem Impuls 280 kg*m/s. In dieser Bewegung käme der Impulserhaltungssatz zum Ausdruck. p1 p2 Abb. 3.6: Verdeutlichung des Impulserhaltungssatzes Der Impulserhaltungssatz kurz auch: Impulssatz - besagt, dass in einem System, auf das keine äußeren Kräfte wirken, also in einem abgeschlossenen (kräftefreien) System, die Summe aller Impulse konstant (unveränderlich) ist. Dies kann selbstverständlich nur im Zustand der Schwerelosigkeit geschehen, beispielsweise dann, wenn - in einem Gedankenexperiment die Turner im Weltraum ihr Trampolin an der Außenwand einer Weltraumstation befestigt hätten (Abb. 3.6). Würde in diesem Fall ein Absprung-Kraftstoß den Turnern einen Impuls vom oben angeführten Betrag vermitteln, würden sich die Turner als kräftefreie Systeme mit konstanter Geschwindigkeit und konstanter Richtung von der Raumstation weg bewegen. Selbst

18 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 18 heftigste Aktionen von Armen und Beinen könnten den Gesamtimpuls des Körpers nicht beeinflussen, sondern nur zu Massenverlagerungen innerhalb des Körpers führen. Selbst die größten Anstrengungen würden nicht verhindern können, dass sich der Schwerpunkt unbeirrt von der Raumstation fort bewegen würde. Auf der Erdoberfläche kann ein solches Ereignis nicht stattfinden, da der Körper des Turners stets der Wirkung äußerer Kräfte (Schwerkraft, Reibungskräfte, Muskelaktionen, sofern letztere zwischen Turnerkörper und Umwelt zur Wirkung kommen) ausgesetzt ist. p f4 p f1 p as p f4 p f5 p f2 p f5 p ab p f1 p g p f3 p g p g p f6 p af p an p an p f7 Abb. 3.7: Beispiel für die Beeinflussung der Bewegung des Körperschwerpunktes durch äußere Kräfte im Ablauf einer Hocke über den Kasten. Folgende Impulse bzw. Kraftstöße sind dargestellt: p ab Absprung; p af Abfedern bei der Landung; p an Anlauf; p as Abstützen auf dem Kasten; p f1 bis p f7 Flugbewegung; p g Schwerkraft (rot) Am Beispiel einer Hocke über den Kasten (Abb. 3.7) soll dies verdeutlicht werden. Der durch den Anlauf gewonnene Impuls p an in horizontaler Richtung wird durch den Absprung-Kraftstoß (p ab ) in einen nach vorn schräg aufwärts gerichteten Impuls der Flugbewegung (pf1) umgeändert. Dieser unterliegt dem Einfluss der Schwerkraft (p g ), wobei seine horizontale Komponente - wenn

19 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 19 man den geringen Einfluss des Luftwiderstandes vernachlässigt gemäß dem Impulssatz erhalten bleibt, seine vertikale Komponente aber unter der Wirkung der Schwerkraft nach Größe und Richtung verändert wird (p f1 wird zu p f2 ). Erst durch den Kraftstoß des Aufstützens des Turners auf dem Kasten (p as ) kann die Bewegungsrichtung des Schwerpunktes geändert werden zur zweiten Flugbewegung (p f4 ). Nach Verlassen des Kasten bewegt sich der Schwerpunkt wieder auf der nur durch die Schwerkraft bestimmten Wurfparabel (p f5, p f6 ). Aktionen des Turners wie beispielsweise das Anhocken der Beine oder Bewegungen des Kopfes und der Arme erzeugen innere Kräfte, da sie nicht auf einen Körper, der außerhalb des Turnerkörpers gelegen ist, wirken können. Sie verlagern lediglich Teilmassen des Turnerkörpers gegeneinander, ohne den Gesamtimpuls des Turnerkörpers, vertreten durch den Impuls des Schwerpunktes, beeinflussen zu können. Erst mit dem Aufsetzen der Füße auf den Boden kann der Kraftstoß der Landeaktion (p af ) den Impuls des Schwerpunktes (p f7 ) aufheben. Generell lässt sich feststellen: Nach einem Absprung frei sich im Raum bewegend kann der Impuls eines Turnerkörpers, dessen Masse durch seinen Körperschwerpunkt vertreten wird, durch innere Kräfte (Muskelkräfte) nicht geändert werden, sondern Richtung und Geschwindigkeit der Bewegung des Körperschwerpunktes werden allein durch die Schwerkraft verändert Impulsaddition und Impulsübertragung Immer dann, wenn sich im Laufe von Muskelaktionen Körperteile gegeneinander bewegen, findet eine Addition bzw. Übertragung von Impulsen statt. Aus diesem Grunde muss der Begriff Impulsübertragung für die Erklärung aller möglichen Bewegungsphänomene insbesondere im Gerätturnen herhalten, ohne dass damit eine Falschaussage riskiert wird. Eine brauchbare Erklärung wird damit meistens nicht geliefert, weshalb dieses Thema hier und in Kap. 3.8 ausführlich behandelt werden muss. Die Körperaktionen der in diesem Kapitel besprochenen Beispiele stellen unterschiedliche Drehbewegungen um Gelenkachsen dar. Somit man müsste streng genommen mit dem Begriff des Drehimpulses argumentiert werden. Um die Sache aber nicht über Gebühr zu komplizieren, wird hier zuerst nur mit der translatorischen Komponente gearbeitet und erst in Kap. 3.8 die Rotation mit eingeführt.

20 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 20 Das Beispiel von Abb. 3.7 zeigt, wie der Impuls des Körperschwerpunktes unter der Wirkung eines Kraftstoßes nach Betrag und Richtung geändert werden kann. So addiert sich beispielsweise zum Impuls des Anlaufes (p an ), der während und nach dem Absprung erhalten bleibt, der Absprungimpuls (p ab ), so dass der Gesamtimpuls des Turners einen neuen Betrag und eine neue Richtung erhält. Es handelt sich hier um eine vektorielle Addition. Die vektorielle Addition von Impulsen ist eine Konsequenz des Impulssatzes und muss immer dann berücksichtigt werden, wenn auf einen Körper mit vorhandenem Impuls ein zweiter (oder dritter) Impuls (bzw. Kraftstoß) einwirkt oder wenn zwei oder mehrere Kraftstöße gleichzeitig auf einen Körper einwirken. Vektorielle Addition veranschaulicht man mit Hilfe des Vektoren-Parallelogramms. Erzeugt ein Turner zwei oder mehrere Impulse gleichzeitig oder wirkt auf den Turnerkörper mit einem bereits vorhandenen Impuls ein zweiter Impuls, addieren sich die Einzelimpulse vektoriell. p l+s p G p a p a p a p s p a p a p G p G p l p l+s p l+s p l+s p b p k p b p a p k a) b) c) Abb. 3.8: Beispiele der Addition von Einzelimpulsen im Körperschwerpunkt.

21 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 21 Die turnpraktische Bedeutung der vektoriellen Addition soll am Beispiel des Absprunges zum Salto vorwärts (Abb. 3.8) verdeutlicht werden. Anlauf (p l ) und Sprungkraftstoß (p s ) vermitteln dem Turner einen schräg nach vorn oben gerichteten Absprungimpuls (p l+s ). Jeder hat erfahren, dass er durch einen kräftigen beidseitigen Armschwung den Absprung unterstützen kann. Dabei drehen sich die Arme im Schultergelenk aus einer Rückhalte mit steigender Geschwindigkeit nach vorn oben, wobei sich die Richtung des Impulses ständig ändert. Wie müssen nun der Absprungimpuls (p l+s ) und der Impuls der Armbewegung (p a ) zueinander koordiniert sein, damit bei vektorieller Addition ein möglichst großer Gesamtimpuls zustande kommt? Da der Gesamtimpuls des Körpers nur so lange durch Teilimpulse beeinflusst werden kann, wie der Körper Kontakt mit der Umwelt (Boden) besitzt, ist für den Betrag und die Richtung des Gesamtimpulses die Richtung und die Beträge der Teilimpulse unmittelbar vor Verlassen des Bodens von Bedeutung. Durchlaufen in diesem Augenblick die Arme gerade die Waagerechte, hat der Armschwungimpuls (p a ) die gleiche Richtung wie der Absprungimpuls (p l+s ), so dass ein recht großer Gesamtimpuls (p G ) zustande käme (Abb. 3.8). Aber der Betrag des Armschwungimpulses (pa) könnte noch anwachsen, wenn die Arme weiter über die Waagerechte hinaus nach oben geschwungen würden (Abb. 3.8 b). Allerdings fällt in diesem Fall die Richtung des Armschwungimpulses (pa) derart ungünstig aus (Abb. 3.8 b), dass die Addition zum Absprungimpuls (p l+s ) eine für das Ziel der Übung ungünstige Richtung des Gesamtimpulses ergäbe (Abb. 3.8 b). Die günstigste zeitliche Zuordnung beider Impulse muss man somit dann erwarten, wenn kurz vor dem Augenblick, in dem die Füße den Kontakt mit dem Boden verlieren, die Arme um wenige Grad die Waagerechte durchschwungen haben. Das biomechanische Prinzip der zeitlichen Koordination von Einzelimpulsen (HOCHMUTH 1982) verlangt somit: Sollen zwei (oder mehrere) Teilimpulse zu einem möglichst großen Gesamtimpuls führen, müssen die Teilimpulse so koordiniert werden, dass sie möglichst zum gleichen Zeitpunkt ihren maximalen Betrag durch maximale Geschwindigkeiten erreichen. Sie sollten in diesem Augenblick auch in die gleiche Richtung zielen. Ein Beispiel der Addition von drei Teilimpulsen zeigt Abb. 3.8 c (Kippstrecken aus der Nackenkipplage in den Handstand).

22 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 22 Man erkennt, dass es nicht notwendig ist, stets die Vektorenparallelogramme zu zeichnen. Es genügt, die Vektorpfeile, die die drei Kraftstöße aus den Aktionen Strecken der Hüfte (p b ), Abdruck des Kopfes vom Boden (p k ) und Strecken der Arme (p a ) symbolisieren, derart aneinander zu setzen, als würden sie nacheinander auftreten. Der Verbindungspfeil des Startpunktes des ersten Kraftstoßes mit dem Endpunkt des letzten Kraftstoßes stellt dann den Gesamtimpuls (p G ) dar. In der Turnpraxis werden diese drei Kraftstöße, die im übrigen auch im Laufe der Rolle rückwärts in den Handstand ausgeführt werden, nicht völlig simultan, sondern in der hier besprochenen Reihenfolge zeitlich etwas versetzt realisiert. Da die Aktionen mehr oder weniger in senkrechter Richtung erfolgen, müsste streng genommen noch der Einfluss der Schwerkraft als vierter Kraftstoß mit berücksichtigt werden. Häufig findet man die Behauptung, man müsse am Ende des Absprunges den Armschwung aktiv abbremsen, damit der Impuls der Arme auf den Körper übertragen, die Bodenreaktionskräfte erhöht und somit der Absprung unterstützt würde. Um zu prüfen, ob diese Aussage richtig ist, sollen zuerst zwei einfache Experimente (Abb. 3.9 und Abb. 3.10), die man selbst leicht nachvollziehen kann, besprochen werden. KSP t1 KSP G KSP t2 p t1 p t2 = - p t1 Abb. 3.9: Beispiel der Impulserhaltung durch actio-reactio

23 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 23 Zwei Turner sitzen hintereinander auf je einem Skateboard, wobei Turner 1 die Füße der gewinkelten Beine auf den Rücken von Turner 2 plaziert. Beide Turner (und beide Skateboards) sind gleich schwer. Somit bildet KSP t1 den Körperschwerpunkt von Turner 1 (+Skateboard), KSP t2 den Körperschwerpunkt von Turner 2 (+Skateboard) und KSP G den Schwerpunkt des gesamten aus zwei Turnern und zwei Skateboards bestehenden Systems. Sind die Skateboard-Rollen optimal geölt, kann man annehmen, dass die Rollreibung gegen Null strebt. Diese Bedingung ist (zumindest die gedankliche) Voraussetzung für dieses Experiment, damit das System, das aus beiden Turnern (+ Skateboards) gebildet wird, in horizontaler Richtung als kräftefrei gelten kann. Führt nun Turner 1 eine heftige Beinstreckbewegung aus, wirkt zwischen beiden Turnern ein Kraftstoß (actio+reactio), der Turner 1 den Impuls p t1 nach links und Turner 2 den Impuls p t2 nach rechts vermittelt. Da das System in horizontaler Richtung als kräftefrei gelten kann und außerdem beide Turner gleiche Massen besitzen, bewegen sich beide Turner mit gleicher Geschwindigkeit, aber umgekehrter Richtung vom Ausgangspunkt weg. Die Impulse beider Turner sind gleich groß, aber entgegengerichtet. Es gilt: p t2 = - p t1. Die Konsequenz ist, dass das Gesamtsystem unbewegt (unbeschleunigt) bleibt, weil sich in einem kräftefreien System die Teilimpulse (hier: p t1 und p t2 ) zu Null addieren. Der Schwerpunkt des Gesamtsystems (KSP G ) bleibt am ursprünglichen Ort, so weit sich auch die Turner voneinander entfernen mögen. Letzteres würde auch gelten, wenn beide Turner unterschiedlich schwer wären, beispielsweise Turner 1 das Gewicht 75 kg und Turner 2 das Gewicht 60 kg besitzen würden. Nähme man an, Turner 1 bekäme durch den Kraftstoß eine Geschwindigkeit nach links von 2 m/s (und somit den Impuls von 150 kg*m/s), dann bekäme Turner 2 die Geschwindigkeit nach rechts von (-) 2,5 m/s (und somit den Impuls von (-) 150 kg*m/s). Auch hier bliebe das Gesamtsystem, weil kräftefrei, unbewegt, sein Impuls bliebe unverändert (= erhalten). In einem zweiten Experiment wird die Ausgangsbedingung nur dadurch geändert, dass das Skateboard von Turner 2 direkt vor einer Wand steht (Abb. 3.10). Außerdem sind beide Skateboards durch ein stabiles, etwa 1 m langes Seil miteinander verbunden. In der Ausgangsstellung liegt das Seil lose zwischen den beiden Skateboards auf dem Boden (Abb a).

24 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 24 KSP t1 KSP G KSPt2 a) p t1 v t1 p G v G b) - pt1 = - p G vt1 p t1 p G v G v t2 p t2 c) F*t - F*t v t1 p t1 p G v G v t2 p t2 d) Abb. 3.10: Beispiel der Impulsübertragung

25 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 25 Führt nun Turner 1 die schon bekannte Beinstreckbewegung aus (Abb b), bewegt sich Turner 1 mit der Geschwindigkeit (v t1 ) nach links, er erthält somit den Impuls p t1. Turner 2 bleibt im Gegensatz zum ersten Experiment unbewegt zwangsläufig, weil sein Skateboard von der Wand, vor der es steht, an einer Bewegung nach rechts gehindert wird. Es scheint so, als ob Turner 2 keinen Impuls bekäme. Aus Kap , in dem das Actio-reactio-Prinzip besprochen wurde, wissen wir, dass in jedem Fall ein gleich großer, entgegen gerichteter Impuls auftreten muss. Dieser entsteht in demjenigen Körpersystem, das aus Turner 2, der Wand und der daran fest verbundenen Erde besteht. Da die Masse dieses Körpersystems im Vergleich zu der Masse von Turner 1 nahezu unendlich groß ist, ist die Geschwindigkeit, mit der sich dieses System (Turner 2+Wand+Erde) nach rechts bewegt, praktisch gleich Null. Betrachtet man jetzt dasjenige Körpersystem, das aus den beiden (gleich schweren) Skateboardern mit ihren Skateboards besteht, müssen wir feststellen, dass dieses System, im Gegensatz zum ersten Experiment auch einen Impuls bekommen hat, der im Grunde genau so groß ist wie p t1 (Abb b). Da die Masse dieses Gesamtsystems, vertreten durch seinen Schwerpunkt KSP G, aber doppelt so viel Masse besitzt wie das Teilsystem KSP t1 (Turner 1 + Skateboard), ist seine Geschwindigkeit (v G ) nach links zwangsläufig nur halb so groß wie diejenige von Turner 2 (Abb b). Was passiert nun in demjenigen Zeitpunkt, in dem sich Turner 1 so weit nach links bewegt hat, dass sich das Seil zwischen den beiden Skateboards spannt? In Bezug auf Turner 1 (vertreten durch seinen Schwerpunkt KSP t1 ) ist die Kraft, die von der Spannung des Seiles herrührt, eine äußere Kraft, denn sie wirkt auf einen zweiten Körper, nämlich auf Turner 2 (bzw. KSP t2 ). In Bezug auf das Körpersystem Turner 1+Turner 2, vertreten durch den Schwerpunkt KSP G, ist diese Kraft (mit ihrer Gegenkraft) aber eine innere Kraft, da sie auf kein Körpersystem wirken kann, das sich außerhalb dieses Körpersystems befindet. Aus diesem Grunde vermindert der Kraftstoß (F*t), der das Seil spannt, den nach links gerichteten Impuls p t1 von Turner 1 und sein Gegenkraftstoß ( F*t) vermittelt Turner 2 einen ebenfalls nach links gerichteten Impuls (p t2 ). Der Impulsverlust von Turner 1 entspricht vom Betrag her dem Impulsgewinn von Turner 2. Deshalb lässt sich sagen: Ein Teil des Impulses von Turner 1 wird auf Turner 2 übertragen. Der Impuls des Gesamtsystems Turner 1+Turner 2 wird jedoch nicht verändert. Die Folge ist, dass sich das Gesamtsystem bzw. sein Schwerpunkt KSP G nach der Spannung des Seiles, d.h., nach der Impulsübertragung (Abb c und.abb d), mit der gleichen Geschwindigkeit (v G ) nach links bewegt, wie vor der Impulsübertragung (Abb b). Sind beide Turner wie vorausgesetzt gleich schwer, hat die Impulsübertragung lediglich bewirkt, dass sich die Geschwindigkeit (v t1 ) von Turner 1 auf die Hälfte verringert hat, während Turner 2 sich jetzt mit der gleichen Geschwindigkeit wie Turner 1 (und wie das Gesamtsystem) nach links bewegt.

26 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 26 Vernachlässigt man den Impuls, der durch die Beinstreckbewegung von Turner 1 an die Umwelt abgegeben wird, gilt vor der Seilspannung: p t1 = p G. Da m t1 = ½ * m G, gilt: v t1 = 2 * v G, p t2 = 0, v t1 = 0. Nach der Seilspannung (Impulsübertragung) gilt: p t1 + p t2 = p G, v t1 = p t2 = v G. Wird im Körper des Turners durch innere Kräfte ein Impuls von einem Teilkörper (z.b. Rumpf) auf einen anderen, zweiten Teilkörper (z.b. Arm) übertragen, ändert sich der Impuls (und damit die Geschwindigkeit) des Gesamtsystems nicht, denn der Impulsgewinn des zweiten Teilkörpers wird durch den Impulsverlust des ersten Teilkörpers ausgeglichen. Aus diesem Experiment folgt dreierlei: 1. Impulse erscheinen nicht einfach aus dem Nichts, sondern: wenn ein Körper einen Impuls erhalten hat, ist dieser durch einen Kraftstoß einem anderen Körper weggenommen. Das heißt: ein Kraftstoß vermittelt stets zwei Körpern Impulse von gleichem Betrag, aber entgegengesetzter Richtung. 2. Impulse verschwinden nicht im Nichts, sondern: wenn der Impuls eines Körpers verlorengeht, hat ein anderer Körper ihn übernommen. Das heißt: Impulse gehen nicht verloren, sondern werden von Körper zu Körper weitergegeben. 3. Der Begriff Impulsübertragung stellt eine Bezeichnung der unter 1. und 2. genannten Regeln dar, und zwar speziell für den Fall, dass der Beobachter in einem Teilkörper einen Impulsverlust und in einem anderen Teilkörper einen Impulsgewinn erkennt. Das, was am Skateboard-Experiment gezeigt wurde, lässt sich auf das Blockieren des Armschwunges beim Absprung zum Salto übertragen. Dabei ist der Armschwung beim Absprung zum Salto mit der Bewegung des Skateboarders 1 nach der Beinstreckung, der restliche Körper (Kopf+Rumpf+Beine) des Turners beim Absprung zum Salto mit Skateboarder 2 und die den Armschwung abbremsenden Muskeln mit dem Seil zwischen den Skateboards gleichzusetzen.

27 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 27 Die Muskelaktionen zum Blockieren des Armschwunges erzeugen (in Bezug zum Gesamtkörper des Turners) innere mechanische Kräfte und können somit die Bodenreaktionskräfte nicht erhöhen. Durch das Blockieren des Armschwunges beim Absprung zum Salto wird der Impuls der Arme auf den restlichen Körper übertragen. Dabei erleiden die Arme einen Impulsverlust und der restliche Körper einen Impulsgewinn. Der Impuls des Gesamtkörpers bleibt durch diese Impuls verlagerung unbeeinflusst. Somit kann ein Blockieren des Armschwunges die Absprungbewegung zum Salto vorwärts nicht unterstützen. Natürlich gilt diese Schlussfolgerung für alle Absprungbewegungen, gleichgültig, ob diese einbeinig oder beidbeinig erfolgen. Der Sinn des Abbremsen des Armschwunges kann nur darin liegen, die Arme an einem Weiterschwingen zu hindern oder die Arme in eine Position oder eine Bewegung zu bringen, die für die Ausführung der folgenden Aktionen des turnerischen Elementes verlangt werden. Beim Salto vorwärts werden nach dem Absprung häufig die Hände in Richtung der Schienbeine gebracht, um die Hockbewegung der Beine zu unterstützen. Das verlangt natürlich eine Armbewegung, die in eine dem Armschwung entgegengesetzte Richtung weist, was zwangsläufig ein mehr oder weniger heftiges Abbremsen des Armschwunges erfordert. Beim Absprung zu allen Pferdsprüngen ist dagegen kein heftiges Blockieren des Armschwunges erforderlich. Hier genügt es, wenn die Arme dosiert abgebremst werden bis sie sich in einer für die erste Flugphase günstigen Hochhalte befinden Impulsübertragung bei den Kippen Insbesondere bei der Oberarmkippe am Barren wird nach einer kräftigen Hüftstreckbewegung ( Beinschlag oder Kippschlag, unzutreffender Weise auch Kippstoß ; s. Kap ) der Schwung der Beine muskulär abgebremst, um das Aufstemmen der Arme von der Oberarmlage in den Stütz zu erleichtern (Abb. 3.11). Dies wird in der Regel mit dem Begriff der Impulsübertragung begründet.

28 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 28 Durch die Hüftstreckbewegung bekommen die Beine des Turners einen Impuls (p b1 ), der nach vorn oben gerichtet ist (Abb. 3.11, unten links). Da die zur Erzeugung des Impulses notwendigen Kräfte äußere mechanisch Kräfte sind, erfährt der Rumpf des Turners, verbunden mit dem Barren und der Erde, aufgrund der Impulserhaltung einen gleich großen, aber entgegengerichteten Impuls (-p b1 ). p b1 p b1 - p b2 p G p G F - F p üb - Abb. 3.11: Impulsübertragung im Laufe der Oberarmkippe. oben: Gesamtablauf. unten links: Einzelphase direkt vor der Impulsübertragung. unten rechts: Einzelphase direkt nach der Impulsübertragung

29 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 29 Sofern man den restlichen Körper des Turners als ruhend betrachtet (p rest = 0), ist der Impuls (p G ) des Gesamtkörpers mit dem Impuls der Beine (p b1 ) gleichzusetzen (p G = p b1 + p rest = p b1 ). Die Muskelaktion zum Blockieren der Hüftstreckbewegung erzeugt in Bezug auf den Turnerkörper innere mechanische Kräfte (F und F). Das bedeutet: Innerhalb des Gesamtkörpers wird kein zusätzlicher Impuls geschaffen, sondern ein Teil des Impulses der Beine auf den restlichen Körper verlagert, so dass der Gesamtimpuls (p G ) des Turners nicht verändert wird. Der Impuls(p b1 ) des Teilkörpers Beine verkleinert sich um den Impuls p üb, wodurch der Teilkörper Rumpf einen Impuls von gleicher Größe, aber entgegengesetzter Richtung (p üb ) erhält (Abb. 3.11, unten rechts). Die Betrachtung dieses Geschehens als translatorische Bewegung ist zwangsläufig ungenau. Aus diesem Grund muss diese Thematik in Kap. 3.8 noch einmal aufgegriffen werden. Durch das muskuläre Blockieren der Hüftstreckbewegung (des Kippstoßes ) wird ein Impuls von den Beinen auf den Rumpf übertragen. Die Folge ist, dass sich - nach der Impulsübertragung die Beine langsamer, der Rumpf aber schneller nach vorn oben (in Richtung der Hüftstreckbewegung) bewegen. Dieser Impulsgewinn des Rumpfes reicht aus, diesen für den Turner spürbar zu entlasten, so dass es dem Turner möglich ist, die Arme von der Oberarmlage in den Stütz umzusetzen. Die Impulsübertragung von den Beinen auf den Rumpf ist ein charakteristisches biomechanisches Merkmal der Kippen. Dabei muss das Blockieren der Hüftstreckung nicht ausschließlich durch Muskelaktionen erfolgen, sondern kann auch durch andere innere mechanische Wirkungen, z.b. durch Bänder- oder Knochenhemmung geschehen. Dies soll jedoch erst in Kap. 3.8 erläutert werden. Hier muss allerdings jetzt schon ein Fall angesprochen werden, bei dem gelegentlich auch mit dem Begriff der Impulsübertragung argumentiert wird, bei dem eine Impulsübertragung, wie sie bei der Oberarmkippe abläuft, aber keinen mechanischen Nutzen bringen kann, nämlich bei der Kippe am Reck (Abb. 3.12). Würde während des Ablaufes der Kernphase der Kippe vorlings vorwärts eine ähnlich heftige Hüftstreckbewegung (p b1 ) wie bei der Oberarmkippe erfolgen und diese muskulär blockiert werden, würde die Impulsübertragung im Rumpf einen Impuls (p üb ) erzeugen, der der gewünschten Schwungrichtung entgegen gerichtet wäre. Dies ergäbe im Hinblick auf das Bewegungsziel keinen Sinn. Daraus lassen sich im Hinblick auf eine Systematisierung der Turnelemente schwerwiegende Konsequenzen ziehen:

30 Klaus Wiemann: Bewegungslehre und Methodik: 3 Biomechanische Grundlagen des Turnens 30 p b1 - p üb p b2 Abb. 3.12: Kernphase der Kippe (des Felgaufschwunges vorlings vorwärts) am Reck. oben: Gesamtablauf der Kernphase. unten: Mögliche Wirkung einer Impulsübertragung Die Hüftstreckbewegung bei der Kippe vorlings vorwärts am Reck besitzt im Zusammenspiel mit weiteren Aktionen eine andere biomechanische Wirkung, als die Hüftstreckbewegung bei der Oberarmkippe. Der Bewegungserfolg wird bei der Kippe am Reck nicht primär durch Impulsübertragung von den Beinen auf den Rumpf erreicht. Nicht alle Übungen, bei denen gemäß einer rein morphologischen Betrachtung aus einer starken Hüftbeugestellung eine Hüftstreckung erfolgt, die im weiteren Verlauf der Bewegung wieder zum Stillstand kommt, unterliegen den gleichen biomechanischen Grundbedingungen und dürfen somit nicht ohne weiteres gleichen Bewegungsverwandtschaften (Strukturgruppen) zugewiesen werden.