Die mechanische Leistung im Schwimmen

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1 Sport Nico Espig Die mechanische Leistung im Schwimmen Vergleich zweier Verfahren zur indirekten Ermittlung der Ergometerleistung in der Sportart Schwimmen Magisterarbeit

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3 Universität Leipzig Sportwissenschaftliche Fakultät Institut für Rehabilitationssport, Sporttherapie und Behindertensport Magisterarbeit Die mechanische Leistung im Schwimmen Vergleich zweier Verfahren zur indirekten Ermittlung der Ergometerleistung in der Sportart Schwimmen vorgelegt von: Herrn Nico Espig Tag der Einreichung: 19. Januar 2010 Leipzig, 2010

4 Bibliografische Beschreibung und Referat Espig, Nico Die mechanische Leistung im Schwimmen - Vergleich zweier Verfahren zur indirekten Ermittlung der Ergometerleistung in der Sportart Schwimmen. Magisterarbeit, Universität Leipzig, Sportwissenschaftliche Fakultät, Institut für Rehabilitationssport, Sporttherapie und Behindertensport, Blattzahl: 130 Abbildungen: 31 Literaturangaben: 92 Tabellen: 18 REFERAT: Ausgehend von den Anforderungen an eine sportartspezifische Leistungsdiagnostik sowie der enormen Bedeutung der mechanischen Leistung als objektives Bewertungskriterium der belastungsbedingten Beanspruchungsreaktionen, kommt der Bestimmung der mechanischen Leistung im Schwimmsport eine große Rolle zu. Die Kopplung mit einer Spiroergometrie bringt die weiteren Vorteile, Aussagen zur kardiopulmonalen Leistungsfähigkeit sowie zur Bewegungsökonomie im Rahmen einer komplexen Leistungsdiagnostik im Schwimmsport geben zu können. Der Einsatz erprobter und in ihren Aussagen als valide überprüfter Untersuchungsverfahren, wie das Verfahren und Vorrichtung zur Spiroergometrie im Wasser nach Niklas et al. (1988a) birgt neben den großen Vorzügen die Nachteile hoher apparativer, materieller und finanzieller Voraussetzungen. Des Weiteren ist ein mobiler Einsatz aufgrund des komplexen Aufbaus nur bedingt gegeben. Das in dieser Untersuchung vorgestellte Seil-Gurt-Rollsystem greift das grundsätzliche Untersuchungsdesign von Niklas et al. (ebd.) auf, nur kommt ein deutlich vereinfachter und kostengünstiger Messaufbau zum Einsatz. Dadurch laufen in diesem Verfahren die Interessen einer kostengünstigen, mobilen und vor allem sportartspezifischen Erfassung der Beanspruchungsreaktionen auf entsprechende Belastungen zusammen. Eine Grundfrage dieser Untersuchung war, ob beide hier vorgestellten Verfahren in den Ergebnissen ihrer Messungen übereinstimmen, bzw. ob es einen statistischen Zusammenhang gibt, um in der Folge beide Verfahren untereinander auszutauschen, bzw. in Zukunft das mobilere, praktikablere und kostengünstigere Seil-Gurt-Rollsystem zu verwenden. 2

5 Danksagung Für die Überlassung des Themas sowie für die Betreuung und Erstbegutachtung der vorliegenden Arbeit möchte ich mich hiermit persönlich bei Herrn Priv.-Doz. Dr. phil. habil. Lutz Schega bedanken. Für die Bereitschaft, die vorliegende Arbeit über die gesamte Zeit ausführlich zu betreuen, mir zu jeder Zeit mit Rat und Tat zur Seite zu stehen sowie für unzählige Tipps, fruchtbare Diskussionen und eine lange angenehme Zusammenarbeit danke ich in besonderer Weise Herrn Dr. phil. Jan Pabst. Privat danke ich insbesondere meinen lieben Eltern, Ines und Jürgen, die mir dieses Studium erst ermöglicht haben. Zu jedem Zeitpunkt haben sie mich unterstützt, wo sie nur konnten. Dabei war es neben dem finanziellen vor allem der moralische Halt, für den ich besonders dankbar bin. Weiterhin möchte ich ihnen für das kritische Lesen dieser Arbeit sowie die kreative Hilfe danken. Mein weiterer Dank gebührt dem Rest meiner Familie, insbesondere meiner Freundin Michelle für ihre Entbehrungen bei der Erstellung dieser Arbeit. Sie war zu jeder Zeit eine wichtige und verlässliche Unterstützung für mich. Weiterhin möchte ich mich bedanken bei, Anja Fröhlich für das kritische Lesen, Torsten Warnke und Moritz Arndt sowie meinen ganzen Freunden, die in der letzten Zeit viel Verständnis aufgebracht haben. Leipzig, im Januar

6 INHALTSVERZEICHNIS 1 EINLEITUNG THEORETISCHE GRUNDLAGEN Wasserwirkungsfaktoren Physikalische Gesetzmäßigkeiten Druck Auftrieb Hydrodynamischer Widerstand Viskosität des Wassers Antriebskonzepte im Schwimmen Das klassische Antriebskonzept: Prinzip Aktion und Reaktion Das klassische Antriebskonzept: Prinzip des hydrodynamischen Lifts Weitere Modelle zur Erklärung der Vortriebserzeugung Diagnose der körperlichen Leistungsfähigkeit im Schwimmen Die sportartspezifische Leistungsdiagnostik im Schwimmen Entwicklung der Leistungsdiagnostik im Schwimmen Möglichkeiten der Leitungsdiagnostik im Schwimmen Zusammenfassung und Problemstellung Fragestellungen und Hypothesen UNTERSUCHUNGSKONZEPT Untersuchungsstichprobe Untersuchungsansatz Untersuchungsaufbau Verfahren 1 - kardanische Ankopplung nach Niklas et al Verfahren 2 - Seil-Gurt-Rollsystem Untersuchungsmethoden Spiroergometrie D Bewegungsanalyse

7 3.5 Untersuchungsplan Untersuchungsablauf Statistische Datenbearbeitung DARSTELLUNG UND DISKUSSION DER ERGEBNISSE Analyse der Spiroergometrie Physiologische Kennwerte physikalische Kennwerte Analyse der 2-D-Bewegungsanalyse Zyklusweg Zyklusfrequenz Zum Verhältnis von Zyklusfrequenz und Zyklusweg Gesamtanalyse durch Bland-Altman-Plot ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK LITERATUR ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS ANHANG

8 1 Einleitung Training als zielorientierter Prozess setzt Methoden und Verfahren voraus, diesen Prozess zu analysieren und zu begleiten um somit das Erreichen des Ziels bewusst und umfassend, unter Zuhilfenahme wissenschaftlicher Erkenntnisse steuern zu können. Der Leistungsdiagnostik kommen dabei verschiedene Aufgaben zu. Sie muss als Grundlage der Planung den jeweiligen Leistungszustand bestimmen sowie trainingsbedingte Veränderungen im Verlauf des Trainings erfassen, um dessen Wirksamkeit genauer zu ermitteln (Schnabel/Krug/Harre/Borde, 2003, S. 53). Die Leistungsdiagnostik ist dabei definiert als Lehre und Komplex von Verfahren der Leistungsdiagnose, d.h. der Erfassung und Beurteilung der sportlichen Leistungen und der aktuellen Leistungsfähigkeit des erreichten Leistungszustandes auf der Grundlage von Kennwerten, Kennlinien und Merkmalen des Leistungsvollzuges sowie von Kennwerten der wesentlichsten personalen Leistungsvoraussetzungen. Darin einbezogen sind die Relationen der ermittelten Daten, d.h. die Struktur des Leistungssystems. (Schnabel/Krug/Harre/Borde, 2003, S. 53) Durch die im Schwimmen durch das Medium Wasser vorherrschenden, spezifischen physikalischen und physiologischen Bedingungen, wird die Forderung nach der Sportartspezifität der Leistungsdiagnostik im Schwimmsport besonders bedeutsam. Dabei kommen in der Sportart Schwimmen vielfältige Methoden der Leistungsdiagnostik zum Einsatz. Diese sind analog zu anderen Sportarten die Laktatdiagnostik, die Spiroergometrie sowie Analysen zur Struktur der Bewegung und zum Ausprägungsgrad der sporttechnischen Fertigkeiten. Dabei hat vor allem in letzter Zeit, im Sinne einer sportartspezifischen Leistungsdiagnostik im Schwimmen, die Spiroergometrie an Bedeutung gewonnen. Sie besitzt dabei im Vergleich zur Laktatdiagnostik zur Bestimmung metabolischer Vorgänge entscheidende Vorteile: so kann die maximale Sauerstoffaufnahme als Bruttokriterium der aeroben Kapazität bestimmt werden und außerdem durch Veränderung der Belastung über eine Veränderung der Arbeitssauerstoffaufnahme auf die Schwimmökonomie geschlossen werden (Reer et al., 2009). 6

9 Durch die Einführung des Schwimmkanals (Åstrand & Englesson, 1972) sowie einer Verbesserung der Spiroergometrie-Systeme hin zur Online-Erfassung der Stoffwechselparameter, und zwar breath-by-breath, waren so die technischen Möglichkeiten für die Bestimmung der mechanischen Leistung im Schwimmen als Bewertungskriterium belastungsbedingter Beanspruchungsreaktionen gegeben (u.a. di Prampero et al., 1974). Parallel entwickelten sich in der Folge verschiedene Ansätze zur Bestimmung der mechanischen Leistung. Diese können grob in direkte und indirekte Verfahren eingeteilt werden. Niklas et al. stellten 1988 ein Verfahren vor, das technisch insofern ausgefeilt war, dass es sich für den Einsatz innerhalb der sportartspezifischen Leistungsdiagnostik im Schwimmen eignet. Das Verfahren konnte erstmals durch Toussaint (1988a) mittels Referenzverfahren in seinen Aussagen validiert werden. Als problematisch muss bei dem Verfahren von Niklas et al. (1988a) gesehen werden, dass es gewisse apparative Voraussetzungen benötigt und materiell sehr aufwendig ist. Innerhalb dieser Untersuchung soll mit dem Seil-Gurt-Rollsystem ein Verfahren vorgestellt werden, indem die Interessen einer sportartspezifischen, praktikablen, kostengünstigen und mobil einsetzbaren Leistungsdiagnostik für die Sportart Schwimmen zusammenlaufen. Dabei werden ausgehend von der Struktur der Leistung belastungsbedingter Beanspruchungsreaktionen komplexdiagnostisch erfasst und analysiert. 7

10 2 Theoretische Grundlagen Im Punkt 2 der vorliegenden Arbeit werden die theoretischen Annahmen vorgestellt, die dieser Untersuchung zu Grunde liegen. Aussagen zu den allgemeinen Wasserwirkungsfaktoren bilden dazu den Einstieg und sollen die Besonderheiten von Fortbewegungen im Medium Wasser verdeutlichen. Folgerichtig werden dann Aussagen zu den Antriebskonzepten und Technikmerkmalen im Schwimmen sowie der Koordination der Kraulschwimmbewegung dargestellt. Mit diesen Vorbetrachtungen soll im Abschnitt Leistungsdiagnostik im Schwimmen die Diagnostik von körperlichen Fähigkeiten und Fertigkeiten vor dem Hintergrund des Belastungs- und Beanspruchungsmodell dargestellt werden. Dazu wird die Leistungsdiagnostik im Schwimmen von Ihrer historischen Entwicklung eingeordnet, um dann heutzutage übliche Verfahren gegenüber zu stellen. Im letzten Schritt werden beide, dieser Untersuchung zu Grunde liegenden Verfahren der indirekten Leistungsmessung näher beleuchtet. 2.1 Wasserwirkungsfaktoren Physikalische Gesetzmäßigkeiten Grundlage einer echten Leistungsmessung im Sport sind quantitative Annahmen zu Bewegungsphänomenen. Damit kommt der Biomechanik und denen ihr zugrunde gelegten, allgemeingültigen Gesetzen der Mechanik unter Berücksichtigung biologischer Gegebenheiten eine besondere Stellung zu. Ziel ist die Beschreibung von operationalen Beziehungen zwischen bestimmten Bewegungsparametern und deren biologischen Ursachen. (Klauck, 1982) Die Biomechanik des Schwimmens hat es im Speziellen mit Bewegungen zu tun, die maßgeblich durch das stofflich zur Luft sehr unterschiedliche Medium Wasser beeinflusst werden. Nach Klauck (ebd.) stellt die Anwendung biomechanischer Betrachtungsweisen auf das Wasser folgende konkrete Aufgaben: 1. Übertragung der Gesetzmäßigkeiten der Hydrodynamik auf die Fortbewegung des menschlichen Körpers im Wasser, zur Erstellung der Grundlagen für die Bewegungsdeskription. 2. Überprüfung einzelner mechanischer Bewegungsparameter oder biologischer Eigenschaften bezüglich ihrer Bedeutung für die Schwimmleistung. 8

11 3. Entwicklung problemangepasster Mess- und Untersuchungsmethoden zur Gewinnung hydromechanisch interessierender Bewegungsdaten. 4. Erstellung einfacher, relevanter Testprozeduren, die eine Objektivierung von unter Umständen komplexen Leistungsmerkmalen beim Schwimmen gestatten. Ausgehend von diesen theoretischen Forderungen ist es von Bedeutung, die Bedingungen des Mediums Wasser dieser Untersuchung zugrunde zu legen, da es durch seine besonderen stofflichen Eigenschaften Einfluss auf die Entstehung von Kräften und deren Resultat hat (Ungerechts et al., 2002). Die Fortbewegung im Wasser ist dabei abhängig von einem komplizierten System unterschiedlichster Kräfte, welches für Vortrieb, Abbremsen, Auf- und Abtrieb sowie seitliche Bewegungen verantwortlich ist (Schramm, 1987). Im Rahmen von biomechanischen Untersuchungen werden dabei vor allem äußere Kräfte in die Betrachtung mit einbezogen. Diese sind bei der Fortbewegung im Wasser zum einen statischer Art (Gewichtskraft des Körpers F G und statischer Auftrieb F A ) und zum anderen dynamischer Art (dynamischer Auftrieb F dyn, hydrodynamischer Widerstand F W und Vortriebskraft F V, vgl. Schramm, ebd.). Weiterhin spielen auch Einflüsse wie Viskosität, Temperatur, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität eine Rolle für das Schwimmen. Da sich die hier vorliegende Untersuchung mit einem Vergleich zweier Verfahren befasst, bei denen diese Faktoren bei beiden durchgeführten Versuchen als konstant vorausgesetzt werden, sollen sie deshalb lediglich erwähnt bleiben. Als Grundlage für biomechanische und leistungsphysiologische Untersuchungen im Medium Wasser ist es ausgehend von den gemachten Überlegungen von Bedeutung, näher auf dessen Eigenschaften und die Wirkung auf den menschlichen Organismus und seiner Bewegungen einzugehen Druck Hydrostatischer Druck Ein untergetauchter Körper wird von einem Druck belastet, der sich aus der Summe von Luftdruck an der Wasseroberfläche und des Drucks der auf ihn wirkenden Wassersäule ergibt. Der hydrostatische Druck wird auch als Wanddruck 9

12 bezeichnet und wirkt senkrecht zur Körperoberfläche. Der mittlere Luftdruck der Atmosphäre beträgt auf Meereshöhe rund 1,01 bar. Der Umgebungsdruck steigt je 1 m Wassertiefe um 0,1 bar. Daraus resultiert in 1 m Wassertiefe ein um 10% höherer Wasserdruck auf den Organismus, als an Land. Auswirkungen dieser Veränderung auf den Organismus betreffen nach dem Entfallen eines erheblichen Teils der Halte- und Stützarbeit vor allem das Gefäßsystem. Nach Hollmann & Hettinger (2000, S.553) bedingt der hydrostatische Druck eine Zentralisierung des Blutes mit einem vermehrtem Blutangebot in der rechten Herzhälfte, eine reduzierte Vitalkapazität um 10%, eine ökonomischere Atmung sowie eine geringere Hautdurchblutung und damit ein höheres Blutangebot in der Arbeitsmuskulatur Hydrodynamischer Druck Im Gegensatz zum hydrostatischen Druck der ruhenden Flüssigkeiten sprechen wir beim Druck strömender Flüssigkeiten vom hydrodynamischen Druck. Er wird auch als Staudruck bezeichnet und wirkt in Anströmrichtung des Körpers. Zusammen mit dem hydrostatischen Druck bildet der Staudruck den Gesamtdruck (Reischle, 1988). Der Staudruck steht dabei im Verhältnis zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit. Formel 1 2 ρ - Dichte des Mediums, V An Anströmgeschwindigkeit, q Staudruck Auftrieb Als Auftrieb wird in der Physik eine Kraft bezeichnet, die eine Flüssigkeit auf einen Körper ausübt. Es wird der entgegen der Schwerkraft wirkende statische Auftrieb vom rechtwinklig zur Anströmung wirkende dynamische Auftrieb unterschieden Statischer Auftrieb Wird ein Körper in eine Flüssigkeit eingetaucht, so wirkt der körpereigenen Gewichtskraft eine Auftriebskraft entgegen. Der Betrag der Auftriebskraft ist genauso hoch wie das Gewicht der vom Körper verdrängten Flüssigkeit. Dieses Phänomen ist als so genanntes archimedisches Prinzip bekannt. Die Kraftwirkungslinien von Auftriebskraft und Gewichtskraft wirken dabei parallel, jedoch in entgegengesetzter Richtung (Klauck, 1982). Abhängig ist die Auftriebskraft F a von dem verdräng- 10

13 ten Volumen des Körpers und der Dichte des Mediums sowie der Erdbeschleunigung: Formel 2 F a Auftriebskraft, ρ - Dichte des Mediums, V k Volumen des Körpers, g Erdbeschleunigung Die Differenz der Gewichtskraft eines in Wasser getauchten Körpers und der ihm entgegenwirkenden Auftriebskraft wird als resultierende Kraft bezeichnet. Der Wert der resultierenden Kraft ist proportional dem Unterschied der Dichten von Körper und Wasser (Klauck, 1982). Die Gewichtskraft eines Körpers F K setzt sich aus seiner Masse m K und der Erdbeschleunigung zusammen. Die Masse m K wiederum ist definiert durch das Produkt aus Volumen des Körpers V K und seiner Dichte ρ K : Formel 3 Formel 4 F K Gewichtskraft des Körpers, m K Masse des Körper, g Erdbeschleunigung, V K Volumen des Körpers, ρ k Dichte des Körpers Durch mathematisches Einfügen und Umstellen beider Gleichungen in Formel 2 wird dieser proportionale Zusammenhang sichtbar: Formel 5 F a Auftriebskraft, ρ Dichte des Mediums, F K Gewichtskraft des Körpers, ρ k Dichte des Körpers Aus diesem Zusammenhang lassen sich drei Szenarien ableiten, wie sich der Körper abhängig von den Dichten von Körper und Wasser verhält. Ist die Dichte des Körpers gleich dem des Wassers, so schwebt er. Ist die Dichte des Körpers geringer, taucht der Körper soweit ein, bis seine Gewichtskraft gleich dem des verdrängten Wasservolumens ist. Dieser Fall ist am Toten Meer gut zu beobachten. Die Dichte des Wassers ist durch gelöste Mineralien so hoch, dass die Dichte 11