Übungen Biomechanik WS 15/16. Inhalt der Übung. Messdatenerfassung. Messdatenerfassung. Messdatenerfassung. Messdatenerfassung

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1 Übungen Biomechanik WS 15/16 Rodelstart Inhalt der Übung Grundlagen der Kennenlernen + Bedienung des Rodelstartgerätes Biomechanischer Hintergrund des Rodelstart(geräte)s Größen und Einheiten Ein Blick in die Geschichte: Ein Inch ist die durchschnittliche Daumendicke dreier Männer, eines großen, eines kleinen und eines mittelgroßen Mannes", legte 1150 König David von Schottland fest. Unsicherheit durch die willkürlich mögliche Auswahl der Männer! Größen und Einheiten Suche nach genaueren Definitionen von Einheiten um Größen wie Länge, Masse, Zeit quantitativ zu erfassen. Größe = Maßzahl * Einheit d.h., eine Größe wird angegeben als Vielfaches oder Teil einer zu dieser Größe festgelegten Einheit Messgröße = Größen, die durch eine Messung bestimmt werden sollen Einheiten unterschiedliche Maßsysteme In Europa: SI-System (Système International d Unitès) 7 Basiseinheiten: Einheiten Defintion der Sekunde s?? Sekunde s (Zeit), Meter m (Länge), Kilogramm kg (Masse), Ampère A (elektr. Stromstärke), Kelvin K (Temperatur), Mol mol (Substanzmenge), Candela cd (Lichtstärke). 1

2 Einheiten Defintion der Sekunde s: 1 Sekunde ist das fache der Periodendauer einer elektromagnetischen Strahlung aus dem Übergang zwischen den Hyperfeinstruktur-Niveaus des Grundzustands von Atomen des Cäsiumisotops 133Cs Aus den Basiseinheiten lassen sich alle weiteren Maßeinheiten ableiten, wie z.b.: Einheit der Kraft F Defintion über 2. Newtonsche Axiom 1 N = 1 kg*m/s², d.h. aus den Grundeinheiten Kilogramm, Meter und Sekunde wird eine neue Maßeinheit mit einem eigenen Namen Newton (N) abgeleitet. Einheit des Drucks p: Druck = Kraft/Fläche also ist die Einheit : Name und Abkürzung: Pascal, Pa Messen = die zu messende Größe als Vielfaches einer Einheit bestimmen Beispiel: Bestimmung der Unterschenkellänge als Vielfaches der Basiseinheit Meter Messgröße = Größe, die durch eine Messung bestimmt werden sollen Die in der Biomechanik zu bestimmenden Messgrößen sind i.a.: Messgrößen der Anthropometrie Messgrößen der Kinematik Messgrößen der Dynamik 2

3 Die Messkette Zusammenschaltung von Komponenten, die alle Funktionen von der Aufnahme einer physikalischen Größe bis zur Anzeige oder Registrierung des Messwerts in ablesbarer Form beinhaltet. Die Komponenten einer Messkette sind: Sensor, Verstärker, A/D Wandler und PC/Laptop Sensor Verstärker AD Wandler PC/Laptop Sensor stellt das erste Glied der Messkette dar Aufnahme einer physikalischen, nichtelektrischen Messgröße (z.b. Druck, Termperatur, ) und Umwandlung in ein elektrisches Signal (Strom, Spannung, Widerstand) weitere Bezeichnungen: Messaufnehmer Messwandler Messfühler Die in der Biomechanik am häufigsten verwendeten Sensoren sind: Kraftsensoren piezoelektrische Sensoren Dehnmessstreifen (DMS) Wegaufnehmer Goniomter Drucksensoren, Beschleunigungssensoren Messverstärker: verstärkt das elektrische Signal entsprechend einer festen Beziehung Ziel?? Analog-Digital Wandler (A/D Wandler) Umwandlung des stetigen und kontinuierlichen Spannungssignals (Analogsignals) in eine Folge von binären Zahlen (d.h. mit 0 und 1) Ein Analog-Digital-Wandler wandelt analoge Eingangssignale in digitale Daten zwei Schritte Pulse-Code Modulation (PCM) Puls-Amplituden-Modulation (PAM) 3

4 Analog-Digital Wandler (A/D Wandler) Puls-Amplituden-Modulation (PAM)-Analog-Signal wird in immer gleichen Zeitabschnitten abgetastet. Die Abtast- Geschwindigkeit wird Sampling-Frequenz genannt. Eine Sampling-Frequenz von z.b. 1000Hz bedeutet, daß das Analog-Signal 1000 Mal pro Sekunde abgetastet wird Analog-Digital Wandler (A/D Wandler) Pulse-Code Modulation (PCM) - das amplituden-analoge Signal wird in ein Werte-Raster "gepresst", d.h. es wird geprüft welcher Wert aus dem vorgegebenen Raster dem Sample ( [ab]gerundet ) am nächsten kommt (Quantisierung). Umwandlung des stetigen und kontinuierlichen Spannungssignals (Analogsignals) in eine binäre Zahl (d.h. mit 0 und 1) mit endlich vielen Stellen Anzahl der Raster-Werte = Auflösung. Die Auflösung wird meist als Anzahl von Bits angegeben (n) Anzahl der Stufen: s = 2 n Bsp: n=8 Bit Auflösung bedeutet ein Raster mit s=256 Stufen Quantisierungsfehler entstehen bei der analog-digital-wandlung von Signalen enspricht max. einer Stufe in der PCM Genauere Beschreibung der rechnergestützten Datenerfassung siehe z. B. Weichert N. (2000).Messtechnik und Rodelstart Systemmerkmale 6 Meter langen Startvorrichtung für die Kraft-Analyse während des natürlichen Bewegungsablaufs. Rodel auf vier Rollen gelagert Rodel bewegt sich auf zwei Laufschienen 2 Startbügel mit Kraftsensoren (DMS) Längenmessystem (magnetisch) 4

5 Technische Merkmale Kraftaufnehmer Technische Merkmale Längenmesssystem Kraftmessdosen Typ 9UB der Firma HBM DMS-Technologie (Dehnungsmessstreifen) = Messprinzip bei dem die mechanische Verformung einer Messmembran eine Widerstandsänderung der auf die Membran aufgebrachten Messstreifen hervorruft kleine Abmessung Messen von Zug- und Druckkräften EMIX ist ein inkrementelles magnetisches Längenmesssystem max. Auflösung: 0.01 mm (EMIX) keine Reibungsverluste (Magnetsystem) Technische Merkmale Mehrkanalmesssystem Spider 8 Durchführung 1 (vor der Messung) Fragenkatalog Fragen 1 bis 8 Bedienungsanleitung Rodelstart Datei: Rodelstart.pdf Punkte 1 bis 8 Sportbekleidung 8 Kanäle analog A/D Wandler mit 9600 MW/s pro Kanal, 16 bit Auflösung Arm- und Rumpfmuskulatur aufwärmen 15 min vor Termin der Messung Gruppenordner anlegen E:\UE_BM_WS1516\Gruppe_xxx Durchführung 2 (eigentliche Messungen) Durchführung 3 (nach jeder Messung) 2 Personen mind. 8 Starts am Rodelstart (Durchführung laut Bedienungsanleitung Rodelstart ) Nach jeder Messung die Messdaten in den Gruppenordner abspeichern 3 Versuche ohne Ausholbewegung 5 Versuche mit Ausholbewegung und unterschiedlicher Ausholgeschwindigkeit 1. 20% (=langsame Ausholbewegung) 2. 40% 3 60% 4. 80% % (maximal schnelle Ausholbewegung) Eventuell Versuche um max. Endgeschwindigkeit zu verbessern Wichtig: Krafteinsatz (Vorwärtsbewegung) bei allen Versuchen immer maximal, Ausholweg möglichst gleich Nachfolgende Ergebnisse in einem Testprotokoll festzuhalten bzw. mittels Screenshot abspeichern: Abzugsgeschwindigkeit beim Loslassen der Bügel Maximalgeschwindigkeit (=vor) Minimalgeschwindigkeit (=rück) Kraftmaximum gesamt (=re+li) Beschleunigungskraftstoß Bremskraftstoß Verhältnis von Brems.stoß zu Beschl.stoß 5

6 Durchführung 4 (nach allen Messungen) Am Ende der Messungen die Messdaten, das Testprotokollbzw. die Screenshots auf USB Stick speichern 6