Grundlagen der Biomechanik
Was ist Biomechanik 1 Unter Biomechanik versteht man die Mechanik des menschlichen Körpers beim Sporttreiben. 3
Was ist Biomechanik 2 Bewegungen entstehen durch das Einwirken von inneren (Muskelkraft) und äusseren Kräften (z.b. Erdanziehung) auf den Körper. Anhand eines Films können Strecken, Winkel, Zeiten, Geschwindigkeiten bestimmt werden (z.b. Schrittlänge, Schrittfrequenz, Kniewinkel, Laufgeschwindigkeit). 4
Ziele der Biomechanik Fähigkeit entwickeln, Bewegungsabläufe analysieren und verstehen zu können. Fähigkeit entwickeln, Bewegungsabläufe mit Hilfe von technischen und konditionellen Massnahmen korrigieren und optimieren zu können. 5
Kinematik (Bewegungsbeschreibung) Winkel Winkelgeschwindigkeit Weg zurückgelegte Strecke Gesch windigk eit Wegänderung pro Zeit Beschl eunigu ng Geschwindigkeitsänderung pro Zeit Winkelbeschleunigung 6
Prozent Beispiel Bei einem 100-m-Sprint in 10.0 sec. können in einem Diagramm die Laufstrecke, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung dargestellt werden. Der Weg steigt nach dem Start nicht ganz linear an. Die Geschwindigkeit hat nach 5 Sekunden ihr Maximum. Die Beschleunigung ist nach dem Start am grössten. 100 85 70 55 40 25 10 Weg Geschwindigkeit Beschleunigung -5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Zeit (sec) 7
Biomechanische Begriffe und Prinzipien Trägheitsmoment Massenverteilung Drehimpuls Drehmoment Träghei t Masse Impuls Kraft Actio = Reactio Impulserhaltung Drehimpulserhaltung Energieerhaltung 8
Trägheit Jeder Körper hat eine Trägheit. Diese Trägheit äussert sich darin, dass der Körper bestrebt ist, in Ruhe zu verbleiben oder die Bewegung unverändert fortzusetzen. Eine am Boden liegende Kugel bleibt am gleichen Ort liegen. Wirken auf einen bewegten Körper keine Kräfte, bewegt er sich unendlich lange geradeaus. Sendung Einstein SRF, 22.5.2014 9
Trägheit www.leichtathletik.de, Junioren-Gala Mannheim 2014 10
Trägheit 11
Impuls Der Impuls ist proportional zu Geschwindigkeit und der Masse eines Körpers und hat die gleiche Richtung wie die Geschwindigkeit. Eine Krafteinwirkung auf den Körper bewirkt eine Impulsänderung. Abflugwinkel von 20-24 Impuls aus Absprung und Bremsung Impuls aus Anlauf Foto: Tom Finke, www.tomfinke.de 12
Actio = Reactio Jede Kraft bewirkt eine gleich grosse, genau entgegengesetzte Kraft. Kraft von Block auf Sprinter Reactio Kraft von Sprinter auf Block Actio 13
Beispiel Die Reaktionskräfte sind gesamthaft gesehen gleich gross wie die Kraft der an der Bewegung beteiligten Muskeln. Sie haben aber eine entgegengesetzte Richtung (aktio = reaktio). Das schnelle Heben des Oberkörpers nach der Hürdenüberquerung bewirkt ein schnelles Bodenfassen des Schwungbeines. Durch einen aktiven Muskeleinsatz bei der Landung ist die Reaktionskraft am Boden gross und der KS bleibt hoch. 14
Rotationen Rotationsbewegungen entstehen, wenn eine Kraft nicht im Schwerpunkt eines Körpers angreift (Drehmoment). Drehachse Kraftrichtung Abstand vom Schwerpunkt Foto: Kenny Beele, www.trainload.de 15
Trägheitsmoment Das Trägheitsmoment ist der Widerstand gegen Rotationsbewegungen. Das Trägheitsmoment ist von der Masse und von der Körperhaltung abhängig. 16
Beispiel Foto: Hansjörg Brunhart, www.deinsportmoment.ch 17
Äussere leistungsbeeinflussende Kräfte Die Erdanziehungskraft und damit das Körpergewicht sind abhängig von der Höhe über Meer. Auf Meereshöhe ist jeder Körper schwerer als in grosser Höhe. Der Luftwiderstand ist in der Höhe geringer als im Flachland. Deshalb sind in Höhenlagen im anaeroben Bereich bessere Leistungen möglich. Reibungskräfte spielen eine zentrale Rolle, sie ermöglichen uns überhaupt eine Fortbewegung (actio=reactio). Auf einer nassen Unterlage sind sie geringer. 18
Arbeit und Energie Arbeit wird dann verrichtet, wenn eine Kraft entlang eines Weges wirkt (z.b. Heben einer Hantel, Ziehen eines Schlittens). Arbeit ist Energie, die mechanisch auf einen Körper übertragen wird. Die mechanische Energie eines Körpers kann kinetisch oder potentiell sein. Verrichtet ein Körper Arbeit, so findet eine Energieumwandlung statt. Im Idealfall (keine Reibungskräfte) bleibt die mechanische Energie in einem solchen Ablauf konstant. Weg 19
Beispiel Kinetische Energie des Springers ( Geschwindigkeit ) wird über potentielle Energie des Stabes (Stabbiegung, Spannenergie) in potentielle Energie des Springers ( Höhe ) umgewandelt. 20
Beispiel Hebelgesetz Muskelarbeit Arbeit Ball 21
Leistung Leistung ist die pro Zeit verrichtete Arbeit Arbeit: Körper auf Absprunggeschwindigkeit beschleunigen Zeit: 0.1s-0.2s Arbeit: Kugel auf Abstossgeschwindigkeit und Höhe bringen Zeit: 0.1s-0.2s Leistung: Rund 5000 Watt Leistung: Rund 3000 Watt Fotos: Hansjörg Brunhart, www.deinsportmoment.ch Vergleich: Glühbirne 60 Watt (1000 Stunden), Hometrainer 300 Watt (2 min) 22
Biomechanische Messgrössen Sprint Entscheidende Komponenten: Schrittlänge (Schnellkraft, Reaktivkraft, Kniehebewinkel ε, Körpervorlage η) Schrittfrequenz (Reaktivkraft, Technik, kurze Bodenkontaktzeit, kleines Δγ) B. Kunz, August 2011 (Quelle TB 31, Biomechanik der LA, HR. Kunz, 2003) 23
Beispiel 24
Biomechanische Messgrössen Hürdensprint Entscheidende Komponenten für eine schnelle und kurze Hürdenüberquerung: Position KSP (Vertikale Verschiebung des KSP ΔHHü) Flacher, schneller Abstoss (optimaler Abstossabstand s1, grosser Abstosswinkel γ2, schneller/hoher Kniehub ε) Schneller Bodenkontakt nach der Hürde (kurzer Landeabstand s2, kleiner Abstosswinkel γ4) B. Kunz, August 2011 (Quelle TB 31, Biomechanik der LA, HR. Kunz, 2003) 25