Grundlagen der Biomechanik
Was ist Biomechanik 1 Unter Biomechanik versteht man die Mechanik des menschlichen Körpers beim Sporttreiben. 2
Was ist Biomechanik 2 Bewegungen entstehen durch das Einwirken von inneren (Muskelkraft) und äusseren Kräften (z.b. Erdanziehung) auf den Körper. Aus einem Film können Strecken, Winkel, Zeiten, Geschwindigkeiten bestimmt werden (z.b. Schrittlänge, Schrittfrequenz, Kniewinkel, Laufgeschwindigkeit). 3
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. 4
Darstellungsweise 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. Prozent 100 85 70 55 40 25 10-5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Zeit (sec) Weg Geschwindigkeit Beschleunigung 5
Begriffsdefinitionen Jeder Körper hat eine Masse mit der Masseinheit kg. Der Massen- oder Körperschwerpunkt (KS) ist das Zentrum des Körpers. Der KS wird auf Grund der Schwerpunkte der Körperteile ermittelt. Der KS kann je nach Körperhaltung ausserhalb des Körpers liegen. 6
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. Ein Körper bewegt sich nur dann, wenn Kräfte auf ihn wirken. Der Mensch bewegt sich aufgrund seiner Muskelkraft. Ebenso wird dem Wurfgerät durch die Kraft des Sportlers eine bestimmte Geschwindigkeit vermittelt. Jeder bewegte Körper, ob dies ein Sportler oder ein Gerät ist, hat eine Masse und eine Geschwindigkeit und damit einen Impuls. 7
Impuls Der Impuls ist abhängig von der auf den Körper einwirkenden Kraft, proportional zu ihr und hat die gleiche Richtung wie die Kraftwirkung. Beim Weitsprungabsprung resultiert aus den Bremskräften eine kleine horizontale Geschwindigkeitseinbusse. Die relativ hohen Vertikalkräfte führen zusammen mit dem horizontalen Anlaufimpuls zu einem Abflugwinkel von 20 24. Vertikale Kraft Bewegungsrichtung Horizontale Kraft 8
actio = reactio 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. 9
Trägheitsmoment Das Trägheitsmoment ist der Widerstand gegen Rotationsbewegungen. Das Trägheitsmoment ist von der Masse und von der Körperhaltung abhängig. Rotationen entstehen dann, wenn die Kraft nicht am Schwer-punkt eines Körpers, sondern in einem bestimmten Abstand zum Körperzentrum angreift (Drehmoment). Beim Hochsprung führt das beim Absprung produzierte Drehmoment dazu, dass der Körper über der Latte in die horizontale Lage gedreht wird. 10
Hebelwirkung Kraft x Kraftarm = Last x Lastarm Die Kraft der Wadenmuskulatur x den Abstand zum Drehpunkt im Fussgelenk entspricht dem Körpergewicht x dem Abstand vom Vorfuss zum Fussgelenk. Bei einer Vorfussstellung muss die Wadenmuskulatur die Kraft von 2 x das Körpergewicht leisten. 11
Drehmoment Das Resultat eines Drehmoments ist der Drehimpuls (Drall). Er wird bestimmt durch das Trägheitsmoment und die Winkelgeschwindigkeit. Ein Drehmoment vw. bewirkt beim Weitsprung in der Luft einen Vorwärtsdrall und grosse Vorlage bei der Landung. Beim Diskuswerfen ist der Drall des Diskus wichtig um stabil in der Luft zu segeln. 12
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 sind ein Thema bei Kurvenläufen und bei glitschiger Unterlage. 13
Abflug-/ Absprungwinkel Die Erdanziehungskraft verursacht, dass jeder Körper nicht nur eine Masse, sondern auch ein Gewicht hat. Sie bewirkt, dass sowohl der Körper als auch Wurfgeräte wieder auf die Erde zurückkommen. Optimale Abflugwinkel liegen bei den Würfen entsprechend der Segeleigenschaften der Geräte zwischen 33 und 45. Bei den Sprüngen Weit- und Hochsprung sind die optimalen Abflugwinkel 20 24 bzw. 50 55. 14
Anstellwinkel Die Luftkraft wirkt auf den Sportler in Abhängigkeit der Geschwindigkeit und der Angriffsfläche als Antrieb, Widerstand oder Auftrieb. Beim Laufen führt Rückenwind im Normalfall zu einer besseren und Gegenwind zu einer schlechteren Laufzeit. Bei den Wurfdisziplinen Speer- und Diskuswerfen kann man bei Gegenwind auf Grund des Auftriebs weiter werfen, allerdings nur dann, wenn das Gerät mit dem richtigen Anstell- und Ablugwinkel abgeworfen wird. Wurfrichtung Abflugrichtung Luftwiderstand Speer-Anstellrichtung 15
Arbeit / Leistung / Energie Arbeit wird dann verrichtet, wenn aufgrund einer Kraftwirkung ein bestimmter Weg zurückgelegt wird (z.b. Heben einer Hantel). Die Leistung wird definiert als eine in einer bestimmten Zeit verrichtete Arbeit. Arbeit schafft Energie, entweder potentielle Energie (am obersten Punkt der Hantel) oder kinetische Energie (beim Fallenlassen). Weg 16
Biomechanische Prinzipien Prinzip des optimalen (langen) Beschleunigungswegs Prinzip der grossen Anfangskraft Prinzip der optimalen Koordination von Teilimpulsen Prinzip der Gegenwirkung (aktio = reaktio) Prinzip der Impulserhaltung 17
Biomechanische Messgrössen Sprint Entscheidende Komponenten: Schrittlänge (Schnellkraft, Reaktivkraft, Kniehebewinkel ε, Körpervorlage η) Schrittfrequenz (Reaktivkraft, Technik, kurze Bodenkontaktzeit, kleines γ) B. Kunz, August 2011 (Quelle TB 31, Biomechanik der LA, HR. Kunz, 2003) 18
Biomechanische Messgrössen Hürdensprint Entscheidende Komponenten für einen schnellen und kurzen Hürden: Position KSP (Vertikale Verschiebung des KSP HHü) 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) 19