Biomechanik

Biokinematik 

Lehre von den Bewegungen 

ohne Berücksichtigung der 

ursächlichen Kräfte 

Biomechanik 

Biostatik 

Lehre vom Gleichgewicht 

der an einem Körper 

angreifenden Kräfte 

Biodynamik 

Lehre von den Bewegungen der 

Körper unter dem Einfluß der auf 

sie einwirkenden Kräfte 

Biokinetik 

Lehre der von Bewegungen 

hervorgerufenen Kräfte 

03.06.2004 Physik/Biomechanik - 5. Dynamik/Statik 1

Gleichgewichtsbedingungen 

• Auf einen frei beweglichen starren Körper wirkende Kräfte können 

sowohl eine fortschreitende Bewegung (Translation) 

als auch eine Drehbewegung (Rotation) erzeugen. 

• Verharrt ein Körper im Gleichgewicht, und insofern in Ruhe oder 

in einer geradlinig, gleichförmigen Bewegung, dann muss 

a) die Resultierende aller wirkenden Kräfte gleich Null sein 

und zugleich 

b) die Resultierende aller wirkenden Momente gleich Null sein. 

∑ F = 0 

r 

∑ M = 0 

r 


Werkzeugkasten 

für biomechanische Modelle 

1. Kräfte sind Vektoren (Betrag Dimension, Richtung (Wirkungslinie)) 

2. Newtonsche Gesetze (Trägheit, Aktion, Reaktion) 

3. Drehmomentensatz (Hebelgesetz) 

4. Körperschwerpunkt (I. u. II. Schwerpunktsatz) 

5. Mehrkörpersystem (Massenverteilung beim Menschen) 

6. Arbeitsschritte: 

Wahl geeigneter Koordinaten/Ebenen 

in Bezug zum Erdschwerefeld 

Wahl des Drehpunktes / der Drehachse 

Punktum fixum / Punktum mobile 

Lage der Wirkungslinien der zu betrachtenden Kräfte 


F K 

l K 

Hebelgesetz 

03.06.2004 Physik/Biomechanik - 5. Dynamik/Statik 4 

l L 

l K l L 

F K 

Kraft mal Kraftarm = Last mal Lastarm 

zweiseitiger Hebel 

F L 

einseitiger Hebel 

F L

F K 

l K 

zweiseitiger gekröpfter Hebel 

l K 

Hebelgesetz 

F K 

Kraft mal Kraftarm = Last mal Lastarm 


l L 

F L 

einseitiger gekröpfter Hebel 

l L 

F L

Beispielaufgabe 

Hüftgelenk beim Einbeinstand 


Wie groß muss die Kraft der Abduktoren sein um das Becken 

beim Einbeinstand in der Transversalen stabil halten zu können 

(Körpermasse von 90 kg)? Wie groß ist die Gelenklast ? 


Beispiel 


Kraft der Abduktoren 

M. gluteaus medius 

M. gluteaus minimus 

Oberschenkel 

Becken 

Last = Körpergewicht 

- Gewicht eines Beines 

+ Trägheitskraft 

Gelenkbelastung = Kraft der Abduktoren 

+ Last 

Wie groß muss die Kraft der Abduktoren bei einer Körpermasse 

von 90 kg sein ? Wie groß ist die Gelenklast ? 


Beispiel 


⋅ KG 


F 

F 

F 

F 

Abdukt. 

Abduk. 

Gelenk 

Gelenk 

⋅5cm 

= 

= 

= 

= 

2, 

4 

3, 

2 

( 0, 

8⋅ 

KG) 

⋅15cm 

⋅ KG 

( 0, 

8⋅ 

KG) 

+ F 

Abdukt. 

Beim Einbeinstand im Gleichgewicht 

wirken auf das belastete Hüftgelenk 

bei einer 72 kg schweren Person 

2300N ein, also etwa das 3-fache 

Körpergewicht. 

Steht die Person auf beiden Beinen sinkt diese Last auf (0,63 ⋅ KG)/2, also 

etwa 200N ab. (⇒ Abduktorentraining als Vorbereitung zum Alpinskilauf; 

Skistock beim Wandern)

Beispiel 

Messung der Kniestreckkraft 

F Mess 

Wie groß ist die Kraft der Kniestrecker (M. quadriceps) bei 

isometrisch arbeitender Muskulatur im Verhältnis zur Messkraft ? 


Kniestreckung 


Kniestreckung 


F Last 

Lastarm 


Kraftarm 

F Kraft 

Kniestreckung 

Kniestreckung

Kniebelastung 

bei unterschiedlichem Beugungswinkel 

Wie groß ist die Andruckkraft (F horiz. ) 

der Kniescheibe? 

Körpermasse: 70kg; Kniebeugung: 40° 

Abst. DP-KSP: 18cm Abst. DP-KS: 6cm 

Kapandji: Funktionelle Anatomie der Gelenke. 

Stuttgart: Enke 1992 

Fechner: Medizinische Physik S. 61 


Kniebelastung 


Wirhed: Sport-Anatomie und Bewegungslehre. 

Stuttgart: Schttauer 1994 


Kniebelastung 


F Quadriceps 

F horiz. 

F Quadriceps 


F horiz. 

Kniebelastung 


F Quadriceps 

⋅700N 

( 40° 

) 


F 

F 

F 

F 

F 

Quad. 

horiz. 

horiz. 

hotiz. 

horiz. 

= 

= 

= 

= 

= 

Wie groß ist die 

Andruckkraft (F horiz. ) 

der Kniescheibe? 

Körpermasse: 70kg 

Kniebeugung: 40° 

Abst. DP-KSP: 18cm 

Abst. DP-KS: 6cm 

0, 

43⋅ 

G ⋅18 

1, 

29 

1, 

29 

0, 

88 

0, 

88 

⋅G 

⋅sin 

⋅ 

0, 

34 

⋅G 

6 

= 

⋅2 

⋅G 

1, 

29 

2 

⋅2 

≈ 600N 

⋅G

Kniebelastung 

„Die Bremsfunktion der Kniescheibe“ 


„Null-Bock-Haltung“ 

Biomechanische funktionelle Aspekte der BWS (1) 

ökonomische 

Haltung 

• Die Kyphosierung der BWS entlastet 

die LWS wesentlich. 

• Energieersparnis durch Ökonomisierung 

der aufrechten Haltung. 

• Die Länge des Hebelarmes der Schwerlinie 

des Thorax mit der daraus folgenden 

Lagerkraft, ist maßgeblich vom 

Kyphosegrad und der Körperhaltung 

abhängig. 

• verstärkte Kyphosierung durch: 

•Haltungsschwäche (Hohlrundrücken) 

•strukturbedingt bei Synostosierung 

einzelner Wirbelkörper 

(M. Bechterew, M. Forestier) 

•allg. Festigketisabnahme des 

Knochengewebes (Osteoporose) 





20-30% aller Arbeitsunfähigkeiten und vorzeitigen Erwerbsunfähigkeiten in 

Deutschland erfolgen aufgrund von Wirbelsäulenbeschwerden. 

„Fernsehhaltung“ „Stammtischhaltung“ 



Die Wirbelsäule hat als bewegliche Stütze die Aufgabe die gesamte Last der oberen Körperhälfte auf den Beckengürtel zu übertragen. Aufgrund 

dieser anatomischen Verhältnisse befindet sie sich in einem ständigen labilen Gleichgewicht, das durch kurze und lange Muskelzüge auf der 

Rückenseite sowie durch die Bauchmuskulatur, den Lendenmuskel und die Rippenhalter, die alle auf der Vorderfläche des Rumpfes liegen, aufrecht 

erhalten wird (TITEL 1958, 100). MOLLIER (1938) und BENNINGHOFF (1954) verglichen die Sicherung der aufrechten Haltung beim Menschen 

durch Muskelzüge mit der Verspannung eines Schiffsmastes. 


Beispiel - Heben einer Last 

Berechnen Sie die 

Belastung eines 

Hüfgelenkes (statische 

Betrachtung) in den 

beiden Fällen. 

KG = 70kg 


Beispiel - Heben einer Last 

Berechnen Sie die Belastung eines Hüfgelenkes (statische Betrachtung) in den beiden Fällen. KG = 70kg 

F 

F 

F 

F 

G 

F 

Last 

Last 

Kraft 

⋅l 

Gelenk 

Gelenk 

Last 

= ( F 

= 98N 

Oberkörper 

∑ 

M 

M 

M 

F 

F 

= 

F 

Last 

35cm 

= 98N 

⋅ = 686N 

5cm 

−2 

= 70kg 

⋅9, 

81ms 

⋅0, 

6 = 412N 

M 

Last 

Kraft 

Kraft 

Gelenk 

≈ 600N 

= 0 

= 

F 

Oberkörper 

= 

= 

F 

M 

Last 

= ( F 

Kraft 

= G 

Kraft 

Last 

Last 

⋅l 

+ G 

⋅l 

Last 

⋅l 

+ M 

l 

+ G 

Oberkörper 

Kraft 

Kraft 


Kraft 

Oberkörper 

= 98N 

⋅ 

⋅l 

= M 

Oberkörper 

Oberkörper 

+ F 

KSP 

Kraft 

) / 2 

( 0, 

55m 

+ 0, 

25m) 

Last 

= 412N 

⋅0, 

25m 

= 103Nm 

+ M 

180Nm 

= = 3600N 

0, 

05m 

+ F 

Kraft 

Oberkörper 

= 

) / 2 ≈ 2000N 

78, 

4 

Nm

Ellenbogenbeugung 

Mit welcher isometrischen Muskelspannung 

(Kraft) arbeitet die Beugemuskulatur des 

Ellenbogens (M. brachialis, M. biceps brachii) 

im gezeigtem Fall (F = 20N) ? 

A) Bei Vernachlässigung des 

Unterarmgewichtes, der Spannung des 

M. brachioradialis und der Antagonisten. 

B) Unter Berücksichtigung des 

Unterarmgewichtes. 

C) Unter Berücksichtigung des 

Unterarmgewichtes, der Spannung des 

M. brachioradialis und der 

Ruhespannung des M. triceps brachii. 



2 Punkte 



N 

N 

N 

F 

m 

N 

m 

F 

l 

F 

l 

F 

Bizeps 

Bizeps 

Drehpunkt 

Hand 

Abst 

Last 

Drehpunkt 

Ansatz 

Abst 

Bizeps 

200 

10 

20 

034 

, 

0 

34 

, 

0 

20 

34 

, 

0 

20 

034 

, 

0 

. 

. 

= 

⋅ 

= 

⋅ 

= 

⋅ 

= 

⋅ 

⋅ 

= 

⋅ − 

− 

A. 

B. 

N 

m 

Nm 

l 

M 

F 

Nm 

m 

N 

N 

M 

m 

kg 

N 

M 

l 

KG 

F 

M 

l 

G 

l 

F 

M 

M 

M 

M 

M 

Drehpunkt 

Ansatz 

Abst 

Bizeps 

Bizeps 

Bizeps 

s 

m 

Bizeps 

Drehpunkt 

Hand 

Abst 

Last 

Bizeps 

Drehpunkt 

Hand 

Abst 

Arm 

Drehpunkt 

Hand 

Abst 

Last 

Bizeps 

Bizeps 

G 

F Arm 

276 

034 

, 

0 

4 

, 

9 

4 

, 

9 

34 

, 

0 

) 

5 

, 

7 

20 

( 

34 

, 

0 

) 

10 

70 

022 

, 

0 

20 

( 

) 

022 

, 

0 

( 

0 

0 

. 

² 

2 

1 

. 

2 

1 

. 

2 

1 

. 

= 

= 

= 

= 

⋅ 

+ 

= 

⋅ 

⋅ 

⋅ 

⋅ 

+ 

= 

⋅ 

⋅ 

⋅ 

+ 

= 

⋅ 

⋅ 

+ 

⋅ 

= 

= 

− 

+ 

= 

Σ 

− 

− 

− 

− 

4 Punkte


N 

m 

Nm 

m 

m 

m 

Nm 

F 

m 

F 

m 

F 

m 

F 

Nm 

Nm 

F 

F 

F 

F 

Annahme 

m 

F 

l 

F 

M 

m 

F 

l 

F 

M 

m 

F 

l 

F 

M 

Nm 

m 

kg 

l 

KG 

M 

Nm 

m 

N 

l 

F 

M 

M 

M 

M 

M 

M 

M 

Bizeps 

Bizeps 

Bizeps 

Bizeps 

Bizeps 

Triceps 

Bizeps 

Radials 

Triceps 

Drehpunkt 

WL 

Anst 

kürz 

Triceps 

Triceps 

Radialis 

Drehpunkt 

WL 

Anst 

kürz 

Radialis 

Radialis 

Bizeps 

Drehpunkt 

Ansatz 

Abst 

Bizeps 

Bizeps 

s 

m 

Drehpunkt 

Hand 

Abst 

G 

Drehpunkt 

Hand 

Abst 

Last 

F 

Triceps 

Radialis 

Bizeps 

G 

F 

Triceps 

Radialis 

Arm 

Arm 

247 

038 

, 

0 

4 

, 

9 

002 

, 

0 

006 

, 

0 

034 

, 

0 

4 

, 

9 

0 

02 

, 

0 

03 

, 

0 

034 

, 

0 

6 

, 

2 

8 

, 

6 

; 

: 

02 

, 

0 

03 

, 

0 

034 

, 

0 

6 

, 

2 

34 

, 

0 

10 

70 

022 

, 

0 

022 

, 

0 

8 

, 

6 

34 

, 

0 

20 

0 

0 

10 

1 

5 

1 

10 

1 

5 

1 

. 

. 

. 

. 

. 

2 

1 

² 

. 

2 

1 

. 

= 

= 

− 

+ 

= 

= 

⋅ 

+ 

⋅ 

− 

⋅ 

− 

+ 

= 

= 

⋅ 

≈ 

⋅ 

= 

⋅ 

≈ 

⋅ 

= 

⋅ 

= 

⋅ 

= 

= 

⋅ 

⋅ 

⋅ 

⋅ 

= 

⋅ 

⋅ 

⋅ 

= 

= 

⋅ 

= 

⋅ 

= 

= 

+ 

− 

− 

+ 

= 

Σ 

− 

− 

− 

− 

− 



C. 

8 Punkte

Biomechanik

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