SPORTBIOMECHANIK
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<strong>SPORTBIOMECHANIK</strong><br />
1. Einleitung<br />
Definition:<br />
Die Sportbiomechanik ist die Wissenschaft von der mechanischen Beschreibung und<br />
Erklärung der Bewegung im Sport unter Berücksichtigung der biologischen<br />
Bedingungen.<br />
Auch für Bewegungen im Sport gelten die physikalischen/mechanischen Gesetze.<br />
Jedoch ist der menschliche Körper bzw. die Bewegung des menschlichen Körpers<br />
sehr viel komplexer als beispielsweise die Bewegung eines starren Körpers. Daher<br />
reichen für die Beschreibung und Erklärung sportlicher Bewegungen die<br />
mechanischen Gesetze alleine nicht aus, es müssen vielmehr biologische<br />
Komponenten mit berücksichtigt werden.<br />
Aufgaben und Ziele der Sportbiomechanik<br />
1. Leistungsbiomechanik<br />
2. anthropometrische Biomechanik<br />
3. präventive Biomechanik<br />
4. didaktisch-methodisch orientierte Biomechanik<br />
5. Interaktion zwischen Sportler, Gerät und Umwelt<br />
Leistungsbiomechanik<br />
Anthropometrische<br />
Biomechanik<br />
Präventive<br />
Biomechanik<br />
Technikanalyse<br />
Technikoptimierung<br />
Konditionsanalyse<br />
Eignungsdiagnose<br />
Belastungsanalyse<br />
Technikansteuerung<br />
Konditionsansteuerung<br />
Leistungsprognose<br />
Belastungsgestaltung<br />
Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik, Universität Ulm Seite 1 von 9
2. Sportbiologie<br />
Jede Bewegung ist das Resultat der Zusammenarbeit mehrerer Muskeln<br />
(intermuskuläre Koordination). Die Hauptbewegungsmuskeln (Agonisten), die die<br />
eigentliche Bewegung ausführen werden von den Antagonisten unterschieden, die<br />
für die entgegengesetzte Bewegung verantwortlich sind. Der Antagonist ist aber nicht<br />
nur der Gegenspieler, sondern er bremst und dosiert die Arbeit des<br />
Hauptbewegungsmuskels.<br />
Die maximale Kraft eines Muskels ist von der Anzahl seiner Myofibrillen im<br />
physiologischen Querschnitt abhängig. Eine regelmäßige Kraftbeanspruchung führt<br />
zu einer Querschnittsvergrößerung der Muskelfasern (Hypertrophie), die dadurch<br />
zustande kommt, dass die Anzahl der Myofibrillen zunimmt. Eine Vermehrung der<br />
Muskelfasern selbst (Hyperplasie) ist umstritten bzw. nicht eindeutig belegt. Oft<br />
machen wir die Erfahrung, dass im Trainingsverlauf die Muskelkraft deutlich stärker<br />
anwächst, als es nach dem Ausmaß der Querschnittsvergrößerung anzunehmen<br />
wäre. Auch die Schnelligkeit des Kraftzuwachses lässt sich mit einer<br />
Fibrillenneubildung alleine nicht erklären. Diese braucht nämlich wesentlich mehr<br />
Zeit. Die Erklärung liefert aber die Koordination innerhalb des Muskels. Alle Fasern<br />
gleichzeitig zu einer Kontraktion zu bringen ist nicht möglich. Der Höchstwert liegt<br />
unter gewöhnlichen Bedingungen bei etwa 65-70%. In extremen Situationen wie bei<br />
Todesangst oder Doping sind Werte bis zu 90% erreichbar.<br />
Mechanismus des Krafttrainings:<br />
Zuerst kommt es zu einer verbesserten<br />
intramuskulären Koordination, dann<br />
erst folgt die Muskelfaserhypertrophie.<br />
Die kurzfristig eintretende Wirkung<br />
des Krafttrainings ist vor allem in<br />
einer verbesserten Errgegungsübertragung<br />
zu sehen. Die vom<br />
Gehirn willkürlich ausgesandten<br />
motorischen Impulse verlaufen<br />
über zahlreiche Schaltstationen,<br />
wo sie verstärkt oder abgeschwächt<br />
werden können. Die<br />
regelmäßige Wiederholung eines<br />
Erregungsablaufs fördert langfristig<br />
die Verstärkung. Somit gelangt ein<br />
stärkerer Impuls zur motorischen<br />
Einheit, der Schwellenwert wird<br />
eher überschritten und es können<br />
mehr Einheiten innerhalb eines<br />
Muskels überschwellig gereizt<br />
werden. Die Koordination zwischen<br />
den verschiedenen motorischen<br />
Einheiten des gleichen Muskels<br />
bezeichnet man als intramuskuläre<br />
Koordination. Es<br />
lassen sich insgesamt mehr<br />
Fasern willentlich zur Kontraktion<br />
bringen.<br />
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Kontraktionsformen<br />
Isometrisch (haltend-statisch):<br />
Es treten intramuskuläre Spannungsänderungen auf, ohne dass es zu einer<br />
Längenänderung der Muskeln kommt.<br />
Konzentrisch (positiv-dynamisch; überwindend):<br />
Die intramuskuläre Spannung ändert sich und die Muskeln verkürzen sich.<br />
Exzentrisch (negativ-dynamisch; nachgebend):<br />
Es kommt zu Spannungsänderungen und Verlängerung/Dehnung der Muskeln.<br />
Muskelfasertypen<br />
Rote Muskelfaser: langsame, ermüdungsresistente Faser<br />
Intermediärtyp: schnelle, relativ ermüdungsresistente Faser<br />
Weiße Muskelfaser:sehr schnell arbeitende Faser mit kurzfristig hoher Kraftleistung<br />
Ausdauer<br />
Bedeutung des Energiestoffwechsels bei Ausdauerleistungen<br />
Die Energie für sportliche Leistungen wird nicht unmittelbar aus der Nahrung<br />
gewonnen. Das in allen Körperzellen gespeicherte Adenosintriphosphat (ATP) liefert<br />
die notwendige Energie. Zunächst wird das in den Zellen vorhandene ATP genutzt.<br />
Der Körper muss nun dafür sorgen, dass neues ATP bereitgestellt wird. Für die<br />
Resynthese von ATP gibt es drei Varianten. Die Spaltung von Kreatinphosphat, den<br />
anaeroben Abbau von im Muskel gespeichertem Glykogen und den vollständigen<br />
aeroben Abbau von Glukose oder Fettsäuren.<br />
3. Biomechanische Prinzipien im Sport<br />
Bei sportlichen Bewegungen gelten mechanische Gesetze unter Berücksichtigung<br />
biologischer Besonderheiten des menschlichen Körpers. Es ist nicht möglich, aus<br />
einem physikalischen Gesetz unmittelbar einen optimalen Bewegungsablauf zu<br />
konstruieren, da die Bewegung des menschlichen Körpers viel komplexer ist als die<br />
Bewegung von starren Körpern. Deshalb sollte man von biomechanischen Prinzipien<br />
als Leitlinien sprechen. Es sind von Hochmuth verschiedene biomechanische<br />
Prinzipien formuliert worden:<br />
Prinzip der maximalen Anfangskraft<br />
Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges<br />
Prinzip der optimalen Tendenz im Beschleunigungsverlauf<br />
Prinzip der zeitlichen Koordination von Teilimpulsen<br />
Prinzip der Impulserhaltung<br />
Prinzip der Gegenwirkung<br />
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Göhner hat 2001 ein weiteres – das Go-and-Stop-Prinzip formuliert.<br />
Das Prinzip der maximalen Anfangskraft<br />
Dieses Prinzip besagt, dass eine Bewegung, mit der eine hohe Endgeschwindigkeit<br />
erreicht werden soll, durch eine entgegengesetzt gerichtete Bewegung einzuleiten<br />
ist. Durch das Abbremsen der Gegenbewegung (Bremskraftstoß) entsteht eine<br />
Anfangskraft, durch die der Beschleunigungskraftstoß (Impuls) vergrößert wird. Der<br />
Bremskraftstoß muss zum Beschleunigungskraftstoß in einem optimalen Verhältnis<br />
stehen und fließend in ihn übergehen.<br />
Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges<br />
Eine konstante Kraft gibt einer Masse eine umso höhere Endgeschwindigkeit, je<br />
länger die Kraft auf die Masse einwirkt. Länge und Richtung des<br />
Beschleunigungsverlaufs müssen optimal gestaltet werden. Optimal bedeutet nicht<br />
unbedingt maximale Länge des Beschleunigungsweges.<br />
Als Ergänzung zum Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges ist das Prinzip<br />
der optimalen Tendenz im Beschleunigungsverlauf formuliert worden:<br />
Bei Sportarten, bei denen es darum geht, schnellstmöglich Kraft zu entwickeln,<br />
müssen die größten Beschleunigungskräfte am Anfang der Beschleunigungsphase<br />
wirken. Bei Sportarten, bei denen eine möglichst hohe Endgeschwindigkeit erreicht<br />
werden soll, liegen die größten Beschleunigungskräfte am Ende der<br />
Beschleunigungsphase.<br />
Prinzip der Koordination von Teilimpulsen<br />
Jeder Sportler, der sich bewegt (und auch jedes sich bewegende Sportgerät) besitzt<br />
eine Masse und eine Geschwindigkeit, also einen Impuls. Entsprechend haben auch<br />
Teilbewegungen (z.B. Sprungbein, Arme) Teilimpulse. Dadurch wird der Impuls des<br />
Gesamtsystems erzeugt bzw. geändert.<br />
Im Sport werden Bewegungen immer von mehreren Muskeln oder Muskelgruppen<br />
bewirkt. Damit eine effektive Bewegung (hohe Endgeschwindigkeit des Körpers,<br />
eines Körperteils oder eines Sportgerätes) erreicht wird, müssen die Teilaktionen der<br />
verschiedenen Muskeln gut aufeinander abgestimmt sein. So beeinflusst z.B. beim<br />
Hochsprung nicht nur die Aktion des Sprungbeins die Sprungleistung. Auch das<br />
Schwungbein und die Armbewegungen erzeugen Impulse, die für die<br />
Gesamtbewegung wichtig sind und in einem optimalen Verhältnis stehen müssen.<br />
Auch die Richtung der Impulse spielt eine wichtige Rolle. Die Gesamtgeschwindigkeit<br />
ist dann besonders hoch, wenn die Teilimpulse in die gleiche Richtung weisen.<br />
Aufgrund des Baus der menschlichen Gelenke (Rotationsbewegungen) ist die<br />
räumliche Gleichgerichtetheit oft nur bedingt möglich. Bestimmte Bewegungen bzw.<br />
Körperteile erzeugen auch entgegengesetzte Reaktionskräfte.<br />
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Prinzip der Impulserhaltung<br />
Durch Annäherung der Extremitäten an eine Drehachse können Drehbewegungen<br />
ohne Veränderungen des Krafteinsatzes beschleunigt werden. Dies lässt sich mit<br />
dem Prinzip der Impulserhaltung erklären.<br />
Vergrößerung der Winkelgeschwindigkeit<br />
durch Verkleinerung des Trägheitsmoments<br />
infolge der Annäherung<br />
der Masseteile an die Drehachse.<br />
Bei der Riesenfelge ist die Reckstange<br />
die Drehachse.<br />
Prinzip der Gegenwirkung<br />
Das Reaktionsgesetz (3. Newtonsches Gesetz) besagt: wirkt ein Körper A auf einen<br />
Körper B eine Kraft F aus, dann übt Körper B auf Körper A eine gleichgroße, aber<br />
entgegengesetzt gerichtete Kraft F aus.<br />
Bei sportlichen Bewegungen liefert in der Regel die mechanische Umwelt die<br />
Reaktionskraft zur Muskelkraft des Sportlers. Finden Aktionen bestimmter Körperteile<br />
keine Reaktion in der Umwelt (z.B. Flugbewegungen), so sind notwendigerweise<br />
Gegenbewegungen anderer Körperteile die Folge.<br />
Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik, Universität Ulm Seite 5 von 9
Drehrückstoß benötigen wir besonders<br />
bei Bewegungen, bei denen das<br />
Gleichgewicht wiederhergestellt werden<br />
soll. Die Arme können durch das<br />
Schwingen in Gegenrichtung einen Sturz<br />
vermeiden helfen (was meist reflektorisch<br />
geschieht).<br />
Das Go-and-Stop-Prinzip<br />
Hat ein Sportler einem Sportgerät (z.B. Speer) eine große Geschwindigkeit zu<br />
erteilen, dann sind die eingesetzten Körperteile so zu bewegen, dass zum Sportgerät<br />
hin ein sukzessives Beschleunigen und Stoppen stattfindet: dem Sportgerät nahe<br />
liegende Körperteile werden also später auf hohe Geschwindigkeit gebracht als die<br />
dem Sportgerät fernen Körperteile und ebenso nacheinander mit Erreichen ihrer<br />
hohen Geschwindigkeit gestoppt.<br />
Der Speer soll auf eine große<br />
Weite bzw eine hohe Abfluggeschwindigkeit<br />
gebracht werden.<br />
Die betreffenden Körperteile<br />
starten und stoppen ihre<br />
Bewegung zu unterschiedlichen<br />
Zeiten. Die dem Speer entfernt<br />
liegenden Extremitäten beginnen<br />
mit der Bewegung.<br />
4. Bewegungslehre<br />
Bei der morphologischen Betrachtung wird der äußerlich sichtbare Teil der<br />
Bewegung untersucht. Nicht sichtbare Teile der Bewegung sind z.B. auftretende<br />
Kräfte oder innere Steuerungsprozesse der Bewegung.<br />
Was wird bei der morphologischen Untersuchung der Bewegung analysiert?<br />
Einzelaspekte der Bewegung<br />
Längenmerkmale<br />
Winkelmerkmale<br />
Zeitmerkmale<br />
Relationen von Längen-, Winkel- und Zeitmerkmalen<br />
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Untersuchung der Gesamtbewegung<br />
Phaseneinteilung der Bewegung<br />
Bewegungsmerkmale der Gesamtbewegung<br />
Phasenstruktur von Bewegungen<br />
Bei azyklischen Bewegungen wird das Bewegungsziel durch eine einmalige Aktion<br />
erreicht. Die Reihenfolge der Teilbewegungen ist dabei nicht umkehrbar. Die<br />
Bewegung kann in drei Phasen gegliedert werden:<br />
Vorbereitungsphase<br />
Hauptphase<br />
Endphase<br />
Jede Teilbewegung hat eine besondere Funktion im Gesamtablauf. In der<br />
Hauptphase wird das eigentliche Bewegungsziel erreicht.<br />
Vorbereitungsphase (Auftakt):<br />
Die Vorbereitungsphase dient der Schaffung günstiger Voraussetzungen. Durch sie<br />
werden die in der nachfolgenden Hauptphase auszuführenden Aktionen optimal<br />
vorbereitet. Die optimalen Voraussetzungen werden meistens durch eine<br />
„Ausholbewegung“ geschaffen, die der eigentlichen Bewegungsrichtung<br />
entgegengesetzt ist.<br />
Hauptphase (Akzent):<br />
Das Kernstück einer sportlichen Bewegung ist die Hauptphase. Ihre Bedeutung liegt<br />
in der unmittelbaren Bewältigung der entsprechenden Bewegungsaufgabe. Ihre<br />
Funktion ist es, die gestellte Aufgabe zu lösen. Man kann zwei Aufgabentypen<br />
unterscheiden. Der eine Typ umfasst diejenigen Aufgaben, in denen man nur sich<br />
selbst einen Bewegungsimpuls zu erteilen hat, um von der einen zur anderen<br />
Ortsstelle zu kommen (Lokomotion). Beispiel: Weitsprung, Hochsprung. Beim<br />
zweiten Typ steht nicht die Bewegung des eigenen, sondern die eines anderen<br />
Körpers im Vordergrund. Der eigene Körper oder auch nur Teile des eigenen Körpers<br />
müssen so bewegt werden, dass das mit dem Körperteil kontaktierte Objekt in<br />
gezielter Weise bewegt wird. Beispiel: Fußball, Tennis.<br />
Endphase (Abfangen/Abtakt):<br />
Als Endphase bezeichnet man jenen Bewegungsabschnitt, in dem die Aktionen der<br />
Hauptphase in einen Gleichgewichtszustand übergeleitet werden. Dieser<br />
Gleichgewichtszustand kann ein Zustand relativer Ruhe sein oder er kann ein<br />
kurzzeitiges Durchgangsstadium vor dem Beginn einer neuen Bewegung sein.<br />
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Bei zyklischen Bewegungen wiederholen sich gleichartige Teilbewegungen. Der<br />
Bewegungsablauf lässt sich in zwei Phasen einteilen. Es kommt zu einer<br />
Überlagerung von Vorbereitungs- und Endphase (Phasenverschmelzung). Man<br />
bezeichnet die Struktur der Bewegung dann als Hauptphase und Zwischenphase.<br />
Biomechanische Messverfahren (Einteilung nach Messprinzip):<br />
Bei den mechanischen Messverfahren kommt es zu einer direkten Orts-<br />
Zeitmessung. Dies tut man zum Beispiel mit einem Messband (z.B. Weitsprung) oder<br />
einer Stoppuhr (z.B. 100m Lauf). Nimmt man optische Messverfahren zur<br />
Bestimmung biomechanischer Größen, dann erfasst man Ort und Zeit nur indirekt.<br />
Allerdings ist es dabei möglich, dass Bewegungsabläufe in ihrer räumlichen und<br />
zeitlichen Dimension später am Modell analysiert werden können. Die Grundlage für<br />
elektronische Messverfahren bildet die Umwandlung von mechanischen<br />
Messgrößen in elektrische. Denn Kräfte verformen mechanisch Körper und die<br />
mechanische Verformung wird dann in elektrische Signale umgewandelt.<br />
Mechanische Messverfahren:<br />
Optische Messverfahren:<br />
Elektronische Messverfahren:<br />
Folienanalyse<br />
Lichtschranken<br />
Lichtspuraufnahmen<br />
Serienfotographie<br />
Chronofotographie<br />
Videoanalyse<br />
Kraftmessplattform<br />
Dynamometer<br />
Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik, Universität Ulm Seite 8 von 9
ZUSAMMENFASSUNG:<br />
Für die Beschreibung und Erklärung sportlicher Bewegungen reichen die<br />
mechanischen Gesetze alleine nicht aus. Es müssen vielmehr biologische<br />
Komponenten mit berücksichtigt werden.<br />
Bei azyklischen Bewegungen wird das Bewegungsziel durch eine einmalige Aktion<br />
erreicht. Der Bewegungsablauf gliedert sich in Vorbereitungs-, Haupt- und Endphase.<br />
Bei zyklischen Bewegungen wiederholen sich gleichartige Teilbewegungen. Durch<br />
die Überlagerung von Vorbereitungs- und Endphase kommt es zur<br />
Phasenverschmelzung. Analysiert werden Bewegungen mittels mechanischer,<br />
optischer oder elektronischer Messverfahren. Besondere Bedeutung für die<br />
biomechanische Analyse von Bewegungen haben Körperschwerpunkt und<br />
Körperachsen.<br />
Der Muskel setzt sich aus Muskelfaserbündeln zusammen. Jede Muskelfaser besteht<br />
wiederum aus vielen Myofibrillen, deren kleinste funktionelle Einheit das Sarkomer<br />
ist. Bei der Muskelkontraktion gleiten die Aktin- und Myosinfilamente der Sarkomere<br />
ineinander. Training verbessert sowohl das Zusammenspiel zwischen den beteiligten<br />
Muskeln (intermuskuläre Koordination) als auch das der einzelnen Muskelfasern<br />
innerhalb eines Muskels (intramuskuläre Koordination). Es gibt drei verschiedene<br />
Arten der Muskelkontraktion: isometrische, konzentrische und exzentrische<br />
Kontraktion.<br />
Hochmuth und Göhner haben verschiedene biomechanische Prinzipien formuliert,<br />
die für sportliche Bewegungen des menschlichen Körpers gelten. Durch die Kenntnis<br />
und Anwendung dieser Prinzipien können sportliche Bewegungsabläufe optimal<br />
gestaltet werden.<br />
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