VL Bewegungswissenschaft 4. Die biomechanische
Werbung
VL Bewegungswissenschaft 4. Die biomechanische Betrachtungsweise Biomechanik • • • • • Programm Biomechanik als Disziplin Kinematik in Beispielen Dynamik in Beispielen Die biomechanischen Prinzipien Bilanz Biomechanik Biomechanik Definition Biomechanik untersucht die Strukturen und Funktionen biologischer Systeme aus mechanischer Perspektive Gegenstand der Biomechanik des Sports sind sportliche Bewegungen Aufgaben: Objektive, quantitative Beschreibung und Erklärung (i.S. Zurückführung auf mechanische Ursachen) der Phänomene Biomechanik Das „Bio“ in Biomechanik Mechanische Gesetzmäßigkeiten Idealisierungen (Massepunkt, geometrische Flächen, Körperschwerpunkt, ...) Deterministische Aussagen aber ... Biologische Systeme (Gewebe, Knochen, Muskeln, ...) Ausdehnungen und Wechselwirkungen mit Umwelt Komplexität und Dynamik Grundsätzliches oder vorübergehendes Problem? Biomechanik Anwendungsfelder der Biomechanik Leistungsbiomechanik Technikanalysen Konditionsdiagnostik Anthropometrische Biomechanik Körpermodelle Eignung für Sportarten Präventive Biomechanik Erfassung mechanischer Belastungen Minimierung durch Modifikation von Bewegungen Biomechanische Modellierung Biomechanik Kinematik: Biomechanische Teilgebiete Beschreibung des räumlich-zeitlichen Ablaufes von Bewegungen, z.B. durch Weg, Zeit, Winkel, Geschwindigkeit. Dynamik: Lehre von den Kräften und ihren Wirkungen auf Körper: Kräfte, Impulse, Momente Biomechanik Biomechanische Beschreibungsgrößen Biomechanische Beschreibungsgrößen Kinematische Merkmale Translatorische Merkmale: •Länge •Geschwindigkeit •Beschleunigung Rotatorische Merkmale: •Winkel •Winkelgeschwindigk. •Winkelbeschleunigg. Zeitmerkmale •Zeiten •Teilzeiten •Frequenzen Dynamische Merkmale Translatorische Merkmale: •Masse •Impuls •Kraft •Kraftstoß •Arbeit •Energie •Leistung Rotatorische Merkmale: •Massenträgheitsmoment •Drehimpuls •Drehmoment •Drehmomentstoß Kinematik Biomechanik Weg-Geschwindigkeit-Beschleunigung gleichförmig s v a 0 t t t gleichmäßig positiv beschleunigt s v a 0 t t t gleichmäßig negativ beschleunigt s v a 0 t t t Biomechanik 100m-Lauf Maximalgeschwindigkeit v Geschwindigkeitsverlust Anfangsbeschleunigung Reaktionszeit/Latenzzeit 0 100 m Biomechanik Translatorische Merkmale Merkmal Einheit Golfbeispiel Länge Meter [m] Schlaglänge Lage Meter [m] Haltung im Setup Geschwindigkeit v = Meter pro Sekunde [m/s] Schlägerkopf im Impact Beschleunigung a = Meter pro Sekunde*2 [m/s2] Schlägerkopf im Abschwung Biomechanik Pro Lagemerkmale Golf Proette Biomechanik Schlaglängen im Golf H1 H3 H5 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 PW SW 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 Schlaglängen von Durchschnittsgolfern pro Schläger Biomechanik Geschwindigkeitsmerkmale Golf Biomechanik Zeitmerkmale Merkmal Einheit Golfbeispiel Zeit Sekunde [s] Relation Auf- /Abschwung Frequenz Sekunde-1 [1/s] Spin des Golfballes Biomechanik Zeitmerkmale Golf Teilzeiten bei Golfschlägen 1000 msec 800 288 246 600 400 Abschwung Aufschwung 633 682 50m-Pitch 100m-Pitch 200 0 Biomechanik Spinraten • Kurze Eisen: >200 Hz • Mittlere Eisen: 100-165 Hz • Holz 1: 50-60 Hz Amateure: 61-62 Hz Tour-Pros: 50-52 Hz Tiger Woods: 37 Hz Biomechanik Winkelmerkmale Merkmal Einheit Golfbeispiel Winkel [°] Loft, Verwringung Winkelgeschwindigkeit = /t [°/s] Schwungbahn Winkelbeschleunigung a = /t [m/s2]: Schwungbahn Biomechanik Loft und Länge 70 60 Eisen Loft [°] 50 40 30 Hölzer 20 10 0 0 25 50 75 100 125 150 Länge [m] 175 200 225 250 Biomechanik Winkelmerkmale Golf Biomechanik Verwringung Golf qual. 90 Vorspannung Rumpf 0 Hüftwinkel Schulterwinkel Impact t Biomechanik Verwringung quant. Biomechanik Winkelgeschw./beschl. Golf Biomechanik Messmethoden der Kinematik 1. (Hochfrequenz-) Videoaufnahmen Digitalisierung Rekonstruktion der räuml.-zeitl. Parameter 2. Direkte Messungen z.B. LAVEG, Laserentfernungsmesser alle 0.01 s Abstand zum anvisierten Objekt Biomechanik Illustration Kinematik Dynamik Biomechanik Dynamische Merkmale Merkmal Einheit Golfbeispiel Kraft F [N] Verteilung der Gewichtskraft Kraftstoß F *t [Ns] Impact Impulsänderung m* v [Ns] Impact Biomechanik Dynamik des Impacts Kraftstoß Kraftmaximum während Kontakt: F=9000N Kontaktzeit: t=0.0005s Impulsänderung Masse des Golfballs: m=46g Geschwindigkeitsänderung: v = 200km/h Biomechanik Messmethoden der Dynamik Einsatz von Kraftmeßplattformen Kraftaufnehmer Beschleunigungsaufnehmer F=m*a Biomechanik Illustration Dynamik Die biomechanischen Prinzipien Hochmuth, 1974 Biomechanik Definition, Wesen „Kriterien zur Bewertung der Zweckmäßigkeit von Bewegungen“ Hochmuth, 1974 Keine mechanischen Gesetzmäßigkeiten Keine eindeutigen Vorschriften Biomechanik Die biomechanischen Prinzipien 1. Prinzip der Anfangskraft 2. Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges 3. Prinzip der optimalen Tendenz im Beschleunigungsverlauf 4. Prinzip der zeitlichen Koordination von Teilimpulsen 5. Prinzip der Impulserhaltung 6. Prinzip der Gegenwirkung Biomechanik 1. Prinzip der Anfangskraft Begründung von Ausholbewegungen: Zielbewegung beginnt auf höherem Kraftniveau, wenn Ausholbewegung abgebremst wird Optimalitätseigenschaft: nicht zu viel, nicht zu wenig = optimal Biomechanik F Anfangskraft t0 CMJ SJ t1 t2 t3 t4 t Biomechanik 2. Optimaler Beschleunigungsweg Ziel: hohe Endgeschwindigkeit Optimalitätseigenschaft: nicht zu lang, nicht zu kurz Geradlinig oder stetig gekrümmt Beispiel: Kugelstoßen Biomechanik 3. Opt. Tendenz Beschleunigungsverlauf Ziel hohe Endgeschwindigkeit: größte Beschleunigungen am Ende der Strecke! Beispiele Würfe und Stöße Ziel geringer Zeitverbrauch: größte Beschleunigung zu Beginn der Strecke! Beispiele: Boxen, Fechten Biomechanik 4. Koordination von Teilimpulsen Mechanik: Neuer Impuls, wenn letzter Beweger maximale Geschwindigkeit erzielt hat Teilimpulse unabhängig, Geschwindigkeit additiv Biomechanik: Neuer Impuls, kurz nach Maximum des letzten! Gliederkette, abbremsen des letzten Bewegers verbessert die Beschleunigung des nächsten! „Peitscheneffekt“ Biomechanik Peitscheneffekt im Golf Biomechanik Bilanz: Biomechanische Prinzipien Nützlich zum Hochmuthschen Zweck! Qualitative Aussagen! I.d.R. Optimalitätseigenschaften Keine Gesetze! Keine Theorien! Empirisch teilweise in Frage gestellt! Bilanz Biomechanik Biomechanische Betrachtungsweise • Erfassung des Außenbildes • Kräfte sind keine „Ursachen“ im sportmethodischen Sinne • Praxisrelevanz der Befunde • Abhängigkeit von Meßapparatur • Fragen der Modellbildung Entweder: einfach, abstrakt, mit wenig Erklärungsgehalt Oder: mit viel Erklärungsgehalt, konkret, genau, dann sehr schwierig
