Mechanisches Gleichgewicht

1.5 Mechanisches Gleichgewicht
Beispiel Tauchen: Auch beim Tauchen lassen sich
die viele der besprochenen Aspekte beobachten, z. B.
Austarieren im Wasser mit Bleigürteln und Tarierweste; Bedeutung des Umgebungsdrucks in den unterschiedlichen Tiefen:
T Lungenvolumen (Gerätetauchen / Freitauchen,
Schnorcheln Boyle-Mariotte-Gesetz.
1.5
Mechanisches Gleichgewicht
1.5.1
Schwerpunkt, Schwerelinie und
Unterstützungsfläche
T
T
T
43
Barotrauma (Lunge, Ohr),
Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten (proportional zum Partialdruck, Gesetz von Henry),
Schnorchellänge (30 cm; max. 70 cm Wassertiefe;
Unterdruck, Totraum).
Als Schwerpunkt wird der Punkt eines Körpers
bezeichnet, in dem man sich dessen Gewicht oder
dessen Masse vereinigt denkt. Vielfach wird er
auch Massenmittelpunkt genannt.
Schwerpunkt = Massenmittelpunkt
Greift eine Kraft direkt im Schwerpunkt eines Körpers an, so erfolgt keine Drehbewegung (s. Drehmoment, S. 29). Bei symmetrischen Gegenständen mit
homogener Dichte fällt dieser Schwerpunkt mit
dem Symmetriezentrum zusammen, so z. B. bei
einer Kugel. Der Schwerpunkt muss aber nicht
unbedingt im Inneren eines Körpers liegen
(Abb. 1.72).
Abb. 1.73 Während des Bückens kann der Schwerpunkt außerhalb des Körpers liegen.
einen Einfluss auf die Lage des Körperschwerpunktes.
Schwerpunkt bestimmen
Abb. 1.72 Der Schwerpunkt kann bei einem Ring oder bei einem
Winkel außerhalb der Körpers liegen.
Besteht ein Gegenstand aus mehreren spezifisch
unterschiedlich schweren Materialien – ist er inhomogen – verschiebt sich der Schwerpunkt aus der
geometrischen Mitte je nach Verteilung der Massen.
Bei beweglichen Körpern, wie z. B. beim menschlichen Körper, ändert der Schwerpunkt fast ständig
seine Position durch die Bewegung von Armen oder
Beinen, des Kopfes oder Rumpfes (Abb. 1.73). Selbst
die pulsierende Verschiebung von Blutvolumen hat
Wird ein frei beweglicher Körper an einem Faden
aufgehängt, liegt der Schwerpunkt stets senkrecht
unter dem Aufhängepunkt (Wirkung der Schwerkraft). Durch das Aufhängen an unterschiedlichen
Körperpunkten kann die räumliche Position des
Schwerpunktes durch den Schnittpunkt dieser
Linien (Lote) ermittelt werden.
Dies kann mit einem Stück Karton, das an verschiedenen Ecken leicht drehbar zwischen den Fingern gehalten oder besser noch an einer Nadel
(Drehachse) aufhängt wird, leicht nachvollzogen
werden. Ähnlich wurden bereits im 19. Jahrhundert
die Schwerpunkte einzelner menschlicher Körperteile und des gesamten Körpers bestimmt. Dazu
wurden eingefrorene Leichenteile verwendet
(Braune und Fischer, 1889). Eine andere Möglichkeit, den Schwerpunkt eines Gegenstandes heraus-
Hüter-Becker/Dölken, Biomechanik, Bewegungslehre, Leistungsphysiologie, Trainingslehre (ISBN 3131368616), © 2005 Georg Thieme Verlag
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1 Biomechanik und Bewegungslehre
zufinden, ist die Verwendung einer Art Wippe: Der
Körper wird so lange verschoben, bis der Schwerpunkt sich genau über der Drehachse befindet. Dann
wird genau wie beim Aufhängen in jeder Ebene eine
Senkrechte erhalten, die sich räumlich gesehen im
Schwerpunkt schneiden. – Beide Verfahren lassen
sich in der Praxis nicht so leicht umsetzen. Heute ist
es möglich, über dreidimensionale Computermodelle und unter Berücksichtigung der Gewebedichten, Körper- und Teilschwerpunkte rechnerisch zu
ermitteln.
Der Schwerpunkt ist also ein fiktiver Punkt; er ist
stellvertretend für unendlich viele Massenelemente
des Körpers, die der Wirkung von Einzelkräften ausgesetzt sind. Da diese Teilkräfte alle die gleiche
Richtung (zum Erdmittelpunkt), aber verschiedene
Angriffspunkte (das jeweilige Massenelement)
innerhalb des Körpers haben, drehen sie den Körper
so lange, bis er sich im Gleichgewicht befindet. Die
Summe (Resultierende) dieser Teilkräfte greift dabei
in einem Punkt an, dem sogenannten Schwerpunkt.
Schwerpunkt verlagern kann, und zwar gerade so,
dass er das Kippen dann durch Vorwärtsbewegung
eines Beines aufhält.“ (Kamke u. Walcher 1994).
Unterstützungsfläche
Durch das Vorsetzen des Beines verändert sich
die Größe und Lage der Unterstützungsfläche so,
dass der Körperschwerpunkt immer über ihr liegt,
die Schwerelinie also immer durch sie verläuft.
Die Unterstützungsfläche (Standfläche) ist die von den
Auflagepunkten eingerahmte Fläche – nicht nur die
jeweilige Auflagefläche und auch nicht die Summe der
Berührungsflächen.
Unterstützungsfläche
(Abb. 1.75).
=
eingerahmte
Fläche
Die Wirkungslinie dieser resultierenden Kraft wird
Schwerelinie genannt.
Schwerelinie
Die Schwerelinie ist somit die gedachte Verbindungslinie vom Schwerpunkt des Körpers zum Erdmittelpunkt (Verbindung der Massenmittelpunkte).
Solange die Schwerelinie durch die Unterstützungsfläche des Körpers geht, wird von Standfestigkeit
gesprochen (Abb. 1.74). Verläuft die Schwerelinie
außerhalb der Unterstützungsfläche, kommt es zur
Kippbewegung – die Wirkungslinien von Gewichtskraft und Stützkraft stimmen nicht überein, es bildet sich ein Kräftepaar, das für die Rotation verantwortlich ist.
Abb. 1.74 Verläuft die Schwerelinie außerhalb der Unterstützungslinie, kippt der Körper.
„Auch das Gehen des Menschen ist die Folge von
Kippungen, die dadurch verursacht werden, dass
der Mensch durch Muskelbewegungen seinen
Abb. 1.75 Die Unterstützungsfläche im Stand.
Die Standfestigkeit kann verbessert werden durch:
T Vergrößerung der Unterstützungsfläche: Veränderung der Beinstellung (breitspuriges Stehen
oder Gehen, verschiedene Ausgangsstellungen,
Einsatz von Gehhilfen (Stock, Rollator).
T Tieferlegen
des Schwerpunktes: (Seitenlage,
Bauch- oder Rückenlage, Automobiltechnik,
„Stehaufmännchen“-Tassen.
T Erhöhung des Gewichtes („Beschweren“).
Zur Schulung des Gleichgewichtsinns wird die
Unterstützungsfläche gezielt verringert mit Hilfe
von Einbeinstand, Zehenstand, Kreisel oder Pezziball. Während sich beim Pezziball die Unterstützungsfläche je nach Auflagefläche (Aufblasdruck)
und Fußstellung ändern kann, bleibt sie beim Kreisel immer nahezu punktförmig, abhängig von der
Unterlage.
Beispiele:
T Stehen auf beiden Beinen (breit, schmal),
T Einbeinstand,
T Einbeinstand an der Wand angelehnt (Wieso können wir auf dem der Wand zugewandten Bein
nicht stehen?),
Hüter-Becker/Dölken, Biomechanik, Bewegungslehre, Leistungsphysiologie, Trainingslehre (ISBN 3131368616), © 2005 Georg Thieme Verlag