2 Untersuchungsziele der Biomechanik des Sports

Universität Augsburg, Bewegungs- und Trainingswissenschaft
Prof. Dr. Norbert Olivier,
Sprechstunde nach Anmeldung bei Frau Ewert, Zimmer 2108, Tel.: 0821/598-2808, vormittags Di. – Fr.
Email: [email protected]
Skript zur Vorlesung Bewegungswissenschaft I, „Grundlagen der Bewegungswissenschaft“
I
Bewegungsanalyse
I.1
Biomechanische Bewegungsanalyse
1
2
3
3.1
3.2
3.3
3.4
Definition der Biomechanik des Sports
Untersuchungsziele der Biomechanik des Sports
Biomechanische Merkmale und Meßmethoden
Überblick
Biokinematische Merkmale (Auswahl)
Biodynamische Merkmale (Auswahl)
Körperschwerpunktbestimmung
1
Definition der Biomechanik des Sports
“wissenschaftliche Disziplin, die die sportliche Bewegung unter Verwendung von Begriffen, Methoden
und Gesetzmäßigkeiten der Mechanik beschreibt und erklärt“.
(BALLREICH 1988a, 2)
anders:
(GUTEWORT 1993, 39-46)
2
Untersuchungsziele der Biomechanik des Sports
(nach BALLREICH 1988b, 13)
2
3
Biomechanische Merkmale und Meßmethoden
3.1 Überblick
(PREIß 1988, 55)
Bezeichnung
Symbol
Einheit
Zeit
Länge
Masse
Winkel
Massenträgheitsmoment
Frequenz
Geschwindigkeit
Beschleunigung
Winkelgeschwindigkeit
Winkelbeschleunigung
Impuls
Kraft
Kraftstoß
Arbeit
Drehimpuls
Drehmoment
Drehmomentstoß
Energie
Leistung
t
s
m

J
f
v
a


p
F
p
W
L
M
L
E
P
[s]
[m]
[kg]
[rad], [°]
[kgm2]
[1/s]
[m/s]
[m/s2]
[1/s]
[1/s2]
[kgm/s]
[N]
[Ns]
[Nm]
[kgm2/s]
[Nm]
[Nms]
[J]
[W]
(PREIß 1988, 56)
3.2 Biokinematische Merkmale (Auswahl)
Geschwindigkeit
v
[m/s]
Abfluggeschwindigkeit vertikal beim Hochsprung (H = 2,15m)
Anlaufgeschwindigkeit zum Handstützüberschlag am Pferd
Abfluggeschwindigkeit beim Weitsprung (W = 8m)
Abwurfgeschwindigkeit beim Speerwurf (W = 70m)
(modifiziert nach PREIß 1988, 60)
durchschnittliche
Werte [m/s]
5
7,5
9,5
27
3
(HOCHMUTH 1982, 18)
vm  s2  s1  s
t 2  t1 t
v  lim
t  0
m
 s 
s  ds
t dt
Intrazyklischer Geschwindigkeit-Zeit-Verlauf des Hüftpunktes beim Kraulschwimmen (nach REISCHLE 1988)
4
Zusammenhang von Weg-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungs-Zeit-Verläufen (Sonderfall) (nach HOCHMUTH 1982, 29)
tn 1
Sn  1  Sn 
 v ( t )dt
tn
tn 1
Vn  1  Vn 
 v(t )dt
t t1n
vn
 1
 vn 
 vt  dt
tn
Weg-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsdiagramm (allgemeiner Fall) (nach HOCHMUTH 1982, 31)
5
Winkel
durchschnittlicher Wert
[°]
[rad]
Neigung der Rumpfachse bei Beginn des Speer-Abwurfes
Abflugwinkel beim Kugelstoßen (W = 20m)
minimaler Kniegelenkwinkel des Stoßbeines beim Kugelstoßen
-26
37
90
-0,45
0,65
1,57
(nach PREIß 1988, 63)
Winkel 
Kreisbogen
Radius
1 rad  1
(PREIß 1988, 63)
Translation und Rotation (nach HOCHMUTH 1982, 17)
Körperbezogene Winkel am Beispiel eines Läufers (PREIß 1988, 63)
m
m
m 1 
 m  1  1
6
3.3 Biodynamische Merkmale (Auswahl)
Ausgewählte Merkmale von Masse, Kraft, Impuls und Kraftstoß
Masse m [kg]
durchschnittlicher Wert [kg]
Kugelmasse (Männer)
durchschnittliche Körpermasse einer Stichprobe von 100 Turnern
Hantelmasse (Olympiasieg 1984 Schwergewicht Zweikampf Stoßen und Reißen)
Kraft F [F]
7,257
61,78,4
412,5
durchschnittlicher Wert [N]
Maximalkraft beim Weitsprung – Absprung (m = 100kg, W = 7,50m)
Maximalkraft an einem Ring bei der Riesenfelge (m = 60kg)
12000
2500
Impuls p [kg m/s]
durchschnittlicher Wert [kg m/s]
Abflugimpuls der Männerkugel (W = 22m)
Absprungimpuls eines Weitspringers (m = 100kg, W = 8m)
100
950
Kraftstoß p [Ns]
durchschnittlicher Wert [Ns]
Horizontaler Kraftstoß beim Weitsprung – Absprung (Beschleunigungskraftstoß –
Bremskraftstoß W = 7,5m, m = 90kg)
Vertikaler Kraftstoß beim Weitsprung - Absprung (W = 7,5m, M = 90kg)
(modifiziert nach PREIß 1988, 65 – 69)
Kraft:
1N = 1kg m/s2
F
Kraft
=
m
= Masse

a
x
Beschleunigung
Kraftstoß:
Ft=mat
Setzt man für a  t die Endgeschwindigkeit v in die Gleichung ein, folgt:
Ft  mv
kg m 

 N  s  s 
(HOCHMUTH 1982, 37)
(HOCHMUTH 1982, 37)
100
300
7
Kraft-Zeit-Verlauf beim „squat jump“
Kraft-Zeit-Verlauf beim Stehen
Fz [N]
Fz [N]
t [s]
t [s]
Kraft-Zeit-Verlauf beim „counter movement jump“
Kraft-Zeit-Verlauf beim Tiefgehen in die Hocke
Fz [N]
Fz [N]
t [s]
Kraft-Zeit-Verlauf beim Aufrichten aus der Hocke
Fz [N]
t [s]
t [s]
8
9
F(N)
t(s)
1.
2.
V0z  F  t
m
h

F
m  g 


v0 2
z
2g
Beispiel zur Bestimmung der Sprunghöhe:
1.
2.
Bestimmung der Masse:
921,63N : 9,81m/s2 = 93,95kg
Bestimmung von v0z:
232,07Ns : 93,95kg = 2,47m/s
Bestimmung von h:
(247 m/s)2 : (2x9,81 m/s2) =
6,1009m²/s2 : 19,62 m/s2  0,31m
10
3.4 Körperschwerpunktbestimmung
(BAUMANN 1988, 83)
m  yKSP = m1y1 + m2y2 + m3y3 + ... + m14y14
m  xKSP = m1x1 + m2x2 + m3x3 + ... + m14x14
Daraus ergeben sich die Schwerpunktkoordinaten:
YKSP  1  m1 y1  m 2 y 2    m14y14  1
m
m
XKSP  1  m1x1  m 2 x 2    m14x14  1
m
m
14
my
i i
i 1
14
mx
i
i 1
(BAUMANN 1988, 83 – 84)
Segment
mi in % m
ri in % li
Kopf
Rumpf
Oberschenkel
Unterschenkel
Fuß
Oberarm
Unterarm
Hand
Kopf und Rumpf
Bein
Arm
7
43
14
4,5
1,5
2,7
1,6
0,7
50
20
5
50
44
44
42
44
47
42*
*
bezogen auf die Unterarmlänge
(BAUMANN 1988, 84)
i
11
Literaturverzeichnis:
BALLREICH, R.: Einführung in die Biomechanik des Sports. In: BALLREICH, R. / BAUMANN, W. (Hrsg.):
Grundlagen der Biomechanik des Sports. Probleme Methoden Modelle. Stuttgart 1988a, 112
BALLREICH, R.: Untersuchungsziele der Biomechanik des Sports. In: BALLREICH, R. / BAUMANN, W.
(Hrsg.): Grundlagen der Biomechanik des Sports. Probleme Methoden Modelle. Stuttgart
1988b, 13-54
GUTEWORT, W. / SCHMALZ, T. / W EIß, T. (Hrsg.) 1993.
GUTEWORT, W.: Biomechanik sportlicher Bewegungen als eine der naturwissenschaftlichen
Grundlagen der Sportwissenschaft. In: GUTEWORT, W. / SCHMALZ, T. / W EIß, T. (Hrsg.):
Aktuelle Hauptforschungsrichtungen der Biomechanik sportlicher Bewegungen. Sankt
Augustin 1993, 39-46
HOCHMUTH, G.: Biomechanik sportlicher Bewegungen. Berlin 1982
PREIß, R.: Biomechanische Merkmale. In: BALLREICH, R. / BAUMANN, W. (Hrsg.): 1988, 55-75
REISCHLE, K.: Biomechanik des Schwimmens. Bockenem 1988