Biomechanische Gesetze

Nr. 1 „SuS stellen Ergebnisse der Gruppenarbeit und Bezüge zu biom. Gesetzen schriftlich
zusammen.“
Wie schon im Unterricht besprochen ist die Übung C die beste, um möglichst hoch hinaus zu
springen.
Hier gilt zum einen das Prinzip der max. Anfangskraft. Es wird durch den Anlauf eine max.
Endgeschwindigkeit des Körpers erreicht, dieser wird kurz vor dem Abwurf widerrum gestoppt und
somit wirkt auch eine entgegengesetzte Bewegung (wie im Prinzip beschrieben) vor der
Hauptbewegungsrichtung und es entsteht ein Leistungsvorteil.
Vor dem Absprung geht der Springer in die Hocke ? Ausholbewegung und dann wird abgesprungen.
Somit kann im Ganzen eine optimale Anfangskraft entstehen.
Da die ganze Anlaufbewegung geradlinig verläuft, kann eine hohe Endgeschwindigkeit erreicht
werden. Da ebenso eine konstante Kraft durch diesen Anlauf auf die Masse einwirkt, spielt hier auch
das Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges eine wichtige Rolle.
Diese beiden Prinzipen sorgen dafür, das der Springer mit der Übung C am höchsten kommt, denn
hier werden die Kriterien der Prinzipien nicht maximal (vgl. Übung d) sondern optimal erfüllt!
Nr. 2 „Dazu differenzierte Erläuterung der weiteren biom. Gesetze.“
Biomechanische Prinzipien
Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges
Eine konstante Kraft gibt einer Masse eine umso höhere Endgeschwindigkeit,
je länger die Kraft auf die Masse einwirkt.
Das Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges kommt bei bei solchen
sportlichen Bewegungen zum Tragen, die hohe Endgeschwindigkeiten
erfordern (z. B. Würfe/Stöße in der Leichtathletik).
Länge und Richtung des Beschleunigungsverlaufs müssen optimal gestaltet
werden. Optimal bedeutet nicht unbedingt maximale Länge des
Beschleunigungsweges.
Der geometrische Verlauf des Beschleunigungsweges sollte geradlinig oder stetig gekrümmt, nicht
aber weIlenförmig sein. Dementsprechend kann durch mehrfache Drehbewegungen der
Beschleunigungsweg und damit die Endgeschwindigkeit erhöht werden.
Ist der Beschleunigungsweg (sportartspezifisch bedingt) zeitlich oder räumlich begrenzt (Start,
Sprünge mit Anlauf), gilt das Prinzip nicht.
Als Ergänzung zum Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges ist das Prinzip der optimalen
Tendenz im Beschleunigungsverlauf formuliert worden:
Bei Sportarten, bei denen es darum geht, schnellstmöglichst Kraft zu entwickeln, müssen die größten
Beschleunigungskräfte am Anfang der Beschleunigungsphase wirksam werden (z.B. Boxen).
Für Sportarten, bei denen eine möglichst hohe Endgeschwindigkeit erreicht werden soll
(leichtathletische Wurfdisziplinen), liegen die größten Beschleunigungskräfte am Ende der
Beschleunigungsphase (Zeichnung).
Prinzip der max. Anfangskraft
Das biomechanische Prinzip der Anfangskraft spielt vor allem bei Wurf und Sprungbewegungen eine
bedeutende Rolle, bei denen eine maximale Endgeschwindigkeit des Körpers oder eines Sportgerätes
erreicht werden soll. Dieses Prinzip besagt, dass eine einleitende Bewegung entgegengesetzt der
Hauptbewegungsrichtung einen Leistungsvorteil bewirkt. Die in der älteren Literatur häufige
Bezeichnung als Prinzip der maximalen Anfangskraft wird in der neueren Sportwissenschaft nicht
mehr verwendet, da es bei dieser entstehenden Anfangskraft nicht um einen maximalen, sondern um
einen optimalen Kraftstoß handelt.
Wie entsteht diese Anfangskraft
Wird der Hauptbewegung eine Bewegung entgegengesetzt der eigentlichen Richtung vorgeschaltet,
muss diese Bewegung abgebremst werden. Durch dieses Abbremsen entsteht ein Kraftstoß
(Bremskraftstoß). Dieser kann für die Beschleunigung des Körpers oder des Sportgerätes dann
genutzt werden, wenn die Hauptbewegung unmittelbar auf diese „Ausholbewegung“ folgt.
Erläuterung zum Prinzip der Anfangskraft
Die Abbildung verdeutlicht das Prinzip der maximalen Anfangskraft an einem Beispiel auf einer
Kraftmessplatte.
Ein Sportler wirft mit gestreckten Armen einen
Medizinball nach oben. Anfangs befindet sich der
Sportler im ruhigen Stand auf der der Messplattform. Die
Waage zeigt das Körpergewicht [G] an (Das Gewicht
des Mediballes wird vernachlässigt. Im Zeitpunkt [A]
geht der Proband in die Knie. Die Messplatte zeigt einen
niedrigeren Wert an. Die Fläche [X] zeigt den negativen
Kraftstoß, der dem Bremskraftstoß [y] entspricht.
Unmittelbar auf diesen Bremskraftstoß erfolgt der
Beschleunigungskraftstoß. Die Kraft [F] wirkt auf den
Mediball. Auf der Messplattform ist ein größerer
Messwert erkennbar. Für die optimale Kraftentfaltung sollte das Verhältnis von Bremskraftstoß zu
Beschleunigungskraftstoß etwa eins zu drei betragen.
Prinzip der Koordination von Teilimpulsen
Ein Impuls ist der Bewegungszustand in Richtung und Geschwindigkeit [p=m*v]
Bei diesem Prinzip gilt es wieder zu unterscheiden in Koordination von der gesamten Körpermasse
(Hochsprung) oder der Koordination von Teilkörpern (Speerwurf). Im engen Zusammenhang mit den
koordinativen Fähigkeiten (speziell Kopplungsfähigkeit) müssen alle Teilkörperbewegungen/
Teilimpulse zeitlich, räumlich und dynamisch koordiniert werden. Am Beispiel Aufschlag im Tennis wir
dies gut erkennbar. Der Tennisball kann nur dann eine hohe Endgeschwindigkeit erreichen (230 km/h)
wenn die gesamten Teilimpulse zeitlich unmittelbar aufeinander folgen. Das Resultat der hohen
Zuschlagbewegung beim Aufschlag beginnt mit dem Strecken der Beine, daraufhin erfolgt eine
Drehung des Oberkörpers und die eigentliche Zuschlagbewegung des Armes. Die einzelnen
Teilimpulse werden bei ökonomischer Ausführung addiert. Des Weiteren ist zu beachten, dass die
Richtungen der einzelnen Teilimpulse gleichgerichtet sind. Hierbei muss wieder ein Kompromiss
zwischen anatomischen und mechanischen Gesetzmäßigkeiten gefunden werden.
Prinzip der Gegenwirkung
Das Prinzip der Gegenwirkung als eines der biomechanischen Prinzipien basiert auf das dritte
Newtonsche Gesetz der Gegenwirkung. Es besagt, dass eine entstandene Kraft immer auch eine
entgegengesetzte Kraft von gleicher größer in entgegengesetzter Richtung erzeugt. Die Kräfte, die auf
die Erde übertragen werden, können aufgrund der Masse der Erde vernachlässigt werden. Beim
Gehen wird gleichzeitig zum rechten Fuß, der linke Arm nach vorne gebracht, da der Mensch in der
horizontalen keine Kräfte auf die Erde übertragen kann. Ähnliches ist beim Weitsprung zu
beobachten. Der Athlet bewirkt durch das nach vorne bringen des Oberkörpers gleichzeitig ein
Anheben der unteren Extremitäten und verschafft sich somit Vorteile in der Sprungweite.
In Anlehnung an diesem Prinzip erfolgt das Prinzip des
Drehrückstoßes. Als Beispiel kann man vorstellen, man steht
vor einem Abhang. Bekommt der Oberkörper Vorlage, so
beginnen die Arme nach vorne zu kreisen, um einen Impuls auf
den Oberkörper zu erzeugen. Da die Masse der Arme geringer
ist als die des Oberkörpers, müssen diese in Form von schnellen
Kreisen erfolgen.
Prinzip der Impulserhaltung
Zur Erläuterung dieses Prinzip analysieren wir einen Salto mit gestreckter und gehockter
Körperhaltung. Die Achse um die der Turner einen Salto springt, bezeichnet man als
Körperbreitenachse. Bei gestreckter Körperhaltung befindet sich viel Körpermasse von dieser
Drehachse entfernt. Dadurch wird die Drehbewegung (Winkelgeschwindigkeit) verlangsamt und der
Salto ist nur schwer ausführbar. Werden nun durch Anhocken Körperteile an die Drehachse gebracht,
erhöht sich die Winkelgeschwindigkeit und der Ausführung des Saltos wird vereinfacht. Gleiches
Prinzip gilt auch bei Pirouetten im Eiskunstlauf. Die Drehachse ist in diesem Fall die
Körperlängsachse. Durch das Annähern von Arme und Beine an diese Drehachse erhöht sich die
Drehgeschwindigkeit.
Nr. 3 „Erläuterung des Kraft- Zeitverlaufs I und II. (s. „Aufgaben“!)“
Experiment:
Mensch (70 kg) auf einer Waage, bewegt sich nicht.
Da sich der Mensch nicht bewegt, und somit eine konstante Kraft von 70 kg auf die Masse einwirkt, d.h.
Keine Änderung mit der Zeit, muss die Gerade in dem
Diagramm parallel zur X- Achse verlaufen.
Experiment:
Bewegung
1. Der Verlauf muß auf dem Niveau der Gewichtskraft beginnen (Phase 1) und nach der Bewegung im
Hockstand wieder auf diesem Niveau enden (Phase 4).
2. Durch die Absenkung des Körpers erfolgt eine Reduzierung der Kraft (Phase 2).
3. Danach steigt die Kraft durch das Abbremsen wieder auf das Ausgangsniveau an (Phase 3).
Eine Abbremsbewegung muss über das
ursprüngliche Gewichtskraftniveau hinaus ansteigen,
um eine Abbremsung der
Bewegung zu erreichen. Daher ist dieser Verlauf in
Phase 3 über das Gewichtskraftniveau
hinausgegangen.
Somit vermindert sich die Kraft bei der
Abbremsbewegung erst, und steigt dann beim
Absprung überdurchschnittlich an.
Experiment:
Schüler geht in die Hocke.
Das Argument, dass zum Abbremsen
der Abwärtsbewegung höhere Kräfte
notwendig sind als die Gewichtskraft,
erweist sich als richtig.
Die größte Abwärtsgeschwindigkeit
zeigt der Körper im Moment, wo die
Kraft -Zeitkurve wieder die Gewichtskraft
erreicht. Um diese
Geschwindigkeit abzubremsen sind
entsprechend hohe Kräfte über der
Gewichtskraft notwendig.
Schüler steht aus der Hocke wieder auf.
Auch hier findet sich ein vierphasiger
Verlauf, der zunächst auf
Gewichtskraftniveau beginnt, dann
darüber ansteigt, ehe er unter das
Gewichtskraftniveau abfällt und dann
wieder auf der Gewichtskraft endet. In der
zweiten Phase steigt die Geschwindigkeit
des Körpers,
in der dritten wird sie wieder reduziert und
auf null abgesenkt (Phase 4). Wir finden
also in Analogie zur Abwärtsbewegung
einen
ähnlichen Verlauf.
Experiment: Aus der Hockposition steht
ein Schüler auf und bleibt aufrecht auf der
Waage stehen.
Der obige Verlauf in dem Diagramm ist der richtige und die Analogie trifft zur Abwärtsbewegung zu.
Experiment:
Squat Jump (SJ). Es handelt sich hier um einen Strecksprung aus der statischen Hockposition.
Erfolgt die Landung wieder auf der Waage,
steigt im Landemoment die Kraft stark an und
reduziert sich dann auf Gewichtskraftniveau.
Zur Bestimmung der Flughöhe kann man auf
zwei Verfahren zurückgreifen. So kann man
zum einen aus dem im Absprung erzeugten
Kraftstoß die Höhe ermitteln zum anderen aus
der Flugzeit, also der Dauer zwischen Abflug
und Landung auf der Messplattform.
Der Kraftstoß ist identisch mit der Fläche unter
der Kraft -Zeitkurve. Je größer diese Fläche ist,
desto höher ist die
Abfluggeschwindigkeit v und damit auch die
Flughöhe.
F*t=m*v
(Kraftstoß) (Impuls)
Flugzeitbestimmung:
Über eine Videoaufnahme können wir aber bis auf 2/100 s (Jogshuttle) genau die Flugzeit bestimmen.
h = 1/2 g * (t)2
(g = 9,81 m/s2; t = Flugzeit in Sekunden)
Die verwendete Formel beschreibt den freien Fall eines Gegenstandes aus einer bestimmten Höhe.
Experiment:
Countermovement Jump. Hierbei handelt es sich um einen Sprung mit Ausholbewegung. Er beginnt
mit dem aufrechten Stand an den sich eine dynamische Ausholbewegung anschließt. Nach einer
Bewegungsumkehr erfolgt der Absprung nach oben.
Zunächst erkennt man den ruhigen Stand auf der Plattform am parallelen Verlauf zur Zeitachse, die
Kraft befindet sich auf
Gewichtskraftniveau. Mit Beginn der Ausholbewegung fällt die Stützkraft ab und die Geschwindigkeit
nimmt zu (Phase 1). Ab dem unteren Umkehrpunkt reduziert sich die Geschwindigkeitszunahme
(Phase 2) und sobald die Kurve die Gewichtskraft erreicht, erfolgt
die Abbremsung der Abwärtsbewegung (Phase 3). Erst dann wird der tiefste Punkt der
Ausholbewegung erreicht. Zu diesem Zeitpunkt finden wir Kraftwerte die deutlich über
Gewichtskraftniveau liegen. Die folgende Streckbewegung der Beine erzeugt einen weiteren
Anstieg der Kraft und endet mit dem Abflug von der Platte. Die Stützkraft sinkt dann auf Null ab. Eine
Beschleunigung des Körpers erfolgt aber nur bis zu dem Zeitpunkt an dem die Kraft -Zeitkurve das
Gewichtskraftniveau erreicht (Phase 4). Darunter reicht die Kraft nicht mehr aus, um einer weitere
Beschleunigung zu bewirken (Phase 5).
Somit ist ganz klar zu erkennen, dass durch die Bremsbewegung, am meisten Kraft produziert werden
kann ? Prinzip der max. Anfangskraft.
Aufgabe zur maximalen Anfangskraft
Erläutern Sie die Kraft-Zeitdiagramme.
Die Waage zeigt anfangs das Körpergewicht [G] an (Das Gewicht des Balles wird vernachlässigt). Im
Zeitpunkt [A] ist der Proband in der Knie. Durch das Hochkommen wird ein
Beschleunigungskraftstoß [F] auf den Ball ausgeübt. Die Kraft ist beim direkten Hochkommen am
größten (? max. Gegenbewegung) und bleibt ab der 3. Phase konstant. Nachdem der Sportler
aufrecht steht sinkt die Kraft wieder, da keine Kraft mehr aus einer entgegensetzter Richtung einwirkt
(Prinzip der max. Anfangskraft). Bei der letzten Phase, dem Abwurf der Balles, sinkt die Kraft [E]
sogar ein bisschen unter G. Dies ist wieder hierdurch erklärbar, das der Sportler komplett aufrecht
steht und der Körper schon fast von dem Schwung der Ausholbewegung abhebt.
Anfangs befindet sich der Sportler im ruhigen Stand auf der der Messplattform. Die Waage zeigt das
Körpergewicht [G] an. Im Zeitpunkt [F1] geht der Proband in die Knie. Die Messplatte zeigt einen
niedrigeren Wert an. Die Fläche [F1] zeigt den negativen Kraftstoß, der dem Bremskraftstoß [A, F2]
entspricht. Unmittelbar auf diesen Bremskraftstoß erfolgt der Beschleunigungskraftstoß. [F3, F] Die
Brems- bzw. Beschleunigungskraft lässt die Kurve in dem Diagramm ansteigen. Wie schon oben
erklärt verläuft die Kurve am Zeitpunkt [E] unter der Ausgangskraft.
Für die optimale Kraftentfaltung sollte das Verhältnis von Bremskraftstoß zu
Beschleunigungskraftstoß etwa eins zu drei betragen.
Nr. 4 „Strukturierung der Mechanik“
Die Quellen der Biomechanik
Biomechanik ist Teil der Sportwissenschaft und als eine Grenzwissenschaft im komplexen
Zusammenwirken mit Erkenntnissen anderer Wissenschaften. Ihrerseits arbeitet sie anderen
Wissenschaftsdisziplinen zu.
Bio biologische Grundlagen
Anatomie (Körperbau)
Biologie/Biochemie (Zellen)
Physiologie (Kraftfähigkeit)
Psychologie (nervale Steuerung)
Mechanik mechanische Grundlagen
Physik (mit Teilbereich Mechanik)
Mathematik (Differential- und Integralrechnung)
Biomechanik liefert:
Grundlagen für Trainingslehre (Sportartenspezifik)
Grundlagen für Sportmethodik (Lehrproblematik)
Die Rolle der
Mechanik:
Gesetzte der klassischen Mechanik
Trägheitsgesetz
Ein Körper verharrt in seinem Zustand der gleichförmigen Bewegung solange keine Kraft auf ihn
einwirkt. Beispiel: Ein Fahrzeug steht in Ruhe auf der Straße. Um diesen Zustand zu verändern muss
eine Kraft auf das Fahrzeug wirken. Ist das Fahrzeug in Bewegung wirken äußere aktive Kräfte auf ihn
ein (Windwiderstand und Reibung). Kräfte die ein Fahrzeug beschleunigen können sind Motor und
Hangabtriebskraft.
Beschleunigungsgesetz
Die Änderung der Bewegung ist proportional zur einwirkenden Kraft und geschieht in die Richtung, in
der jene Kraft wirkt. Dieses Gesetzt besagt, dass eine Kraft nötig ist, um einen Körper zu
beschleunigen.
Gegenwirkungsgesetz
Zu einer wirkenden Kraft entsteht immer auch eine entgegengesetzte Kraft von gleicher Größe. In der
Literatur findet man häufig die Bezeichnung von actio = reactio. Dieses dritte Gesetz der klassischen
Mechanik bedeutet, dass die Kraft, die aufgebracht wird um den eigenen Körper oder einen
Gegenstand in Bewegung versetzt, eine Gegenkraft erzeugt.
Begriffsbestimmungen
Körperschwerpunk (KSP)
Trägheit
Kraft F=m*a
Impuls p=m*v
Drehmoment M=F*r
Massenträgheitsmoment
Der Körperschwerpunkt ist derjenige fiktive Punkt, der im, am oder
außerhalb des Körpers liegt. In dem KSP wirken alle einwirkenden
Kräfte gleich. Er ist Angriffspunkt der Schwerkraft.
Bei starren Körpern ist der KSP immer an gleicher Ort und Stelle. Dies
ist bei menschlichen Körpern aufgrund der Verformung jedoch nicht der
Fall.
Ist die Eigenschaft eines Körpers sich einer angreifenden Kraft zu
widersetzen. (Ein schweres Auto rollt bei gleichem Volumen schneller
bergab als ein leichtes).
Kraft bedeutet Masse x Beschleunigung. Eine Wirkende Kraft auf einen
Körper bewirkt eine Ortsveränderung. Daher brauchen schwerere Autos
auch stärkere Motoren um gleich schnell zu beschleunigen.
Der Impuls ist das Resultat von Masse und Geschwindigkeit.
Deutlich wird dies bei einem Aufschlag im Tennis. Ist die Masse
(Gewicht des Schlägers) hoch, muss die Zuschlaggeschwindigkeit nicht
so hoch sein wie bei einem leichten Schläger, um die Gleiche Wirkung
zu erzielen.
Das Drehmoment ist die Wirkung auf einem Körper, die zu einer
Beschleunigung des Körpers um eine Drehachse führt.
Beschreibt die Trägheit bei der Veränderung von Drehbewegungen.
2
I=m*r
Drehimpuls L=I*w
Arbeit W=F*s
Kinetische Energie
Lageenergie
Ist der Drehzustand eines Körpers. Der Drehimpuls entsteht durch eine
exzentrisch wirkende Kraft und resultiert aus dem
Massenträgheitsmoment und der Winkelgeschwindigkeit.
Um einen Körper zu beschleunigen ist Arbeit aufwändig. Definiert als
Kraft, die über eine gewisse Strecke wirkt.
Ist die Energie die in einem bewegten Körper steckt.
Ist die Energie, die in einem angehobenen Körper steckt.