Grundlagen der Biomechanik

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Grundlagen der
Biomechanik
Was ist Biomechanik 1
■ Unter „Biomechanik“ versteht man die Mechanik des menschlichen Körpers
beim Sporttreiben.
Bundesamt für Sport
J+S Leichtathletik
C104
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Was ist Biomechanik 2
■ Bewegungen entstehen durch das Einwirken von inneren (Muskelkraft) und
äusseren Kräften (z.B. Erdanziehung) auf den Körper.
■ Anhand eines Films können Strecken, Winkel, Zeiten, Geschwindigkeiten
bestimmt werden (z.B. Schrittlänge, Schrittfrequenz, Kniewinkel,
Laufgeschwindigkeit).
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Ziele der Biomechanik
■ Fähigkeit entwickeln, Bewegungsabläufe analysieren und verstehen zu
können.
■ Fähigkeit entwickeln, Bewegungsabläufe mit Hilfe von technischen und
konditionellen Massnahmen korrigieren und optimieren zu können.
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Kinematik (Bewegungsbeschreibung)
Winkelgeschwindigkeit
Winkel
Weg
zurückgelegte Strecke
Gesch
windigk
eit
Wegänderung pro Zeit
Beschl
eunigu
ng
Geschwindigkeitsänderung pro Zeit
Quelle: Ursula Keller, 2014
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Winkelbeschleunigung
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Beispiel
■ Bei einem 100-m-Sprint in 10.0 sec. können in einem Diagramm die
Laufstrecke, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung dargestellt
werden.
■ Der Weg steigt nach dem Start nicht ganz linear an.
■ Die Geschwindigkeit hat nach 5 Sekunden ihr Maximum.
■ Die Beschleunigung ist nach dem Start am grössten.
100
85
Prozent
70
Weg
Geschwindigkeit
Beschleunigung
55
40
25
10
-5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Zeit (sec)
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Biomechanische Begriffe und Prinzipien
Trägheitsmoment
Drehimpuls
Massenverteilung
Drehmoment
Träghei
t
Impuls
Kraft
Masse
Impulserhaltung
Drehimpulserhaltung
Actio =
Reactio
Quelle: Ursula Keller, 2014
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Energieerhaltung
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Trägheit
Jeder Körper hat eine Trägheit. Diese Trägheit äussert sich darin, dass der
Körper bestrebt ist, in Ruhe zu verbleiben oder die Bewegung unverändert
fortzusetzen.
■ Eine am Boden liegende Kugel bleibt am gleichen Ort liegen.
■ Wirken auf einen bewegten Körper keine Kräfte, bewegt er sich unendlich
lange geradeaus.
Quelle: Ursula Keller, 2014
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Sendung Einstein SRF, 22.5.2014
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Trägheit…
www.leichtathletik.de, Junioren-Gala Mannheim 2014
Quelle: Ursula Keller, 2014
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Trägheit…
Quelle: Ursula Keller, 2014
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Impuls
■ Der Impuls ist proportional zu Geschwindigkeit und der Masse eines Körpers
und hat die gleiche Richtung wie die Geschwindigkeit.
■ Eine Krafteinwirkung auf den Körper bewirkt eine Impulsänderung.
Abflugwinkel von 20°-24°
Impuls aus Absprung
und Bremsung
Impuls aus Anlauf
Foto: Tom Finke, www.tomfinke.de
Quelle: Ursula Keller, 2014
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Actio = Reactio
Jede Kraft bewirkt eine gleich grosse, genau entgegengesetzte Kraft.
Kraft von Block auf Sprinter
„Reactio“
Kraft von Sprinter auf Block
„Actio“
Quelle: Ursula Keller, 2014
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Beispiel
■ Die Reaktionskräfte sind gesamthaft gesehen gleich gross wie die Kraft der
an der Bewegung beteiligten Muskeln. Sie haben aber eine
entgegengesetzte Richtung (aktio = reaktio).
■ Das schnelle Heben des Oberkörpers nach der Hürdenüberquerung bewirkt
ein schnelles Bodenfassen des Schwungbeines.
■ Durch einen aktiven Muskeleinsatz bei der Landung ist die Reaktionskraft
am Boden gross und der KS bleibt hoch.
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Rotationen
■ Rotationsbewegungen entstehen, wenn eine Kraft nicht im Schwerpunkt
eines Körpers angreift (Drehmoment).
Drehachse
Kraftrichtung
Abstand vom Schwerpunkt
Foto: Kenny Beele, www.trainload.de
Quelle: Ursula Keller, 2014
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Trägheitsmoment
■ Das Trägheitsmoment ist der Widerstand gegen Rotationsbewegungen.
■ Das Trägheitsmoment ist von der Masse und von der Körperhaltung
abhängig.
Quelle: Ursula Keller, 2014
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Beispiel
Quelle: Ursula Keller, 2014
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J+S Leichtathletik
Foto: Hansjörg Brunhart, www.deinsportmoment.ch
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Äussere leistungsbeeinflussende Kräfte
■ Die Erdanziehungskraft und damit das Körpergewicht sind abhängig von der
Höhe über Meer.
■ Auf Meereshöhe ist jeder Körper schwerer als in grosser Höhe.
■ Der Luftwiderstand ist in der Höhe geringer als im Flachland.
Deshalb sind in Höhenlagen im anaeroben Bereich bessere Leistungen
möglich.
■ Reibungskräfte spielen eine zentrale Rolle, sie ermöglichen uns überhaupt
eine Fortbewegung (actio=reactio). Auf einer nassen Unterlage sind sie
geringer.
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Arbeit und Energie
■ Arbeit wird dann verrichtet, wenn eine Kraft entlang eines Weges wirkt (z.B.
Heben einer Hantel, Ziehen eines Schlittens).
■ Arbeit ist Energie, die mechanisch auf einen Körper übertragen wird. Die
mechanische Energie eines Körpers kann kinetisch oder potentiell sein.
■ Verrichtet ein Körper Arbeit, so findet eine Energieumwandlung statt. Im
Idealfall (keine Reibungskräfte) bleibt die mechanische Energie in einem
solchen Ablauf konstant.
Weg
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Beispiel
Kinetische Energie des Springers („Geschwindigkeit“) wird über potentielle
Energie des Stabes (Stabbiegung, Spannenergie) in potentielle Energie des
Springers („Höhe“) umgewandelt.
Quelle: Ursula Keller, 2014
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Beispiel
„Hebelgesetz“
Muskelarbeit
Arbeit Ball
Quelle: Ursula Keller, 2014
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Leistung
■ Leistung ist die pro Zeit verrichtete Arbeit
Arbeit: Körper auf Absprunggeschwindigkeit beschleunigen
Arbeit: Kugel auf Abstossgeschwindigkeit und Höhe bringen
Zeit: 0.1s-0.2s
Zeit: 0.1s-0.2s
Leistung: Rund 5000 Watt
Leistung: Rund 3000 Watt
Fotos: Hansjörg Brunhart, www.deinsportmoment.ch
Vergleich: Glühbirne 60 Watt (1000 Stunden), Hometrainer 300 Watt (2 min)
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Biomechanische Messgrössen Sprint
Entscheidende Komponenten:
■ Schrittlänge (Schnellkraft, Reaktivkraft, Kniehebewinkel ε, Körpervorlage η)
■ Schrittfrequenz (Reaktivkraft, Technik, kurze Bodenkontaktzeit, kleines Δγ)
B. Kunz, August 2011 (Quelle TB 31, Biomechanik der LA, HR. Kunz, 2003)
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Beispiel
Quelle: Ursula Keller, 2014
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Biomechanische Messgrössen Hürdensprint
Entscheidende Komponenten für eine schnelle und kurze Hürdenüberquerung:
■ Position KSP (Vertikale Verschiebung des KSP ΔHHü)
■ Flacher, schneller Abstoss (optimaler Abstossabstand s1, grosser
Abstosswinkel γ2, schneller/hoher Kniehub ε)
■ Schneller Bodenkontakt nach der Hürde (kurzer Landeabstand s2, kleiner
Abstosswinkel γ4)
B. Kunz, August 2011 (Quelle TB 31, Biomechanik der LA, HR. Kunz, 2003)
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Biomechanische Messgrössen Dreisprung
Biomechanische Komponenten:
•
•
•
•
•
•
Anlaufgenauigkeit
Abfluggeschwindigkeit [opt]
Abflughöhe
Abflugwinkel
Landeamortisation [min]
Landeweite
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Biomechanische Messgrössen Hochsprung
Biomechanische Komponenten:
• Max. Schwerpunkthöhe während
Flugphase und Lattenüberquerung
• Abflughöhe [Körpergrösse /-haltung]
• Abfluggeschwindigkeit
• Abflugwinkel
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Biomechanische Messgrössen Stabhochsprung
Biomechanische Komponenten:
• Max. Schwerpunkthöhe während
Flugphase und Lattenüberquerung
•Griffhöhe [Körpergrösse, Anlaufgeschwindigk]
•Griffüberhöhung [Abfluggeschwindigkeit,
gespeicherte Energie im Stab, Einrollbewegung,
Körperhaltung beim Drehstütz, Kraft im Oberkörper]
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