Kräfteverhältnisse an der Hüfte, dargestellt an

Kräfteverhältnisse an der Hüfte, dargestellt an Modellen aus
Holz und Draht – Frontalebene
1. Grundlage der Überlegung: Seilfachwerk
Der Leichtbau beruht auf dem Dreieck auf Grund seiner Unverschieblichkeit. Die Elemente
des Dreiecks werden axial beansprucht. Die Druckelemente unterliegen der Knickung und
müssen steif ausgeführt werden; sie werden als Stäbe oder Sparren (bei Dächern) bezeichnet.
Der Zug kann von schlaffen Elementen, also von Seilen, aufgenommen werden. Man spricht
dann von einem Seilfachwerk (Bild 1).
Bild 1:
Dreieck als
Grundlage des
Leichtbaus;
Holz-Draht-Modell
unter Belastung:
Druckelemente als
Stäbe, Zugelement
als Seil
2. Zweibeinstand (innere Verspannung)
2.1 Rhombus
Im Zweibeinstand werden die steifen Elemente von den Knochen der Beine (Femur und
Tibia), sowie des Beckens (Collum femoris, Corpus ossis ilii, Os sacrum) gebildet. Der
Masseschwerpunkt befindet sich im Zentrum des Kreuzbeines (Basis ossis sacri).
Die Beine treffen sich am Boden in einem Punkt. Es bildet sich somit ein Rhombus aus.
Dieser Rhombus balanciert.
Wie schon erwähnt, sind die Schenkelhälse zunächst Bestandteile des Beckens. Ihre Ansätze
stellen Gelenkpunkte (Knoten) dar.
Das Körpergewicht (G) wirkt als Kraft F auf die Basis des Kreuzbeins. Im weiteren Verlauf
wird die Kraft über das Becken und die Beine bis zu den Füßen und dann auf den Boden
übertragen bzw. umgekehrt. Durch Einfügen eines „Seiles“, welches die Basis der
Schenkelhälse miteinander verbindet, entstehen zwei Dreiecke. Das Tragwerk wird als
gewichtslos behandelt.
Die Beine wurden in einem Punkt zusammengeführt, weil durch ihre Schiefstellung
Horizontalkräfte auftreten, die kompensiert werden müssen.
In Bild 2a wird eine Prinzipdarstellung gegeben. Wenn vom Ansatz der Schenkelhälse zum
Fuß jeweils eine gerade Linie durchgezogen wird, wird die Länge der Beine richtig wieder
gegeben. Man kann aber auch einfach die Femora verlängern, bis sie die Linie der äußeren
Last schneiden, dann ist der Winkel zwischen Schaft und Hals des Femurs (CCD-Winkel)
korrekt. Im letzteren Fall wird das Zugband, hier als Beckenboden bezeichnet, etwas höher
belastet. Die Höhe der jeweiligen Kräfte ist eingetragen; sie wurden graphisch bestimmt.
Das entsprechende Holz-Draht-Modell findet sich in Bild 2b.
Der Kraftverlauf wurde in ein Skelettmodell eingezeichnet (Bild 2c).
Bild 2: Zweibeinstand als Kopplung von zwei Dreiecken; ein Seil verbindet die Halsansätze
a) Kräfteschema: Belastung F als Körpergewicht (G), Verlauf der Femora gepunktet, Kraftwerte eingetragen
b) Holz-Draht-Modell (grob maßstäblich)
c) Kraftverlauf in ein aufrechtes Skelett eingezeichnet, S = Schwerpunkt
2.2 Hüftgelenk eingeführt
In den Beckenträger wird der Knotenpunkt für das Hüftgelenk (Art. coxae) gelegt. Der
genauere Ort ist der Gelenkspalt.
Das Gelenk wird durch das Sitzbein (Os ischii) abgestützt. Von wesentlicher Bedeutung sind
die Rotatoren, u. a. der M. quadratus femoris, die vom Ansatz des Schenkelhalses zum
Sitzbein ziehen und dort ein Biegemoment erzeugen. Um dieses zu kompensieren, wird das
Sitzbein durch das Lig. sacrotuberale zurückgespannt, hier auf das Zentrum des Kreuzbeines.
In der Horizontalen wird das Becken durch das Lig. sacrospinale zusammen gehalten.
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Aufgeteilt in zwei Stränge, zieht es wagerecht vom Hüftgelenk zum Kreuzbein und dann
weiter zum gegenüber liegenden Hüftgelenk.
Die Rotatoren sorgen für eine lastabhängige Aussteuerung der Spannungen im Schenkelhals.
Als Ergebnis wird Biegung vom ihm ferngehalten.
Das berechnete Kräfteschema findet sich in Bild 3a. Das Holz-Draht-Modell ist in Bild 3b zu
sehen. Der Kraftverlauf wurde in ein Röntgenbild eingezeichnet (Bild 3c).
Bild 3:
Hüftgelenk
eingeführt;
Sitzbein als Stütze
a) schematische
Darstellung mit
Angabe der
Kräfte.
Die beiden
Femora wurden
bis zur Linie der
Lasteinleitung
durchgezogen.
Die Rotatoren
verbinden jeweils
den Ansatz des
Schenkelhalses
mit dem Sitzbein.
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Bild 3 ff
b) Holz-DrahtModell:
Bänder durch
blauen Draht,
Muskeln durch
roten Draht
dargestellt
c) Darstellung des
Kraftverlaufes am
Röntgenbild
(Frau, ca. 50 Jahre
alt)
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2.3 Iliosacralgelenk eingeführt
Das Kreuzbein ist ein breiter Knochen; seine horizontalen Äste werden als „Pars lateralis“
oder „Ala ossis sacri“ bezeichnet. Die Oberfläche des Iliosacralgelenks (Art. sacroiliaca) ist
relativ ausgedehnt.
Der Knotenpunkt für das Iliosacralgelenk wird wiederum in den Gelenkspalt gelegt.
Vom Hüftgelenk steigt die Kraft steil auf und folgt nun streng dem Corpus ossis ilii. Die Kraft
verläuft dann horizontal durch die Ala ossis sacri zum Zentrum des Kreuzbeines.
Vom Iliosacralgelenk her wird das Kreuzbein durch Bänder gehalten, die zum unteren
Bereich des Kreuzbeines ziehen und stark aufgefächert sind (Ligg. sacroiliaca). Das
Kreuzbein hängt gewissermaßen in einer Schlaufe.
Das Kräfteschema findet sich in Bild 4a. Das Holz-Draht-Modell ist in Bild 4b zu sehen.
Der Kraftverlauf wird wiederum in ein Röntgenbild eingezeichnet (Bild 4c).
Bild 4:
Iliosacralgelenk:
a) schematische
Darstellung mit
Angabe der Kräfte;
Bänder als Schlaufe, in
denen das Kreuzbein
hängt.
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Bild 4 ff
b) Holz-Draht-Modell:
Muskeln rot, Bänder
blau
c) Darstellung des
Kraftverlaufes am
Röntgenbild
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3. passiver Einbeinstand (ohne Rückenmuskulatur)
3.1 Turmdrehkran
Zwei Grundtypen von Turmdrehkranen werden verwendet:
–
Nur die Ausleger drehen (Drehkranz an der Spitze des Turms), Gegengewicht
oben
–
Der ganze Turm dreht (Drehkranz am Fuß des Turms), Gegengewicht unten
Für unsere Betrachtungen ist die zweite Art von Interesse, also ein „Untendreher“.
Der Turm wird an der Drehbühne angelenkt, welche auch das Gegengewicht und ein Gestell
trägt. Über letzteres kann der Turm aufgerichtet werden („Selbstaufrichter“).
Weiterhin ist von Bedeutung, dass der Lastausleger in der vertikalen Richtung geneigt werden
kann („Nadelausleger“ im Gegensatz zum heute üblichen „Katzausleger“).
Drei Dreiecke stabilisieren den Kran. In Bild 5a werden diese Dreiecke in ein Foto eines
realen Krans gezeichnet und durch unterschiedliche Farben (grün, rot, blau) dargestellt.
–
Grünes Dreieck: Dieses Dreieck wird durch den Lastausleger, den Gegenausleger und
das Einziehseil gebildet.
–
Rotes Dreieck: Es besteht aus dem Turm, dem Gegenausleger und dem Einziehseil.
Letzteres setzt an der Traverse des Gestells an, das über seine innere Streben die Kraft
auf den Turmfuß weiter leitet (die Linie des Dreiecks weicht vom Seilverlauf etwas
ab).
–
Blaues Dreieck: Turm (halbe Bauhöhe), Drehbühne und äußeren Streben des Gestells;
diese Streben werden durch die Turm-Abspannleinen verlängert.
Die beiden ersten Dreiecke stabilisieren den Lastausleger. Durch das dritte Dreieck wird der
Turm gegen das Vornüberkippen gesichert. Die Last wird durch das Hubseil aufgenommen.
Würde man den Fuß des Turmes direkt unter die Last bringen und könnte der Kran
balancieren, wäre das Gegengewicht überflüssig. Dann käme man mit zwei Dreiecken aus.
Eine Darstellung des Einbeinstandes als balancierender Kran findet sich in Bild 5b. Das
Becken einschließlich Schenkelhals wird zum Lastausleger. Als Halteseil (Einziehseil) dient
der verlängerte Tractus iliotibialis. Der Gegenausleger wird durch den Trochanter major
gestellt; er wird als Rolle (Scheibe) aufgefasst.
Im Holz-Draht-Modell übernimmt ein Schnurrad aus einem Metallbaukasten die Funktion des
Trochanters (Bild 5c).
Nach einer Kippung unseres Skelettmodells lässt sich dort ein solcher Kran einzeichnen
(Bild 5d). Das verwendete Modell ist in der Wirbelsäule steif.
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Bild 5: untendrehender Turmkran als Grundprinzip
a) Turmdrehkran mit Nadelausleger, Gegengewicht unten (Krantyp: Mostostal M-120/160)
b) Kräfteschema, Lastausleger als Becken, Trochanter maj. als Gegenausleger (Rolle), Tractus iliot.= Einziehseil
c) Holz-Draht-Modell; ein Schnurrad als Trochanter führt das Einziehseil
d) Skelett so geneigt, dass der Schwerpunkt über dem Standfuß liegt; Kran eingezeichnet (Wirbelsäule steif)
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3.2 Hüftgelenk im Lastausleger
In den Lastausleger wird das Hüftgelenk eingefügt. Wie im Falle des Zweibeinstandes wird
das Hüftgelenk durch das Sitzbein abgestützt. Von oben drückt die Darmbeinschaufel
dagegen, an der wiederum der Tractus iliotibialis ansetzt. Somit bilden die Knochen ein
Kreuz. An ihren äußeren Enden werden die Teile des Kreuzes von Muskeln und Bändern
zusammengehalten. Die lastabhängige Aussteuerung erfolgt wiederum durch die Rotatoren
(Zug vom Ansatz des Schenkelhalses zum Sitzbein), siehe in Bild 6 das Kräfteschema (a), das
Holz-Draht-Modell (b) und das Röntgenbild mit eingetragenem Kraftverlauf (c).
Bild 6: Hüftgelenk in den Lastausleger eingeführt, durch Sitzbein und Darmbeinschaufel abgestützt
a) Kräfte schematisch (Femur bis zur Linie der Außenkräfte verlängert)
b) Holz-Draht-Modell: Muskeln durch roten Draht dargestellt, Bänder durch blauen Draht
c) Darstellung des Kraftverlaufes am Röntgenbild
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3.3 Iliosacralgelenk und Knie
Das Iliosacralgelenk wird in das Becken und das Kniegelenk in das Bein eingefügt. Die
Ausfüllung des Beckenfachwerks folgt dem Beispiel von Bild 4.
Am Knie gibt es zwei Knoten, nämlich die Mitte des Kniegelenks (Patella) und dessen
Seitenkante. An dem letztgenannten Punkt setzt der eigentliche Tractus iliotibialis an.
Durch einen Zweig dieses Bandes, der zur Patella zieht (hier als Tractus suprapatellaris
bezeichnet), ergibt sich das physiologische X-Bein (Bild 7a-c).
Bild 7: Iliosacralgelenk und Knie eingeführt
a) Kräfteschema; physiologisches Genu valgum durch Zug des „Tractus suprapatellaris“ an Kniemitte
b) Holz-Draht-Modell: Muskeln durch roten Draht, Bänder durch blauen Draht dargestellt
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Bild 7 ff
c) Darstellung des Kraftverlaufes am Röntgenbild (nur Beckenbereich)
Bei der Erklärung des Zweibeinstandes wurde bisher das Knie und somit das physiologische
X-Bein vernachlässigt. Um das Knie einzubeziehen, stellt man zwei solcher Kräne einander
gegenüber und verbindet sie an den beiden Punkten der Lasteinleitung. Die Kräfte halbieren
.sich dann. Der wahre Zweibeinstand beruht somit auf einer äußeren Abspannung
4. aktiver Einbeinstand (mit Rückenmuskulatur)
Wenn der Mensch geht, nutzt er den Oberkörper als Schwungmasse. Daher soll untersucht
werden, wie der Oberkörper mit dem Becken in Wechselwirkung tritt. In unserem Modell
wird der Schwerpunkt bis in den oberen Teil der Lendenwirbelsäule angehoben. Das ganze
System richtet sich dadurch ein wenig auf.
4.1 Grundprinzip (erweiterter Turmdrehkran)
In der schematischen Darstellung wird der entsprechende Grundkran analog Bild 5
beschrieben:
Das Becken, bestehend aus Schenkelhals und Corpus ossis ilii, dient als zentraler Träger, auf
welchen die Wirbelsäule (Lendenwirbelsäule) mit leichter Neigung nach medial gesetzt
wurde.
Die Rückenmuskulatur der Spielbeinseite (M. quadratus lumborum) hindert die Wirbelsäule
daran, über das Standbein abzukippen. Es ergibt sich somit ein Strang, der zum lateralen
Kreuzbein zieht, d. h., er setzt am dortigen Iliosacralgelenk an. Die verlängerten Rotatoren
spannen das laterale Kreuzbein auf den Ansatz des Schenkelhalses zurück, siehe Bild 8a.
Das entsprechende Holz-Draht-Modell belegt, dass eine solche Art der Belastung grundsätzlich möglich ist (Bild 8b). In Bild 8c wurde der Kraftverlauf in das Skelett übertragen.
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Bild 8: Mensch beim Gehen;
Grundsystem analog Bild 5
a) Kräfte schematisch;
auf den Beckenausleger wird die Wirbelsäule
gesetzt. Diese wird über die laterale
Rückenmuskulatur auf das laterale
Iliosacralgelenk zurück gespannt, das wiederum
durch die verlängerten Rotatoren gehalten wird.
Der Tractus iliotibialis stabilisiert das Ganze
vom Standbein her.
b) Holz-Draht-Modell;
Bänder weißer Draht, Muskeln rot
c) Skelettmodell;
der Schwerpunkt liegt (hoch) innerhalb der
Lendenwirbelsäule;
Kran eingezeichnet,
Wirbelsäule zeichnerisch gebogen
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4.2 Becken vollständig
In Bild 9 wird der Beckenbereich durch die Einbeziehung der Hüfte und des medialen
Iliosacralgelenks (vgl. Bilder 4 und 5) ausgefacht.
Der Oberkörper wird durch einen Strang gehalten, der aus dem M. quadratus lumborum,
kurzen Beckenbändern (Ligg. sacroiliaca) und dem M. glutaeus maximus besteht. Letzterer
zieht vom unteren Kreuzbeinbereich zum Tractus iliotibialis, in den er seitlich eingreift. Die
Kraft, welche dieser Seitenzug erfordert, ist gering. Der M. glutaeus maximus wird damit als
Aufrichter frei, was die Grundlage für den aufrechten Gang liefert.
Der Mann, der hier teilweise zu sehen ist, stand beim Röntgen nicht wissentlich auf einem
Bein; es könnte sich auch seine Skoliose abbilden.
Bild 9: Mensch beim Gehen, Oberkörper über das Standbein geneigt,
Verschiebung der Lastlinie nach medial von der Längsachse des Beckens (um Strecke c)
a) Kräfte schematisch, Seitenzug des M. glutaeus maximus auf den Tractus iliotibialis vom unteren Kreuzbein her
b) Holz-Draht-Modell; Bänder mit blauem Draht, Muskeln mit rotem Draht dargestellt
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Bild 9 ff (Mensch beim Gehen):
c) Röntgenbild mit eingezeichnetem Kraftverlauf (Mann, 36 Jahre alt)
5. Ventrales Abspannsystem
Die Schenkelhälse sind nicht senkrecht auf das Becken gerichtet, sondern um etwa 15o nach
vorn, was als Antetorsion bezeichnet wird. Das Hüftgelenk muss also auch hinsichtlich der
Seitenansicht (Sagittalebene) abgestützt werden. Die erforderliche Kraft wird durch das
Schambein aufgebracht. Dieses muss ebenfalls zurück gespannt werden (an seinen Enden).
Nach oben wird es durch das Leistenband gehalten, nach unten durch das Ligamentum
pubofermorale (Bild 10).
Das Leistenband wird hier an der Darmbeinschaufel etwas erhöht angesetzt (Crista iliaca statt
Spina iliaca anterior superior), um einen definierten Knoten zu erhalten.
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Bild 10: ventrales Abspannsystem
a) Kräfte schematisch: Hüftgelenk durch Schambein gestützt, dieses durch Leistenband und Lig. pubofemorale abgespannt
b) Holz-Draht-Modell: keine Muskeln aktiv, Abspannung nur durch Bänder (blau)
c) Röntgenbild mit eingezeichnetem Kraftverlauf
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6. Zusammenfassung
Für die statische Berechnung wird der Ansatz des Schenkelhalses als Gelenk (Knoten)
betrachtet. Die Berechtigung dafür liefert die Anwesenheit der Rotatoren, die mit ihrem etwa
horizontalen Zug für eine lastabhängige Aussteuerung sorgen.
Damit ergibt sich für den Halteapparat des Menschen ein Tragwerk, in dem die Knochen rein
axial belastet werden. Für die Flächen der einbezogenen Gelenke (Knie, Hüftgelenk und
Iliosacralgelenk) folgt daraus, dass sie senkrecht und somit gleichmäßig beansprucht werden.
An Holz-Draht-Modellen, die unter Last fotografiert wurden, können diese Verhältnisse
anschaulich dargestellt werden.
Martin Möser und Lothar Meinel, 1. Juni 2011 (geändert 13.03.2012)
Zu den Einzelheiten siehe:
Moser., M., and Hein, W.: The bone as a compression member in a cable tensioning device: the example of
the hip. In: Wolff's Law and connective tissue regulation. Modern interdisciplinary comments on Wolff's Law of
connective tissue regulation and rational understanding of common clinical problems.
Herausgegeben von Günter Regling; Berlin, New York (DE GRUYTER) 2010
Im Original erschienen 1992, S. 81–92, eBook ISBN: 978-3-11-087567-6:
http://www.reference-global.com/doi/abs/10.1515/9783110875676.81
zu finden auch in dieser Homepage; dort weitere Beiträge, so zum Zweibeinstand und zur Draufsicht.
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