Biomechanik 1
Werbung
A. Strukturierung der Mechanik Die Mechanik als ein Zweig der Physik kann gegliedert werden in die Bereiche ,,Dynamik" und ,,Kinematik" (siehe Schema). Die Kinematik beschreibt Bewegungen allgemein in räumlichzeitlichen Strukturen, während sich die Dynamik mit konkreten Kraft-Wirkungs-VerhäItnissen befaßt. Statik als Spezialfall der Dynamik beschäftigt sich mit dem Gleichgewicht von Kräften, Kinetik als weitere Untergliederung der Dynamik mit Kraftwirkungen bei Bewegungen. 1. STATIK 1.1 Schwerpunkt (Körperschwerpunkt, Massenmittelpunkt) Definition : Gedachter Punkt eines Körpers bzw. Teilchensystems, der sich nach den Gesetzen der Mechanik so verhält, als ob die gesamte Masse des Systems in ihm vereinigt wäre und alle auf das System wirkenden Kräfte an ihm angreifen würden. 1.2 Gleichgewicht Je nach Lage des KSP zu einer Drehachse, um die sich der Körper bei Einwirkung einer Kraft dreht, unterscheiden wir folgende Gleichgewichtsarten: Labiles Gleichgewicht Definition : Der KSP befindet sich über der Drehachse, d. h. der Körper kehrt nach Auslenkung aus der Gleichgewichtslage nicht mehr in die Ausgangsposition zurück. Stabiles Gleichgewicht: Definition: Der KSP befindet sich unterhalb der Drehachse,d. h. der Körper kehrt nach Auslenkung aus der Gleichgewichtslage wieder in diese zurück. Indifferentes Gleichgewicht: Definition : Der KSP befindet sich genau im Aufhängepunkt (Drehachse) bzw. der KSP liegt in jeder Position senkrecht über der Drehachse, wobei bei Bewegungen des Körpers der Abstand zwischen Drehachse und KSP unverändert bleibt. Der Körper befindet sich also in jeder Lage im Gleichgewicht. (In reiner Form kommt diese Gleichgewichtslagenur bei Kugeln vor.) Gemischtes Gleichgewicht Definition: Besteht ein Körper aus gelenkig verbundenen Teilen oder Gliedern, so weist jedes Glied einen eigenen (Teil-) KSP auf. Diese einzelnen Teilschwerpunkte können in einer bestimmten Position des Körpers verschiedene Lagen zu einergemeinsamen Drehachse haben und damit verschiedene TeilGleichgewichtsarten aufweisen. Das Resultat der Teilschwerpunkte vereinigt sich jedoch im Gesamt-KSP, so dass dessen Lage zur Drehachse für die Analyse des Gesamtkörpergleichgewichts herangezogen werden kann. 1.3 Standfestigkeit Definition: Mit Standfestigkeit ist ein Gleichgewichtszustand gemeint, bei dem ein Körper auf einer ebenen Unterstützungsfläche steht und die senkrechte Projektion des KSP innerhalb der Standfläche des Körpers liegt. Die Standfestigkeit ist abhängig von der Größe der Unterstützungs-fläche, senkrechtem Abstand des KSP von ihr sowie vom Körpergewicht. 2. KINEMATISCHER GESICHTSPUNKT DER BEWEGUNG Unter ,,Bewegung" ist eine Ortsveränderung eines Körpers bzw. seiner Teile gegenüber einem Bezugssystem zu verstehen. Sie kann unter zwei Gesichtspunkten analysiert werden. 2.1 Geometrischer Gesichtspunkt 2.1.1 Translafion Definition : Translationsbewegungen sind fortschreiten Bewegungen (Ortsveränderungen), wobei sich die einzelnen Körperpunkte (kurven-) parallel zueinander verhalten,und die Winkel, die die Lage des Körpers im Koordinatensystem angeben, unverändert bleiben. 2.1.2 Rotation Vor Einführung des Begriffes ,,Rotation" muss zuerst der Verlauf der im Körper liegenden Drehachsen geklärt werden. Beispiele für Drehungen um: - Körperlängsachsen: Wenden, Kehren; - Körpertiefenachsen: Überschlag sw (Rad); - Korperbreitenachsen: Roll- und Überschlagbewegungen vw und rw; - Überlagerung von Drehungen um die Körperlängs- und -breitenachse: Schraubensalti. Definition: Unter Rotation versteht man Drehbewegungen eines Körpers um Drehachsen, die sowohl im Körper als auch ausserhalb des Körpers liegen können, wobei einer oder mehrere der Winkel, die die Lage des Körpers im Koordinatensystem angeben, verändert werden kann. Bei starren Körpern beschreiben Körperpunkte ausserhalb der Drehachse konzentrische Kreise um sie. 2.1.3 Gemischte Bewegungen Definition: Rotation mit gIeichzeitiger translatorischer Komponente Beispiel: Salto vw Boden (Rotation um die durch den KSP gehende Körperbreitenachse im Flug mit gleich-zeitiger Translation, die darstellbar ist als Weite (Abstand zwischen Absprungstelle und Landestelle) und Höhe (Flughöhe). 2.2. ZeitIicher Gesichtspunkt 2.2.1. Geschwindigkeit Definition: Unter Geschwindigkeit versteht man das Verhältnis zwischen zurückgelegtem Weg und dafür benötigter Zeit. Handelt es sich bei der Ortsveränderung um eine Translation, so sprechen wir von einer „Bahngeschwindigkeit", bei einer Rotation von einer „Winkelgeschwindigkeit ". 2.2.2. Beschleunigung Definition: Beschleunigung stellt eine Geschwindigkeitsveränderung dar, so dass die pro Zeiteinheit zurückgeIegten Strecken unterschiedlich groß sind. (Differenzierung: positive - negative, gleichmäßige - ungleichmäßige B.) ,,treiben lassen"; 3. KRÄFTE UND IHRE WIRKUNGEN 3.1 Kraft - Gegenkraft - Drehmoment Definition : AIs Kraft bezeichnet man die Einwirkung eines Körpers A auf einen anderen Körper B, die eine Deformation (statische Kraftwirkung) oder eine Ortsveränderung (dynamische Kraftwirkung) hervorruft. Die auf Körper A zurückwirkende Kraft ist dem Betrag nach gleich der auf Körper B einwirkenden (3. Newtonsches Gesetz). Greift die Kraft nicht am KSP an, sondern ausserhalb (exzentrisch), so entsteht in Abhängigkeit vom Abstand des Angriffspunktes zum KSP sowie von der Größe der Kraft ein Drehmoment. Innere Kräfte sind Einwirkungen von Teilen des Systems auf andere Teile, so dass eine Verlageung der Teile zueinander hervorgerufen wird, nicht aber eine Bewegungsänderung des KSP. 3.2 Trägheit - Trägheitsmoment Definition: A!s Trägheit wird die Kraft bezeichnet, die eine Masse einer auf sie einwirkenden Kraft entgegen-setzt, um den rnomentanen Zustand (Ruhe oder gleichförmige Bewegung) beizubehalten(1. Newton-sches Gesetz). Handelt es sich bei diesem Zustand um eine Rotationsbewegung, so sprechen wir von einem Trägheitsmoment, das abhängt von der Masse und vom Abstand der Massenpunkte zur Drehachse. Hier sei auf eine allgemein verbreitete unklare Vorstellung hingewiesen. Da nach dem 1. Newton-schen Gesetz ein Körper aufgrund der Trägheit das Bestreben hat, den momentanen Zustand (also auch momentane Bewegungsrichtung) beizubehalten, hat ein um eine Drehachse rotierender Körper die Tendenz, sich an jedem Punkt der Kreisbewegung in Richtung der Bahntangente zu entfernen. Es muß also eine Kraft aufgewendet werden, die den rotierenden Körper auf der Kreisbahn hält. Diese Kraft stellt die Radial- oder Zentripetalkraft dar und ist zur Drehachse hin gerichtet. Nach dem 3. Newtonschen Gesetz gibt es zu jeder Kraft eine dem Betrag nach gleiche, jedoch entgegengerichtete Kraft. Dies bedeutet, daß bei Rotationen als Gegenkraft zur Radialkraft die Zentrifugalkraft auftritt, welche als Scheinkraft bezeichnet;wird. Löst ein Turner z. B. bei der Riesenfelge den Griff, dann,fliegt er nicht, wie vielleicht subjektiv empfunden, in Richtung Füße (d. h. in Richtung Zentrifugalkraft), sondern folgt der Tangente des Punktes der Kreisbahn, an dem das Lösen erfolgte. 3.3 Impulse - Drehimpulse Definition : Der Impuls ist das Maß für die Bewegung und charakerisiert deren Fähigkeit, sich von einem Körper zum andern in Form mechanischer Bewegung fortzupflanzen (Donskoi). Die auf die Zeiteinheit bezogene Änderung des Impulses ist der Einwirkung der bewegenden Kraft proportional und geschieht in der Richtung, in der jene Kraft angreift (2. Newtonsches Gesetz). Handelt es sich um eine Rotation, so sprechen wir von einem Drehimpuls. Die Impulse einzelner Teile eines Systems resultieren zu einem Gesamtimpuls. Nach dem Impulserhaltungssatz bleibt der Gesamtimpuls erhalten, wenn in einem abgeschlossenen System nur innere Kräfte wirken. Das ist die Grundlage einer Impulsübertragung innerhalb eines Systems von einem Teil auf einen anderen. 3.4 Arbeit - Leistung - Energie (potentielle, kinetische) Definition: Arbeit ist das Produkt aus Kraft, die auf eine Masse einwirkt und Weg, den die bewegte Masse zurücklegt. Das Verhältnis aus Arbeit und der dafür benötigten Zeit wird als Leistung bezeichnet. Fasst man Arbeit als eine Menge auf, die einem System zugeführt oder entzogen wird, so sprechen wir von Energie. Diese wird unterteilt in Lageenergie (ein Körper mit der Masse m wird gegen die Erdanziehung g um die Höhe h angehoben) und kinetischer Energie (in Bewegung umgewandelte potentielle Energie). In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesarntenergie bei Umwandlung von potentieller in kinetische und umgekehrt konstant. 3.5 Reibung (Haftreibung, Gleitreibung) Definition: Reibung ist die an einer Unterstützungsfläche angreifende Kraft, die einer Bewegung entgegen- gesetzt ist. Ist diese Kraft größer als die Bewegungskraft, liegt eine Haftreibunq vor, im umgekehrten Fall eine Gleitreibung. Die Rollreibung kann als Spezialfall der Gleitreibung angesehen werden. Literatur: Hüter-Becker, A. u. a. Thieme, Biomechanik, Bewegungslehre, Leistungsphysiologie, Trainingslehre Stuttgart, 2004 Stautner, B, Einführung in die physikalischen Grundlagen der Biomechanik im Leistungskurs Sport, in: Lehrhilfen für den Sportunterricht, 3/81, S. 33 ff AUFGABEN: ?? Erläutern Sie die DEF. ?? Führen Sie zur Erläuterung auch Beispiele aus dem täglichen Leben, besonders aber aus dem Bereich des Sports an.
