SPORTBIOMECHANIK

SPORTBIOMECHANIK
1. Einleitung
Definition:
Die Sportbiomechanik ist die Wissenschaft von der mechanischen Beschreibung und
Erklärung der Bewegung im Sport unter Berücksichtigung der biologischen
Bedingungen.
Auch für Bewegungen im Sport gelten die physikalischen/mechanischen Gesetze.
Jedoch ist der menschliche Körper bzw. die Bewegung des menschlichen Körpers
sehr viel komplexer als beispielsweise die Bewegung eines starren Körpers. Daher
reichen für die Beschreibung und Erklärung sportlicher Bewegungen die
mechanischen Gesetze alleine nicht aus, es müssen vielmehr biologische
Komponenten mit berücksichtigt werden.
Aufgaben und Ziele der Sportbiomechanik
1. Leistungsbiomechanik
2. anthropometrische Biomechanik
3. präventive Biomechanik
4. didaktisch-methodisch orientierte Biomechanik
5. Interaktion zwischen Sportler, Gerät und Umwelt
Leistungsbiomechanik
Anthropometrische
Biomechanik
Präventive
Biomechanik
Technikanalyse
Technikoptimierung
Konditionsanalyse
Eignungsdiagnose
Belastungsanalyse
Technikansteuerung
Konditionsansteuerung
Leistungsprognose
Belastungsgestaltung
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2. Sportbiologie
Jede Bewegung ist das Resultat der Zusammenarbeit mehrerer Muskeln
(intermuskuläre Koordination). Die Hauptbewegungsmuskeln (Agonisten), die die
eigentliche Bewegung ausführen werden von den Antagonisten unterschieden, die
für die entgegengesetzte Bewegung verantwortlich sind. Der Antagonist ist aber nicht
nur der Gegenspieler, sondern er bremst und dosiert die Arbeit des
Hauptbewegungsmuskels.
Die maximale Kraft eines Muskels ist von der Anzahl seiner Myofibrillen im
physiologischen Querschnitt abhängig. Eine regelmäßige Kraftbeanspruchung führt
zu einer Querschnittsvergrößerung der Muskelfasern (Hypertrophie), die dadurch
zustande kommt, dass die Anzahl der Myofibrillen zunimmt. Eine Vermehrung der
Muskelfasern selbst (Hyperplasie) ist umstritten bzw. nicht eindeutig belegt. Oft
machen wir die Erfahrung, dass im Trainingsverlauf die Muskelkraft deutlich stärker
anwächst, als es nach dem Ausmaß der Querschnittsvergrößerung anzunehmen
wäre. Auch die Schnelligkeit des Kraftzuwachses lässt sich mit einer
Fibrillenneubildung alleine nicht erklären. Diese braucht nämlich wesentlich mehr
Zeit. Die Erklärung liefert aber die Koordination innerhalb des Muskels. Alle Fasern
gleichzeitig zu einer Kontraktion zu bringen ist nicht möglich. Der Höchstwert liegt
unter gewöhnlichen Bedingungen bei etwa 65-70%. In extremen Situationen wie bei
Todesangst oder Doping sind Werte bis zu 90% erreichbar.
Mechanismus des Krafttrainings:
Zuerst kommt es zu einer verbesserten
intramuskulären Koordination, dann
erst folgt die Muskelfaserhypertrophie.
Die kurzfristig eintretende Wirkung
des Krafttrainings ist vor allem in
einer verbesserten Errgegungsübertragung
zu sehen. Die vom
Gehirn willkürlich ausgesandten
motorischen Impulse verlaufen
über zahlreiche Schaltstationen,
wo sie verstärkt oder abgeschwächt
werden können. Die
regelmäßige Wiederholung eines
Erregungsablaufs fördert langfristig
die Verstärkung. Somit gelangt ein
stärkerer Impuls zur motorischen
Einheit, der Schwellenwert wird
eher überschritten und es können
mehr Einheiten innerhalb eines
Muskels überschwellig gereizt
werden. Die Koordination zwischen
den verschiedenen motorischen
Einheiten des gleichen Muskels
bezeichnet man als intramuskuläre
Koordination. Es
lassen sich insgesamt mehr
Fasern willentlich zur Kontraktion
bringen.
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Kontraktionsformen
Isometrisch (haltend-statisch):
Es treten intramuskuläre Spannungsänderungen auf, ohne dass es zu einer
Längenänderung der Muskeln kommt.
Konzentrisch (positiv-dynamisch; überwindend):
Die intramuskuläre Spannung ändert sich und die Muskeln verkürzen sich.
Exzentrisch (negativ-dynamisch; nachgebend):
Es kommt zu Spannungsänderungen und Verlängerung/Dehnung der Muskeln.
Muskelfasertypen
Rote Muskelfaser: langsame, ermüdungsresistente Faser
Intermediärtyp: schnelle, relativ ermüdungsresistente Faser
Weiße Muskelfaser:sehr schnell arbeitende Faser mit kurzfristig hoher Kraftleistung
Ausdauer
Bedeutung des Energiestoffwechsels bei Ausdauerleistungen
Die Energie für sportliche Leistungen wird nicht unmittelbar aus der Nahrung
gewonnen. Das in allen Körperzellen gespeicherte Adenosintriphosphat (ATP) liefert
die notwendige Energie. Zunächst wird das in den Zellen vorhandene ATP genutzt.
Der Körper muss nun dafür sorgen, dass neues ATP bereitgestellt wird. Für die
Resynthese von ATP gibt es drei Varianten. Die Spaltung von Kreatinphosphat, den
anaeroben Abbau von im Muskel gespeichertem Glykogen und den vollständigen
aeroben Abbau von Glukose oder Fettsäuren.
3. Biomechanische Prinzipien im Sport
Bei sportlichen Bewegungen gelten mechanische Gesetze unter Berücksichtigung
biologischer Besonderheiten des menschlichen Körpers. Es ist nicht möglich, aus
einem physikalischen Gesetz unmittelbar einen optimalen Bewegungsablauf zu
konstruieren, da die Bewegung des menschlichen Körpers viel komplexer ist als die
Bewegung von starren Körpern. Deshalb sollte man von biomechanischen Prinzipien
als Leitlinien sprechen. Es sind von Hochmuth verschiedene biomechanische
Prinzipien formuliert worden:
Prinzip der maximalen Anfangskraft
Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges
Prinzip der optimalen Tendenz im Beschleunigungsverlauf
Prinzip der zeitlichen Koordination von Teilimpulsen
Prinzip der Impulserhaltung
Prinzip der Gegenwirkung
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Göhner hat 2001 ein weiteres – das Go-and-Stop-Prinzip formuliert.
Das Prinzip der maximalen Anfangskraft
Dieses Prinzip besagt, dass eine Bewegung, mit der eine hohe Endgeschwindigkeit
erreicht werden soll, durch eine entgegengesetzt gerichtete Bewegung einzuleiten
ist. Durch das Abbremsen der Gegenbewegung (Bremskraftstoß) entsteht eine
Anfangskraft, durch die der Beschleunigungskraftstoß (Impuls) vergrößert wird. Der
Bremskraftstoß muss zum Beschleunigungskraftstoß in einem optimalen Verhältnis
stehen und fließend in ihn übergehen.
Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges
Eine konstante Kraft gibt einer Masse eine umso höhere Endgeschwindigkeit, je
länger die Kraft auf die Masse einwirkt. Länge und Richtung des
Beschleunigungsverlaufs müssen optimal gestaltet werden. Optimal bedeutet nicht
unbedingt maximale Länge des Beschleunigungsweges.
Als Ergänzung zum Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges ist das Prinzip
der optimalen Tendenz im Beschleunigungsverlauf formuliert worden:
Bei Sportarten, bei denen es darum geht, schnellstmöglich Kraft zu entwickeln,
müssen die größten Beschleunigungskräfte am Anfang der Beschleunigungsphase
wirken. Bei Sportarten, bei denen eine möglichst hohe Endgeschwindigkeit erreicht
werden soll, liegen die größten Beschleunigungskräfte am Ende der
Beschleunigungsphase.
Prinzip der Koordination von Teilimpulsen
Jeder Sportler, der sich bewegt (und auch jedes sich bewegende Sportgerät) besitzt
eine Masse und eine Geschwindigkeit, also einen Impuls. Entsprechend haben auch
Teilbewegungen (z.B. Sprungbein, Arme) Teilimpulse. Dadurch wird der Impuls des
Gesamtsystems erzeugt bzw. geändert.
Im Sport werden Bewegungen immer von mehreren Muskeln oder Muskelgruppen
bewirkt. Damit eine effektive Bewegung (hohe Endgeschwindigkeit des Körpers,
eines Körperteils oder eines Sportgerätes) erreicht wird, müssen die Teilaktionen der
verschiedenen Muskeln gut aufeinander abgestimmt sein. So beeinflusst z.B. beim
Hochsprung nicht nur die Aktion des Sprungbeins die Sprungleistung. Auch das
Schwungbein und die Armbewegungen erzeugen Impulse, die für die
Gesamtbewegung wichtig sind und in einem optimalen Verhältnis stehen müssen.
Auch die Richtung der Impulse spielt eine wichtige Rolle. Die Gesamtgeschwindigkeit
ist dann besonders hoch, wenn die Teilimpulse in die gleiche Richtung weisen.
Aufgrund des Baus der menschlichen Gelenke (Rotationsbewegungen) ist die
räumliche Gleichgerichtetheit oft nur bedingt möglich. Bestimmte Bewegungen bzw.
Körperteile erzeugen auch entgegengesetzte Reaktionskräfte.
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Prinzip der Impulserhaltung
Durch Annäherung der Extremitäten an eine Drehachse können Drehbewegungen
ohne Veränderungen des Krafteinsatzes beschleunigt werden. Dies lässt sich mit
dem Prinzip der Impulserhaltung erklären.
Vergrößerung der Winkelgeschwindigkeit
durch Verkleinerung des Trägheitsmoments
infolge der Annäherung
der Masseteile an die Drehachse.
Bei der Riesenfelge ist die Reckstange
die Drehachse.
Prinzip der Gegenwirkung
Das Reaktionsgesetz (3. Newtonsches Gesetz) besagt: wirkt ein Körper A auf einen
Körper B eine Kraft F aus, dann übt Körper B auf Körper A eine gleichgroße, aber
entgegengesetzt gerichtete Kraft F aus.
Bei sportlichen Bewegungen liefert in der Regel die mechanische Umwelt die
Reaktionskraft zur Muskelkraft des Sportlers. Finden Aktionen bestimmter Körperteile
keine Reaktion in der Umwelt (z.B. Flugbewegungen), so sind notwendigerweise
Gegenbewegungen anderer Körperteile die Folge.
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Drehrückstoß benötigen wir besonders
bei Bewegungen, bei denen das
Gleichgewicht wiederhergestellt werden
soll. Die Arme können durch das
Schwingen in Gegenrichtung einen Sturz
vermeiden helfen (was meist reflektorisch
geschieht).
Das Go-and-Stop-Prinzip
Hat ein Sportler einem Sportgerät (z.B. Speer) eine große Geschwindigkeit zu
erteilen, dann sind die eingesetzten Körperteile so zu bewegen, dass zum Sportgerät
hin ein sukzessives Beschleunigen und Stoppen stattfindet: dem Sportgerät nahe
liegende Körperteile werden also später auf hohe Geschwindigkeit gebracht als die
dem Sportgerät fernen Körperteile und ebenso nacheinander mit Erreichen ihrer
hohen Geschwindigkeit gestoppt.
Der Speer soll auf eine große
Weite bzw eine hohe Abfluggeschwindigkeit
gebracht werden.
Die betreffenden Körperteile
starten und stoppen ihre
Bewegung zu unterschiedlichen
Zeiten. Die dem Speer entfernt
liegenden Extremitäten beginnen
mit der Bewegung.
4. Bewegungslehre
Bei der morphologischen Betrachtung wird der äußerlich sichtbare Teil der
Bewegung untersucht. Nicht sichtbare Teile der Bewegung sind z.B. auftretende
Kräfte oder innere Steuerungsprozesse der Bewegung.
Was wird bei der morphologischen Untersuchung der Bewegung analysiert?
Einzelaspekte der Bewegung
Längenmerkmale
Winkelmerkmale
Zeitmerkmale
Relationen von Längen-, Winkel- und Zeitmerkmalen
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Untersuchung der Gesamtbewegung
Phaseneinteilung der Bewegung
Bewegungsmerkmale der Gesamtbewegung
Phasenstruktur von Bewegungen
Bei azyklischen Bewegungen wird das Bewegungsziel durch eine einmalige Aktion
erreicht. Die Reihenfolge der Teilbewegungen ist dabei nicht umkehrbar. Die
Bewegung kann in drei Phasen gegliedert werden:
Vorbereitungsphase
Hauptphase
Endphase
Jede Teilbewegung hat eine besondere Funktion im Gesamtablauf. In der
Hauptphase wird das eigentliche Bewegungsziel erreicht.
Vorbereitungsphase (Auftakt):
Die Vorbereitungsphase dient der Schaffung günstiger Voraussetzungen. Durch sie
werden die in der nachfolgenden Hauptphase auszuführenden Aktionen optimal
vorbereitet. Die optimalen Voraussetzungen werden meistens durch eine
„Ausholbewegung“ geschaffen, die der eigentlichen Bewegungsrichtung
entgegengesetzt ist.
Hauptphase (Akzent):
Das Kernstück einer sportlichen Bewegung ist die Hauptphase. Ihre Bedeutung liegt
in der unmittelbaren Bewältigung der entsprechenden Bewegungsaufgabe. Ihre
Funktion ist es, die gestellte Aufgabe zu lösen. Man kann zwei Aufgabentypen
unterscheiden. Der eine Typ umfasst diejenigen Aufgaben, in denen man nur sich
selbst einen Bewegungsimpuls zu erteilen hat, um von der einen zur anderen
Ortsstelle zu kommen (Lokomotion). Beispiel: Weitsprung, Hochsprung. Beim
zweiten Typ steht nicht die Bewegung des eigenen, sondern die eines anderen
Körpers im Vordergrund. Der eigene Körper oder auch nur Teile des eigenen Körpers
müssen so bewegt werden, dass das mit dem Körperteil kontaktierte Objekt in
gezielter Weise bewegt wird. Beispiel: Fußball, Tennis.
Endphase (Abfangen/Abtakt):
Als Endphase bezeichnet man jenen Bewegungsabschnitt, in dem die Aktionen der
Hauptphase in einen Gleichgewichtszustand übergeleitet werden. Dieser
Gleichgewichtszustand kann ein Zustand relativer Ruhe sein oder er kann ein
kurzzeitiges Durchgangsstadium vor dem Beginn einer neuen Bewegung sein.
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Bei zyklischen Bewegungen wiederholen sich gleichartige Teilbewegungen. Der
Bewegungsablauf lässt sich in zwei Phasen einteilen. Es kommt zu einer
Überlagerung von Vorbereitungs- und Endphase (Phasenverschmelzung). Man
bezeichnet die Struktur der Bewegung dann als Hauptphase und Zwischenphase.
Biomechanische Messverfahren (Einteilung nach Messprinzip):
Bei den mechanischen Messverfahren kommt es zu einer direkten Orts-
Zeitmessung. Dies tut man zum Beispiel mit einem Messband (z.B. Weitsprung) oder
einer Stoppuhr (z.B. 100m Lauf). Nimmt man optische Messverfahren zur
Bestimmung biomechanischer Größen, dann erfasst man Ort und Zeit nur indirekt.
Allerdings ist es dabei möglich, dass Bewegungsabläufe in ihrer räumlichen und
zeitlichen Dimension später am Modell analysiert werden können. Die Grundlage für
elektronische Messverfahren bildet die Umwandlung von mechanischen
Messgrößen in elektrische. Denn Kräfte verformen mechanisch Körper und die
mechanische Verformung wird dann in elektrische Signale umgewandelt.
Mechanische Messverfahren:
Optische Messverfahren:
Elektronische Messverfahren:
Folienanalyse
Lichtschranken
Lichtspuraufnahmen
Serienfotographie
Chronofotographie
Videoanalyse
Kraftmessplattform
Dynamometer
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ZUSAMMENFASSUNG:
Für die Beschreibung und Erklärung sportlicher Bewegungen reichen die
mechanischen Gesetze alleine nicht aus. Es müssen vielmehr biologische
Komponenten mit berücksichtigt werden.
Bei azyklischen Bewegungen wird das Bewegungsziel durch eine einmalige Aktion
erreicht. Der Bewegungsablauf gliedert sich in Vorbereitungs-, Haupt- und Endphase.
Bei zyklischen Bewegungen wiederholen sich gleichartige Teilbewegungen. Durch
die Überlagerung von Vorbereitungs- und Endphase kommt es zur
Phasenverschmelzung. Analysiert werden Bewegungen mittels mechanischer,
optischer oder elektronischer Messverfahren. Besondere Bedeutung für die
biomechanische Analyse von Bewegungen haben Körperschwerpunkt und
Körperachsen.
Der Muskel setzt sich aus Muskelfaserbündeln zusammen. Jede Muskelfaser besteht
wiederum aus vielen Myofibrillen, deren kleinste funktionelle Einheit das Sarkomer
ist. Bei der Muskelkontraktion gleiten die Aktin- und Myosinfilamente der Sarkomere
ineinander. Training verbessert sowohl das Zusammenspiel zwischen den beteiligten
Muskeln (intermuskuläre Koordination) als auch das der einzelnen Muskelfasern
innerhalb eines Muskels (intramuskuläre Koordination). Es gibt drei verschiedene
Arten der Muskelkontraktion: isometrische, konzentrische und exzentrische
Kontraktion.
Hochmuth und Göhner haben verschiedene biomechanische Prinzipien formuliert,
die für sportliche Bewegungen des menschlichen Körpers gelten. Durch die Kenntnis
und Anwendung dieser Prinzipien können sportliche Bewegungsabläufe optimal
gestaltet werden.
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