Biomechanische Grundlagen sportlicher ... - Spitta

Biomechanik des menschlichen Bewegungsapparates
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5 Biomechanik des menschlichen Bewegungsapparates
Aus mechanischer Betrachtungsweise kann
der menschliche Bewegungsapparat in zwei
große Komplexe gegliedert werden: den passiven
und den aktiven Teil. 1 Als passiv werden
alle Bausteine gewertet, die eine Stütz-,
Bewegungs- und/oder Kraftübertragungsfunktion
haben. Der aktive Teil wird ausschließlich
durch die Bewegung erzeugenden
Muskeln gebildet. In dieser Betrachtung werden
die inneren Organe, das Herz-Kreislauf-
Teilsystem
Funktion
Mechanische
Eigenschaften
Knochen Stützelemente druck-, zug-, biege- und
scherfest
Faserknorpel Stützelemente druckfest, elastisch,
stoßdämpfend
Material in der
Technik
Hartholz
Hartgummi
hyaliner Knorpel Gelenke minimale Reibung Kugellager
Synovialflüssigkeit Schmierung minimale Reibung Öl
Bänder Gelenkführung zugfest Seil
Sehnen Kraftüberträger zugfest Seil
Muskeln Motor kontraktil nicht bekannt
Nervensystem
Kontroll- und
Steuerorgane
Gefäßsystem Versorgung feine Vernetzung,
Kapillarisierung
Haut Schutz zugfest Leder
Tab. 5.1: Teilsysteme des Menschen, ihre Funktion und mechanischen Eigenschaften
Regelsysteme,
Computer
nur in lebenden
Systemen
1 Donskoi (1975) unterscheidet aktive (der ganze Körper, der Bewegungsapparat) und passive (innere Organe, weiche
und flüssige Gewebe) Systeme.

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System sowie das Nervensystem ausgeblendet,
obwohl sie durchaus eine wesentliche
Bedeutung für Bewegungen haben.
Donskoi (1975, S. 32) schreibt dem Bewegungsapparat
nachfolgende Funktionen zu:
• Energieursprung
• Mechanismus der Übertragung von
Kräften
• Bewegungsobjekt
• Steuerungssystem
5.1 Passiver Bewegungsapparat
Zum passiven Bewegungsapparat zählen das
axiale Knochensystem, das Knorpelgewebe,
Sehnen und Bänder. In der anatomischen
Verbindung bilden sie die kinematischen Ketten,
die unter Wirkung der Muskulatur statische
(Halte-) und dynamische (Bewegungs-)
Funktionen zu erfüllen haben. Auf diese
Systeme wirken zum einen von außen und
zum anderen von innen, von den Muskeln
selbst, Belastungen, die entsprechende Beanspruchungen
hervorrufen. Unter dem Aspekt
der Bewegung bilden die langen Röhrenknochen
mit ihren gelenkigen Verbindungen
Hebelsysteme, die die Muskelzugkraft übertragen.
5.1.1 Axiales Knochenskelett
Um ihre Aufgabe als Stütz-, Halte- und Bewegungssystem
zu erfüllen, sind die Knochen
aus zwei Bausteinen zusammengesetzt, die
scheinbar gegensätzliche mechanische Eigenschaften
repräsentieren. Die anorganischen
Bestandteile (etwa 56 % sind Salze) geben
den Knochen seine große Festigkeit und
Härte, die organischen Anteile (etwa 27 %)
seine Elastizität.
Knochen besitzen die gleiche Elastizität wie
Eichenholz (130.000 kg/cm 2 ), dieselbe Zugfestigkeit
wie Kupfer oder Duraluminium
(1.700 kg/cm 2 ), ihre Druckfestigkeit ist mit
1.500 kg/cm 2 größer als die des Baumaterials
unserer höchsten Dome, Sand- bzw. Kalkstein,
und ihre statische Biegefestigkeit entspricht
sogar der des besten Flussstahls (1.800
kg/cm 2 ).Trotz dieser hohen Werte für die verschiedenen
mechanischen Eigenschaften
können deutlich geringere Werte bei ungünstigen
Belastungsrichtungen bzw. in Kombinationen
zur Zerstörung der Knochen führen.
Knochenmineralgehalt
Menopause
100%
Altersatrophie (alterüblich)
50%
postklimakterische
Osteoporose (pathologisch)
20 30 40 50 60 70 80 Lebensjahre
Abb. 5.1:
Der Knochenmineralgehalt
im Altersgang
(nach Weineck
1994a)

Biomechanik des menschlichen Bewegungsapparates
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Abb. 5.2:
Richtungsänderung
beim alpinen Skifahren
und typischer
Spiralbruch der Tibia
Die Abbildung 5.2 zeigt eine typische Verletzung
beim Skifahren, wenn bei einem
Schwung die Ski in eine Schneewehe rutschen.
Es entstehen Biege- und Torsionsbelastungen,
die zu einem Spiralbruch des
Schienbeins (Tibia) führen können.
Entsprechend der Lage und der Funktion der
Knochen variiert die Zusammensetzung der
organischen und anorganischen Bestandteile.
Grob lassen sich zwei Typen bilden: die
platten Knochen und die Röhrenknochen. 2
Aus mechanischer Sicht haben die platten
Knochen vor allem Schutz-, Halte- und Tragefunktion.
Typisches Beispiel dafür ist das
Becken. Es schützt die Eingeweide, trägt den
Torso mit Kopf,Wirbelsäule,Armen usw. und
bietet große Flächen für Muskelansätze (u.a.
für den Musculus gluteus maximus, den
Gesäßmuskel) (Abb. 5.3).
Dieser Knochen hat eine hohe Dichte mit
einer festen kompakten Struktur (hoher
Anteil an Salzen), um den statischen Kraftwirkungen
zu widerstehen.
Von den 206 bis 212 Knochen des Skelettsystems
des Menschen sind etwa 180 direkt an
Bewegungen beteiligt. Dabei sind besonders
2 Daneben werden noch kurze (z.B. Fingerknochen) und
unregelmäßige (z.B. Wirbelkörper) Knochen unterschieden.
Sitzbein
Kreuzbein
Abb. 5.3: Das Becken
Darmbein
die Röhrenknochen für die Kraftübertragung
und als Bewegungsorgane tätig. Für diese
Funktion sollten sie nicht zu träge sein, also
nur eine geringe Masse besitzen, und dabei
doch fest und elastisch sein. Diese Anforderungen
werden durch ihren Aufbau und ihre
Zusammensetzung erfüllt. Der Röhrenaufbau
garantiert eine geringe Dichte (geringe
Trägheit) und die Konstruktion der Knochenbälkchen
(Spongiosa), verbunden mit höheren
Anteilen organischer Substanzen, ist die
Grundlage für die Festigkeit und die Elastizität.
Knochen sind entwicklungsgeschichtlich (phylogenetisch)
durch Anpassung optimierte
Gebilde. Das äußert sich in einem optimalen

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Oberschenkelbein
Wadenbein
Kniescheibe
Schienbein
Abb.5.4: Knochen der unteren Extremität
Verhältnis der Masse zu ihrer Festigkeit
(siehe Abb. 5.5:Trajektorien der Röhrenknochen).
Kräften gegenüber sind sie bis zu
einem bestimmten altersabhängigen und individuell
variierenden Grenzbereich widerstandsfähig.
Der aktuelle Bereich der Widerstandsfähigkeit
ist ontogenetisch geprägt.
Schon am Ende des 19. Jahrhunderts haben
u.a. Meyer und Culmann, Wolff sowie Roux
auf das Bauprizip der Spongiosa entsprechend
der Beanspruchung und auf die funktionelle
Anpassung der Knochen hingewiesen.
Pauwels (1965) konnte nachweisen, dass sich
die Spongiosastruktur entsprechend den
Spannungslinien ausrichtet und dass sich
ebenfalls die Dicke der Kortikalis bzw. Kompakte
anpasst. Die Belastbarkeit der Knochen
erweitert sich mit zunehmendem Alter
bis zu einem Maximalwert und nimmt danach
durch chemische und hormonelle Prozesse
bedingt wieder ab. Individuell und durch
aktuelle Anpassungen (u.a. Sport, Krankheiten)
können Schwankungen auftreten. Ganz
allgemein reagieret ein Knochen auf optimale
Trainingsreize durch Dickenzunahme,Verbreiterung
seines Schaftes (Diaphyse) sowie
Verdickung seiner inneren Bälkchenstruktur
(Spongiosa).
In Abbildung 5.6 sind zwei Beispiele für die
Adaptation des Knochengewebes an Belastungen
dargestellt. Im Fall der Unterschenkelknochen
weisen das Schienbein wie auch
das Wadenbein des trainierten Sportlers einen
größeren Querschnitt auf. Die schematische
Wirbelsäule auf der rechten Seite stellt einen
Entwicklungsprozess eines Athleten dar, der
Abb. 5.5:
Schematische
Darstellung der
dreidimensionalen
Anordnung der
belastungstragenden
Spongiosastruktur
(Trajektorien) am
Beispiel des
Femurkopfes

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beim Untrainierten
durch
langjähriges
Training
Kortikalisdicke
beim Untrainierten
Kortikalisdicke
beim langjährig
trainierten Sportler
▲
▲
▲
▲
Abb. 5.6:
Adaptation der Unterschenkelknochen
und der Wirbelsäule
an sportliche Belastungen
Abb. 5.7:
Schematische Darstellung
von mechanischen
Belastungen
unbelastet
Traktion
(Zug)
Kompression
(Druck)
Kraft
Biegung
Torsion
(Windung)
sehr viel mit Hanteln trainierte. Die Wirbelkörper
wurden dadurch breiter, aber
gleichzeitig wurden sie auch gestaucht. Eine
größere Querschnittsfläche kann höhere
Druckkräfte kompensieren. Die Stauchung
kann jedoch im Alter ein Problem darstellen,
wenn die Muskulatur schwächer wird und die
Wirbelsäule nicht mehr optimal stützen kann.
Für einen normalen Bau sowie für die
Gesunderhaltung des axialen Skeletts sind
Druck- und Zugbelastungen ausschlaggebend.
Das Überschreiten der aktuellen
Grenzwerte der Widerstandsfähigkeit führt
spontan oder prozesshaft zu Schädigungen
des Knochens (Abb. 5.7).
Die verschiedenen Kraftwirkungen ergeben

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folgende mechanische Belastungsmöglichkeiten:
• Zugbelastungen
• Druckbelastungen
• Biegebelastungen
• Torsionsbelastungen
Diese Belastungen treten vorwiegend in
gemischter Form auf und wirken auf den
Bewegungsapparat in seiner Gesamtheit
(Knochen, Knorpel, Sehnen, Bänder, Muskeln).
Sie gehen mit elastischen Deformationen
der in die Belastung einbezogenen Systeme
einher.
Knochen als Hebel
Bewegungen des Menschen werden durch die
Extremitäten (Beine,Arme) realisiert, wobei
die Röhrenknochen als mechanische Hebel
wirken. Ihre grundlegenden mechanischen
Eigenschaften, Festigkeit und Länge, sind die
Voraussetzung zur Übertragung von Kräften
(F) über Hebel (l), d.h. zur Bildung von Kraftmomenten
(M), konkret von Muskelkraftmomenten.
M M
= F · l · sin(F; l)
(Nm)
Die langen Röhrenknochen der Extremitäten
bilden durch ihre Verbindungen, die
Gelenke, Hebelsysteme. Je nachdem, auf welcher
Seite der Drehachse innere oder äußere
Kräfte angreifen, entstehen einarmige oder
zweiarmige Hebel (Abb. 5.8 und 5.9).
Aus den Zeichnungen in Abbildung 5.8 ist
ersichtlich, dass der Kraftarm (Ansatz der
Muskelsehne bis Gelenkdrehpunkt) im Verhältnis
zum Lastarm relativ klein ist.
Daraus kann die Aussage getroffen werden,
dass das menschliche Bewegungssystem
mit Kraftverlust, aber mit Weggewinn
arbeitet.
Am menschlichen Skelettsystem wirkt das
klassische Hebelgesetz, die »goldene Regel
der Mechanik«:
F M · K a
= L · L a
Abb. 5.8:
Einarmiges Hebelsystem
am Beispiel
des Ellenbogengelenkes