Biomechanik des menschlichen Bewegungsapparates - Spitta

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Biomechanik des menschlichen Bewegungsapparates 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 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. Abb. 5.5: Schematische Darstellung der dreidimensionalen Anordnung der belastungstragenden Spongiosastruktur (Trajektorien) am Beispiel des Femurkopfes Schon 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 Ver - dickung 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 sehr viel mit Hanteln trainierte. Die Wir belkörper wurden dadurch breiter, aber gleichzeitig wurden sie auch gestaucht. Eine grö ßere 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 folgende mechanische Belastungsmöglichkeiten: ü Zugbelastungen ü Druckbelastungen ü Biegebelastungen ü Torsionsbelastungen 76
Passiver Bewegungs apparat beim Untrainierten Kortikalisdicke beim Untrainierten durch langjähriges Training 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) 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, 77
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