Jenaer Beiträge Nr. 15 - Sport Geschichte Jena

Strömungsuntersuchungen der
Unterwasser-Delphinbewegung
Stefan Hochstein
Lehrstuhl für Bewegungswissenschaft, Institut
für Sportwissenschaft, Friedrich-Schiller-
Universität Jena
Einleitung
Um hohe Schwimmgeschwindigkeiten über einen langen
Zeitraum aufrecht zu erhalten, erfordert dies zum einen
eine hohe maximale Schwimmgeschwindigkeit und zum
anderen eine effiziente Schwimmtechnik. Je nach Länge
der Schwimmstrecke besteht somit immer ein Abwägen
für maximalen Schub (kürzere Strecken) oder effizienten
Schwimmen (längere Strecken).
Durch die Variation der Bewegungsmuster versuchen
Hochleistungsschwimmer die Vor- und Nachteile verschiedener
Bewegungsvarianten zu überprüfen, mit dem Ziel,
durch geschickte Bewegungen einen optimalen Vortrieb
(maximaler Schub oder effizientes Schwimmen) zu erreichen.
Diese aufwendigen Trainingsphasen im Versuch-Irrtum-Prinzip,
zum Teil basierend auf Erkenntnissen aus der
Fischlokomotion, sind vor allem aus Mangel an systematischen
experimentellen und numerischen Strömungsuntersuchungen
notwendig.
Dabei würde eine gezielte Untersuchung der erzeugten
Strömungsmuster helfen, die vor- und nachteiligen Bewegungsmuster
in ihrer strömungsmechanischen Wirkung zu
verstehen und darauf aufbauend ein Bewegungsmuster für
optimalen und effizienten Vortrieb zu erarbeiten.
Bis zu dem Zeitpunkt, an dem die FINA bei allen
Schwimmarten die maximale Tauchphase auf 15 m nach
Start und Wende reglementierte, traten bei Wettkämpfen
immer wieder einige spezialisierte Schwimmer auf, die
ihre Unterwasserphase auf 25 m oder mehr verlängerten
und sich dadurch einen Zeitvorteil gegenüber ihren Kontrahenten
verschafften. Seit dem hat sich die Delphinbewegung,
auch Delphinkicks genannt, im Wettkampfschwimmen
nach dem Start und jeder Wende etabliert.
In Anlehnung an die undulatorische Fischlokomotion wird
die menschliche Delphinbewegung unter Wasser auch als
undulatorische Welle bezeichnet. Dabei bewegt sich von
den Fingern bis zu den Zehen eine Krümmungswelle durch
den Körper. Für den Fall, dass die Wellgeschwindigkeit
dieser Welle größer ist als die Schwimmgeschwindigkeit,
erzeugt der Schwimmer Vortrieb; ist sie jedoch kleiner,
dann wirkt die Welle als Bremse.
Die menschliche Unterwasser-Delphinbewegung war Fokus
einiger Untersuchungen (z.B. Arellano et al., 2002;
von Loebbecke et al., 2009), jedoch wurde dabei fast ausschließlich
kinematische Parameter betrachtet. Untersuchungen
zur Strömung in der Umgebung des Schwimmers
wurden, wenn, dann nur vereinzelt unter Zuhilfenahme
einfachster Methoden (z.B. mit eingestreuten Luftblasen,
Arellano, 1999) durchgeführt. Bis heute ist die Analyse
und Dokumentation der Strömung in der Umgebung des
Schwimmers in der Literatur kaum vorhanden.
Diese Studie berichtet über die Kinematik und die Strömung
in der Umgebung des Schwimmers. Die Schwimmgeschwindigkeit
resultiert ausschließlich aus der undulatorischen
Bewegung des Schwimmers.
Material & Methoden
Mit zwei erprobten Leistungsschwimmern (beide weiblich;
Proband 1: Alter: 26 Jahre, Körpergröße: 1.78 m, Körpergewicht:
73 kg und Proband 2: 24 Jahre, 1.67 m, 56.5
kg) wurden in einem Versuchsbecken des Institut für Sport
und Sportwissenschaft in Heidelberg (20 m x 8 m x 0.5–2
m) reproduzierbare Bewegungsmuster beim Delphinschlag
aufgezeichnet und Messungen des instationären Strömungsfeldes
mit Hilfe der zeitaufgelösten Particle Imaging
Velocimetry (PIV) durchgeführt. Dabei werden dem Wasser
kleine 100µm dicke Teilchen hinzu gegeben, die im Wasser
schweben. Das Prinzip der PIV besteht darin, die Verschiebung
einer großen Zahl dieser Teilchen aus zwei kurzzeitig
hintereinander aufgenommenen Bildern zu berechnen. Die
Partikel werden typischerweise mit Hilfe von Laserlicht angestrahlt.
Aus der Verschiebung der Teilchen lassen sich
mit Hilfe eines Korrelationsalgorithmus die Geschwindigkeitsvektoren
bzw. ein Geschwindigkeitsfeld bestimmen.
Die Schwimmer schwammen die Unterwasser-Delphinbewegung
in Bauchlage mit ihrer bevorzugten Frequenz. Eine
Schwimmtiefe von mindestens 0.8 m wurde vorgegeben,
um Oberflächenwellenwiderstände infolge von Wellenbildung
vernachlässigen zu können (Vennell et al., 2006; Vorontsov
und Rumyantsev, 2000). Der Start erfolgte 10 m
vom Beobachtungsfenster entfernt im Flachwasserbereich
ohne Abstoßen von der Wand. Damit konnte sicher gestellt
werden, dass die Schwimmgeschwindigkeit einzig durch
die undulatorische Bewegung resultiert und nicht durch
das Abstoßen von der Wand. Um vergleichbare Situationen
zu schaffen erhielten beide Probandinnen die Anweisung,
mit maximalem Schub zu schwimmen.
Strömungsbewegung und Kinematik wurden dabei gleichzeitig
durch zwei Kameras aufgenommen. Selbstgebaute
LED-Marker wurden zur Erfassung der kinematischen Daten
auf den einzelnen Gelenkpunkten fixiert und durch
eine Videokamera (Basler A602fc, Leihgabe des OSP Heidelberg)
mit 30 Bildern/s aufgenommen, anschließend
durch WinAnalyze 2.1 (MikroMak, Berlin) digitalisiert und
mit MATLAB 2006a (The Math Works Inc.) und SPSS 15.0
(SPSS Inc.) ausgewertet.
Die horizontale Schwimmgeschwindigkeit wird aus der linearen
Regression der horizontalen Position des Hüftmarkers
berechnet, da dieser in guter Nährung als Massenmittelpunkt
angesehen werden kann. Die Geschwindigkeit der
durch den Körper laufenden undulatorischen Welle, abgeleitet
aus den 2-D Koordinaten (xi,yi) der einzelnen Gelenkmarkerpunkte,
wird durch die lineare Regression des
Abstands der einzelnen Marker über der Zeitverzögerung
hinsichtlich ihrer Minima bzw. Maxima berechnet.
Dimensionslose Kenngrößen der Strömungsdynamik, wie
Froude-Effektivität und Strouhal-Zahl (der Kehrwert der
Strouhal-Zahl gibt dabei den Fortschrittsgrad des Schwimmers
pro Schlag als Vielfaches der Amplitude an) wurden
berechnet.
Die Bewegung der schwebenden Partikel wurde durch
eine separate Hochgeschwindigkeitskamera (Photron ultima
APX 120k) mit 250 Hz erfaßt. Lokale Geschwindigkeitsfelder
wurden in DaVis 7.2 (LaVision, Göttingen)
mittel eines Kreuz-Korrelations-Rhythmus berechnet und
in TecPlot 360 2009 (TecPlot Inc., USA) graphisch weiter
aufgearbeitet.
Ergebnisse
Der zeitliche Verlauf der Gelenkwinkel beim Menschen
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