Jenaer Beiträge Nr. 15 - Sport Geschichte Jena

zeigt vor allem im Beinbereich (Knie-, Hüft- und Sprunggelenk)
deutliche Abweichungen von einem sinodialen
Verlauf auf (Abb. 1a). Der Absolutwert der längenspezifischen
Amplitude (Amplitude durch Gesamtkörperlänge L)
zeigt ein von Null verschiedenes Minimum in der Schulterregion
und wächst quadratisch anterior (Hand) und posterior
(Hüfte, Knie, Sprunggelenk, Fuß) bis zu dem Wert
0.23L an. Es gibt somit keinen Punkt, der keine vertikale
Oszillation ausführt. Die Schlagfrequenz wächst signifikant
mit der längenspezifischen Schwimmgeschwindigkeit und
bezüglich der Wellengeschwindigkeit der Körperwelle an.
Beide Probanden zeigen konsistent Strouhal-Zahlen zwischen
0.8 und 1.0.
Wirbelablösungen wurden hauptsächlich in der Region des
Kopfes und vor allem in der Beinregion beobachtet, in der
die größten Wirbelstärken auftreten.
Diese Wirbelablösungen entstehen entweder an Ecken und
Kanten wie dem Kopf oder besonders in Regionen hoher
Winkelbeschleunigung an den Gelenken, z.B. dorsal vom
Knie durch die Kniebeugung oder ventral vom Knie durch
die Kniestreckung (Abb. 1b).
Diskussion
Die Studie zeigt zum einen die kinematischen Parameter
sowie das Strömungsbild der menschlichen Unterwasser-
Delphinbewegung. Obwohl der menschliche Körper weit
entfernt vom flexiblen stromlinienförmigen Körperbau
des Fischs ist und aufgrund der evolutionsbedingten anatomischen
Limitation der Bewegung vor allem im Knie-,
Hüft- und Sprunggelenk, versuchen Schwimmer erfolgreiche
Strategien aus der Fischlokomotion zu kopieren.
Überraschender Weise zeigt die Verteilung der Absolutwerte
der Amplituden entlang des Körpers einen ähnlichen
Verlauf zu dem, der bei Fischen beobachtet wurde (Bainbridge,
1958; Liao, 2002). Dabei ist die Schlagamplitude
für menschliche Schwimmer (in Übereinstimmung zu von
Loebbecke et al., 2009) etwa ein Viertel der Gesamtkörperlänge
analog zur Fischlokomotion (z.B. Bainbridge,
1958).
Die Strouhal-Zahlen der Schwimmer liegen im Bereich von
0.76 bis 1.04 und sind somit deutlich über dem optimalen
Bereich für effektives Schwimmen und Fliegen in der Tierwelt
(Taylor et al., 2003; Triantafyllou and Triantafyllou,
1995) und in Übereinstimmung mit den Ergebnissen von
18
Loebbecke et al. (2009, Bereich: 0.45 – 1.08). Die Unterschiede
sind durch den unterschiedlichen Versuchsablauf
bedingt. In der Studie von Loebbecke haben die Schwimmer
durch das Abstoßen von der Wand höhere Schwimmgeschwindigkeiten
im Vergleich zum hier gezeigten „freien
Schwimmen“, bei der der Schub einzig durch die undulatorische
Bewegung erzeugt wurde.
Der menschliche Schwimmer zeigt ein höchst komplexes
Strömungsbild. Bei allen Aufnahmen wurden Wirbelbildungen
im Kopfbereich beobachtet. Numerische 2–D Strömungssimulationen
(Zaïdi et al., 2008) zeigten, dass die
Kopfposition einen deutlichen Einfluss auf die hydrodynamische
Leistung besitzt und dadurch wesentlich die Strömung
um den Schwimmer verändert wird.
Da Wirbelbildung und Ablösung sind zu aller erst ein Energieverlust
für das System (d.h. die Schwimmgeschwindig-
Abbildung 1. a) Typischer Verlauf der Gelenkwinkel bzgl. der auf die Schlagperiode T normierten Zeit. b) Wirbelbildung im Beinbereich am
Ende des Abschlags.
keit nimmt ab), sollte diese vermieden werden. Wenn es
jedoch unvermeidbar ist, dass sich Wirbel bilden und ablösen,
dann sollte eine Strategie des Schwimmers sein, die
Energie der Wirbel zur Erhöhung des Vortriebs wieder zu
benutzen („vortex re-capturing”, Hochstein et. al, 2009).
Alles in allem handelt es sich bei der menschlichen Unterwasser-Delphinbewegung
um ein komplexes Zusammenspiel
zwischen Wirbelbildung und Zerstörung. Nachfolgende
Studien müssen klären inwieweit und vor allem
wie der Schwimmer die Energie in der richtigen Art nutzen
kann.
Danksagung
Die Autoren bedanken sich beim Institut für Sport und
Sportwissenschaft der Universität Heidelberg für die Nutzung
des Beckens sowie bei den Schwimmern für ihre Bereitschaft.
Weiterhin bedanken wir uns bei Markus Buchner
(Universität Heidelberg) und Hans-Wolfgang Döttling (OSP
Rhein-Neckar) für Ihre Hilfe während der Experimente sowie
bei Sebastian Kunze und Christoph Brücker (TU Freiberg)
für die Hilfe bei der Auswertung der Strömungsbilder.
Ohne Horst Bleckmann (Universität Bonn), Cam Tropea
und David Rival (TU Darmstadt), die die Risiken der Bereitstellung
des PIV-Systems auf sich genommen haben,
wäre diese Untersuchung nicht möglich. Gefördert durch
das DFG-Schwerpunkprogramm 1207: „Strömungsbeeinflussung
in Natur und Technik“, BL 236/17-1.