Jenaer Beiträge Nr. 15 - Sport Geschichte Jena

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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.
Literatur •Arellano, R. (1999). Vortices and Propulsion. In R. Sanders & J. Linsten (Hrsg.), SWIMMING: Applied Proceedings of the XVII International Symposium on Biomechanics in Sports, 53–65 •Arellano, R., Pardillo, S., Gavilan, A. (2002). Underwater undulatory swimming: kinematic characteristics, vortex generation and application during the start, turn and swimming strokes. In: Proceedings of the XXth International Symposium on Biomechanics in Sports, Universidad de Granada. •Bainbridge, R. (1958). The Speed of Swimming of Fish as Related to Size and to the Frequency and Amplitude of the Tail Beat. Journal of Experimental Biology, 35 (1), 109–133. •Hochstein, S., Blickhan, R., Reischle, K., Kunze, S., Brücker, C. (2009). Swimming like a fish? First evidence of vortex re-capturing. In A. Duarte, J. Cabri, J. Barreiros (Hrsg.), European Workshop on Movement Sciences, Faculdade de Motricidade Humana, Lisbon, 89. •Liao, J. C. (2002). Swimming in needlefish (Belonidae): anguilli form locomotion with fins. Journal of Experimental Biology, 205 (18), 2875–2884. •von Loebbecke, A., Mittal, R., Fish, F., Mark, R. (2009). A comparison of the kinematics of the dolphin kick in humans and cetaceans, Human Movement Science, 28 (1) 99–112 •Taylor, G. K., Nudds, R. L., Thomas, A. L. R. (2003). Flying and swimming animals cruise at a Strouhal number tuned for high power efficiency, Nature, 425 (6959), 707–711 •Triantafyllou, M. S., Triantafyllou, G. S. (1995). An efficient swimming machine, Scientific American, 272, 64–71. •Vennell, R., Pease, D., Wilson, B. (2006). Wave drag on human swimmers. Journal of Biomechanics, 39, 664–671. •Vorontsov, A. R., Rumyantsev, V. A. (2000). Propulsive Forces in Swimming. In Biomechanics in Sport, Vol. 1, Blackwell Science Ltd., Oxford, S. 184–204. •Zaïdi, H., Taïar, R., Fohanno, S., Polidori, G. (2008). Analysis of the effect of swimmer’s head position on swimming performance using computational fluid dynamics., Journal of Biomechanics, 41 (6), 1350–1358. 19
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