VL Bewegungswissenschaft VL Bewegungswissenschaft 4. Die biomechanische Betrachtungsweise

VL VL BewegungswissenschaftBewegungswissenschaft

4. Die biomechanische Betrachtungsweise

BiomechanikBiomechanik ProgrammProgramm

• Biomechanik als Disziplin• Kinematik in Beispielen• Dynamik in Beispielen• Die biomechanischen

Prinzipien• Bilanz

BiomechanikBiomechanik

BiomechanikBiomechanik

Biomechanikuntersucht die Strukturen und Funktionen biologischer Systeme aus mechanischer Perspektive

Gegenstand der Biomechanik des Sports sind sportliche Bewegungen

Aufgaben: Objektive, quantitative Beschreibung und Erklärung (i.S. Zurückführung auf mechanische Ursachen) der Phänomene

DefinitionDefinition

BiomechanikBiomechanik Das „Bio“ in BiomechanikDas „Bio“ in Biomechanik

Mechanische Gesetzmäßigkeiten Idealisierungen (Massepunkt,

geometrische Flächen, Körperschwerpunkt, ...)

Deterministische Aussagen

aber ... Biologische Systeme (Gewebe,

Knochen, Muskeln, ...) Ausdehnungen und Wechselwirkungen

mit Umwelt Komplexität und Dynamik

Grundsätzliches oder vorübergehendes Problem?

BiomechanikBiomechanik Anwendungsfelder der BiomechanikAnwendungsfelder der Biomechanik

Leistungsbiomechanik Technikanalysen Konditionsdiagnostik

Anthropometrische Biomechanik Körpermodelle Eignung für Sportarten

Präventive Biomechanik Erfassung mechanischer Belastungen Minimierung durch Modifikation von

Bewegungen

Biomechanische Modellierung

BiomechanikBiomechanik

Kinematik: Beschreibung des räumlich-zeitlichen Ablaufes von Bewegungen, z.B. durch Weg, Zeit, Winkel, Geschwindigkeit.

Dynamik:Lehre von den Kräften und ihren Wirkungen auf Körper: Kräfte, Impulse, Momente

Biomechanische TeilgebieteBiomechanische Teilgebiete

BiomechanikBiomechanik Biomechanische BeschreibungsgrößenBiomechanische Beschreibungsgrößen

Biomechanische BeschreibungsgrößenBiomechanische Beschreibungsgrößen

KinematischeMerkmale

DynamischeMerkmale

Zeit-merkmale

Transla-torische

Merkmale:

•Länge•Geschwin-digkeit•Beschleu-nigung

Rota-torische

Merkmale:

•Winkel•Winkelge-schwindigk.•Winkelbe-schleunigg.

•Zeiten•Teilzeiten•Frequenzen

Transla-torische

Merkmale:•Masse•Impuls•Kraft•Kraftstoß•Arbeit•Energie•Leistung

Rota-torische

Merkmale:•Massenträg-heitsmoment•Drehimpuls•Dreh-moment•Dreh-momentstoß

KinematikKinematik

BiomechanikBiomechanik Weg-Geschwindigkeit-BeschleunigungWeg-Geschwindigkeit-Beschleunigung

s

tv

ta

t0

gleichförmig

v

ta

t0

gleichmäßigpositiv beschleunigt

s

tv

ta

t0

gleichmäßignegativ beschleunigt

s

t

BiomechanikBiomechanik

v

0 100 m

100m-Lauf100m-Lauf

Reaktionszeit/Latenzzeit

Anfangsbeschleunigung

Maximalgeschwindigkeit

Geschwindigkeitsverlust

BiomechanikBiomechanik Translatorische Merkmale

Schlägerkopf im Abschwung

a = Meter pro Sekunde*2 [m/s2]

Beschleunigung

Schlägerkopf im Impactv = Meter pro Sekunde [m/s]

Geschwindigkeit

Haltung im SetupMeter [m]Lage

SchlaglängeMeter [m]Länge

GolfbeispielEinheitMerkmal

BiomechanikBiomechanik

Pro Proette

Lagemerkmale GolfLagemerkmale Golf

BiomechanikBiomechanik Schlaglängen im GolfSchlaglängen im Golf

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

SW

PW

E9

E8

E7

E6

E5

E4

E3

H5

H3

H1

Schlaglängen von Durchschnittsgolfern pro Schläger

BiomechanikBiomechanik Geschwindigkeitsmerkmale GolfGeschwindigkeitsmerkmale Golf

BiomechanikBiomechanik Zeitmerkmale

Spin des GolfballesSekunde-1 [1/s]Frequenz

Relation Auf- /Abschwung

Sekunde [s]Zeit

GolfbeispielEinheitMerkmal

BiomechanikBiomechanik Zeitmerkmale GolfZeitmerkmale Golf

Teilzeiten bei Golfschlägen

633 682

288 246

0

200

400

600

800

1000

50m-Pitch 100m-Pitch

ms

ec

Abschwung

Aufschwung

BiomechanikBiomechanik SpinratenSpinraten

• Kurze Eisen: >200 Hz• Mittlere Eisen: 100-165 Hz• Holz 1: 50-60 Hz

Amateure: 61-62 Hz Tour-Pros: 50-52 Hz Tiger Woods: 37 Hz

BiomechanikBiomechanik Winkelmerkmale

Schwungbahna = /t [m/s2]:Winkel-beschleunigung

Schwungbahn = /t [°/s]Winkel-geschwindigkeit

Loft, Verwringung [°]Winkel

GolfbeispielEinheitMerkmal

BiomechanikBiomechanik Loft und LängeLoft und Länge

0

10

20

30

40

50

60

70

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

Länge [m]

Loft

[°]

Eisen

Hölzer

BiomechanikBiomechanik Winkelmerkmale GolfWinkelmerkmale Golf

BiomechanikBiomechanik

Impact

Hüftwinkel

Schulterwinkel

t

0

90

Verwringung Golf qual.Verwringung Golf qual.

VorspannungRumpf

BiomechanikBiomechanik Verwringung quant.Verwringung quant.

BiomechanikBiomechanik Winkelgeschw./beschl. GolfWinkelgeschw./beschl. Golf

BiomechanikBiomechanik Messmethoden der KinematikMessmethoden der Kinematik

1. (Hochfrequenz-) Videoaufnahmen Digitalisierung Rekonstruktion der räuml.-zeitl.

Parameter

2. Direkte Messungen z.B. LAVEG, Laserentfernungsmesser alle 0.01 s Abstand zum anvisierten

Objekt

BiomechanikBiomechanik Illustration KinematikIllustration Kinematik

DynamikDynamik

BiomechanikBiomechanik Dynamische Merkmale

Impactm* v [Ns]Impulsänderung

Verteilung der Gewichtskraft

F [N]Kraft

GolfbeispielEinheitMerkmal

ImpactF *t [Ns]Kraftstoß

BiomechanikBiomechanik

Kraftstoß Kraftmaximum während Kontakt:

F=9000N Kontaktzeit: t=0.0005s

Impulsänderung Masse des Golfballs: m=46g Geschwindigkeitsänderung: v =

200km/h

Dynamik des ImpactsDynamik des Impacts

BiomechanikBiomechanik

Einsatz von KraftmeßplattformenKraftaufnehmerBeschleunigungsaufnehmer F=m*a

Messmethoden der DynamikMessmethoden der Dynamik

BiomechanikBiomechanik Illustration DynamikIllustration Dynamik

Die biomechanischen Die biomechanischen PrinzipienPrinzipien

Hochmuth, 1974

BiomechanikBiomechanik

„Kriterien zur Bewertung der Zweckmäßigkeit von

Bewegungen“ Hochmuth, 1974

Keine mechanischen Gesetzmäßigkeiten

Keine eindeutigen Vorschriften

Definition, WesenDefinition, Wesen

BiomechanikBiomechanik Die biomechanischen PrinzipienDie biomechanischen Prinzipien

1. Prinzip der Anfangskraft2. Prinzip des optimalen

Beschleunigungsweges3. Prinzip der optimalen Tendenz im

Beschleunigungsverlauf4. Prinzip der zeitlichen Koordination von

Teilimpulsen5. Prinzip der Impulserhaltung6. Prinzip der Gegenwirkung

BiomechanikBiomechanik 1. Prinzip der Anfangskraft1. Prinzip der Anfangskraft

Begründung von Ausholbewegungen: Zielbewegung beginnt auf höherem Kraftniveau, wenn Ausholbewegung abgebremst wird

Optimalitätseigenschaft: nicht zu viel, nicht zu wenig = optimal

BiomechanikBiomechanik AnfangskraftAnfangskraft

t0

t1

t2

t3

t4

F

tCMJSJ

BiomechanikBiomechanik 2. Optimaler Beschleunigungsweg2. Optimaler Beschleunigungsweg

Ziel: hohe EndgeschwindigkeitOptimalitätseigenschaft:

nicht zu lang, nicht zu kurzGeradlinig oder stetig gekrümmtBeispiel: Kugelstoßen

BiomechanikBiomechanik 3. Opt. Tendenz 3. Opt. Tendenz BeschleunigungsverlaufBeschleunigungsverlauf

Ziel hohe Endgeschwindigkeit: größte Beschleunigungen am Ende der Strecke! Beispiele Würfe und Stöße

Ziel geringer Zeitverbrauch:größte Beschleunigung zu Beginn der Strecke! Beispiele: Boxen, Fechten

BiomechanikBiomechanik 4. Koordination von Teilimpulsen4. Koordination von Teilimpulsen

Mechanik: Neuer Impuls, wenn letzter Beweger maximale Geschwindigkeit erzielt hat Teilimpulse unabhängig,

Geschwindigkeit additiv

Biomechanik: Neuer Impuls, kurz nach Maximum des letzten! Gliederkette, abbremsen des letzten

Bewegers verbessert die Beschleunigung des nächsten!

„Peitscheneffekt“

BiomechanikBiomechanik Peitscheneffekt im GolfPeitscheneffekt im Golf

BiomechanikBiomechanik Bilanz: Biomechanische PrinzipienBilanz: Biomechanische Prinzipien

Nützlich zum Hochmuthschen Zweck!

Qualitative Aussagen!I.d.R. OptimalitätseigenschaftenKeine Gesetze!Keine Theorien!Empirisch teilweise in Frage gestellt!

BilanzBilanz

BiomechanikBiomechanik

• Erfassung des Außenbildes• Kräfte sind keine „Ursachen“ im

sportmethodischen Sinne • Praxisrelevanz der Befunde• Abhängigkeit von Meßapparatur• Fragen der Modellbildung

Entweder: einfach, abstrakt, mit wenig Erklärungsgehalt

Oder: mit viel Erklärungsgehalt, konkret, genau, dann sehr schwierig

Biomechanische BetrachtungsweiseBiomechanische Betrachtungsweise