Biomechanik des menschlichen Bewegungsapparates 5 · Diese Belastungen treten vorwiegend in ge-mischter Form auf und wirken auf den Bewe-gungsapparat in seiner Gesamtheit (Knochen,

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Aus mechanischer Betrachtungsweise kannder menschliche Bewegungsapparat in zweigroße Komplexe gegliedert werden: den pas-siven und den aktiven Teil.1

Als passiv werden alle Bausteine gewertet,die eine Stütz-, Bewegungs- und/oder Kraft-übertragungsfunktion haben. Der aktive Teilwird ausschließlich durch die Bewegung er-zeugenden Muskeln gebildet. In dieser Be-trachtung werden die inneren Organe, dasHerz-Kreislauf-System sowie das Nervensys-

tem ausgeblendet, obwohl sie durchaus einewesentliche Bedeutung für Bewegungen ha-ben.

Donskoi (1975, S. 32) schreibt dem Bewe-gungsapparat nachfolgende Funktionen zu:ü Energieursprungü Mechanismus der Übertragung von

Kräftenü Bewegungsobjektü Steuerungssystem

Teilsystem Funktion Mechanische Eigenschaften

Material in derTechnik

Knochen Stützelemente druck-, zug-, biege-und scherfest

Hartholz

Faserknorpel Stützelemente druckfest, elastisch,stoßdämpfend

Hartgummi

hyaliner Knorpel Gelenke minimale Reibung Kugellager

Synovialflüssigkeit Schmierung minimale Reibung Öl

Bänder Gelenkführung zugfest Seil

Sehnen Kraftüberträger zugfest Seil

Muskeln Motor kontraktil nicht bekannt

Nervensystem Kontroll- und Steuerorgane

Regelsysteme, Computer

Gefäßsystem Versorgung feine Vernetzung,Kapillarisierung

nur in lebenden Systemen

Haut Schutz zugfest Leder

Tab. 5.1: Teilsysteme des Menschen, ihre Funktion und mechanischen Eigenschaften

1 Donskoi (1975) unterscheidet aktive (der ganze Körper, der Bewegungsapparat) und passive (innere Organe, weiche und flüssige Gewebe)Systeme.

5Biomechanik desmenschlichenBewegungsapparates

05_Biomechanik 14.08.13 16:29 Seite 73

5.1 Passiver Bewegungs -apparat

Zum passiven Bewegungsapparat zählen dasaxiale Knochensystem, das Knorpelgewebe,Sehnen und Bänder. In der anatomischen Verbindung bilden sie die kinematischen Ket-ten, die unter Wirkung der Muskulatur stati-sche (Halte-) und dynamische (Bewegungs-)Funktionen zu erfüllen haben. Auf diese Systeme wirken zum einen von außen undzum anderen von innen, von den Muskelnselbst, Belastungen, die entsprechende Bean-spruchungen hervorrufen. Unter dem Aspektder Bewegung bilden die langen Röhrenkno-chen mit ihren gelenkigen Verbindungen He-belsysteme, die die Muskelzugkraft übertra-gen.

5.1.1 Axiales Knochenskelett

Um ihre Aufgabe als Stütz-, Halte- und Be-wegungssystem zu erfüllen, sind die Knochenaus zwei Bausteinen zusammengesetzt, diescheinbar gegensätzliche mechanische Eigen-schaften repräsentieren. Die anorganischenBestandteile (etwa 56 % sind Salze) geben

den Knochen seine große Festigkeit und Här-te, die organischen Anteile (etwa 27 %) seineElastizität.

Knochen besitzen die gleiche Elastizität wieEichenholz (130.000 kg/cm2), dieselbe Zug-festigkeit wie Kupfer oder Duraluminium(1.700 kg/cm2), ihre Druckfestigkeit ist mit1.500 kg/cm2 größer als die des Baumaterialsunserer höchsten Dome, Sand- bzw. Kalk-stein, und ihre statische Biegefestigkeit ent-spricht sogar der des besten Flussstahls(1.800 kg/cm

2). Trotz dieser hohen Werte für

die verschiedenen mechanischen Eigenschaf-ten können deutlich geringere Werte bei un-günstigen Belastungsrichtungen bzw. inKombinationen zur Zerstörung der Knochenführen.

Die Abbildung 5.2 zeigt eine typische Verlet-zung beim Skifahren, wenn bei einemSchwung die Ski in eine Schneewehe rut-schen. Es entstehen Biege- und Torsions be-lastungen, die zu einem Spiralbruch desSchien beins (Tibia) führen können.Entsprechend der Lage und der Funktion derKnochen variiert die Zusammensetzung der

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Biomechanik des menschlichen Bewegungsapparates

Abb. 5.1: Der Knochenmineral -gehalt im Altersgang(nach Weineck 2007)

Knochenmineralgehalt Menopause

Altersatrophie (alterüblich)

postklimakterischeOsteoporose (pathologisch)

100%

50%

20 30 40 50 60 70 80 Lebens -jahre


organischen und anorganischen Bestandteile.Grob lassen sich zwei Typen bilden: die plat-ten Knochen und die Röhrenknochen.2

Aus mechanischer Sicht haben die plattenKnochen vor allem Schutz-, Halte- und Tra-gefunktion. Typisches Beispiel dafür ist dasBecken. Es schützt die Eingeweide, trägt denTorso mit Kopf, Wirbelsäule, Armen usw.und bietet große Flächen für Muskelansätze(u.a. für den Musculus gluteus maximus, denGesäßmuskel) (Abb. 5.3).Dieser Knochen hat eine hohe Dichte mit ei-ner festen kompakten Struktur (hoher Anteilan Salzen), um den statischen Kraftwirkun-gen zu widerstehen.Von den 206 bis 212 Knochen des Skelettsys-tems des Menschen sind etwa 180 direkt anBewegungen beteiligt. Dabei sind besondersdie Röhrenknochen für die Kraftübertragungund als Bewegungsorgane tätig. Für dieseFunktion sollten sie nicht zu träge sein, alsonur eine geringe Masse besitzen, und dabeidoch fest und elastisch sein. Diese Anforde-rungen werden durch ihren Aufbau und ihreZusammensetzung erfüllt. Der Röhrenaufbau

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Passiver Bewegungs apparat

Abb. 5.2: Richtungsänderungbeim alpinen Skifahrenund typischer Spiral -bruch der Tibia

2 Daneben werden noch kurze (z.B. Fingerknochen) und unregelmä-ßige (z.B. Wirbelkörper) Knochen unterschieden.

Abb. 5.3: Das Becken

Kreuzbein Darmbein

Sitzbein

Abb. 5.4: Knochen der unteren Extremität

Kniescheibe

SchienbeinWadenbein

Ober-schenkelbein


garantiert eine geringe Dichte (geringe Träg-heit) und die Konstruktion der Knochenbälk-chen (Spongiosa), verbunden mit höherenAnteilen organischer Substanzen, ist dieGrundlage für die Festigkeit und die Elastizi-tät.Knochen sind entwicklungsgeschichtlich(phylogenetisch) durch Anpassung optimierteGebilde. Das äußert sich in einem optimalenVerhältnis der Masse zu ihrer Festigkeit (sie-he Abb. 5.5: Trajektorien der Röhrenkno-chen). Kräften gegenüber sind sie bis zu einem bestimmten altersabhängigen und indi-viduell variierenden Grenzbereich wider-standsfähig. Der aktuelle Bereich der Wider-standsfähigkeit ist ontogenetisch geprägt.

Schon Ende des 19. Jahrhunderts haben u.a.Meyer und Culmann, Wolff sowie Roux aufdas Bauprizip der Spongiosa entsprechendder Beanspruchung und auf die funktionelleAnpassung der Knochen hingewiesen.Pauwels (1965) konnte nachweisen, dass sichdie Spongiosastruktur entsprechend denSpannungslinien ausrichtet und dass sichebenfalls die Dicke der Kortikalis bzw. Kom-

pakte anpasst. Die Belastbarkeit der Knochenerweitert sich mit zunehmendem Alter bis zueinem Maximalwert und nimmt danach durchchemische und hormonelle Prozesse bedingtwieder ab. Individuell und durch aktuelle An-passungen (u.a. Sport, Krankheiten) könnenSchwankungen auftreten. Ganz allgemeinreagieret ein Knochen auf optimale Trai-ningsreize durch Dickenzunahme, Verbreite-rung seines Schaftes (Diaphyse) sowie Ver -dickung seiner inneren Bälkchenstruktur(Spongiosa).In Abbildung 5.6 sind zwei Beispiele für dieAdaptation des Knochengewebes an Belas-tungen dargestellt. Im Fall der Unterschenkel-knochen weisen das Schienbein wie auch dasWadenbein des trainierten Sportlers einengrößeren Querschnitt auf. Die schematischeWirbelsäule auf der rechten Seite stellt einenEntwicklungsprozess eines Athleten dar, dersehr viel mit Hanteln trainierte. Die Wir bel-körper wurden dadurch breiter, aber gleich-zeitig wurden sie auch gestaucht. Eine grö ße-re Querschnittsfläche kann höhere Druckkräf-te kompensieren. Die Stauchung kann jedochim Alter ein Problem darstellen, wenn dieMuskulatur schwächer wird und die Wirbel-säule nicht mehr optimal stützen kann.Für einen normalen Bau sowie für die Ge-sunderhaltung des axialen Skeletts sindDruck- und Zugbelastungen ausschlagge-bend. Das Überschreiten der aktuellen Grenz-werte der Widerstandsfähigkeit führt spontanoder prozesshaft zu Schädigungen des Kno-chens (Abb. 5.7).

Die verschiedenen Kraftwirkungen ergebenfolgende mechanische Belastungsmöglich-keiten:ü Zugbelastungenü Druckbelastungenü Biegebelastungenü Torsionsbelastungen

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Abb. 5.5: Schematische Darstellung der dreidimensio-nalen Anordnung der belastungstragenden Spongio-sastruktur (Trajektorien) am Beispiel des Femurkopfes


Diese Belastungen treten vorwiegend in ge-mischter Form auf und wirken auf den Bewe-gungsapparat in seiner Gesamtheit (Knochen,Knorpel, Sehnen, Bänder, Muskeln). Sie ge-hen mit elastischen Deformationen der in dieBelastung einbezogenen Systeme einher.

Knochen als HebelBewegungen des Menschen werden durch dieExtremitäten (Beine, Arme) realisiert, wobeidie Röhrenknochen als mechanische Hebel

wirken. Ihre grundlegenden mechanischenEigenschaften, Festigkeit und Länge, sind dieVoraussetzung zur Übertragung von Kräften(F) über Hebel (l), d.h. zur Bildung vonKraftmomenten (M), konkret von Muskel-kraftmomenten.

MM = F · l · sin(F; l) (Nm)

Die langen Röhrenknochen der Extremitätenbilden durch ihre Verbindungen, die Gelenke,

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Abb. 5.6: Adaptation derUnterschenkelknochenund der Wirbelsäule ansportliche Belastungen

Kortikalisdickebeim Untrainierten

Kortikalisdickebeim langjährigtrainierten Sportler

beim Untrainierten

durch langjähriges Training

Abb. 5.7:Schematische Darstel-lung von mechanischenBelastungen

unbe- lastet

KraftBiegung

Kompression(Druck)

Traktion(Zug)

Torsion(Windung)


Hebelsysteme. Je nachdem, auf welcher Seiteder Drehachse innere oder äußere Kräfte an-greifen, entstehen einarmige oder zweiarmigeHebel (Abb. 5.8 und 5.9).Aus den Zeichnungen in Abbildung 5.8 ist er-sichtlich, dass der Kraftarm (Ansatz der Mus-kelsehne bis Gelenkdrehpunkt) im Verhältniszum Lastarm relativ klein ist.

Am menschlichen Skelettsystem wirkt dasklassische Hebelgesetz, die »Goldene Regelder Mechanik«:

FM · Ka = L · LaF1 · s1 = F2 · s2

Wenn zum Beispiel der Bizeps sich um 1 cmverkürzt, legt die Hand einen Weg von ca. 10cm zurück. Gleichzeit muss der Bizeps zum

Halten von 50 N eine Muskelspannung von500 N entwickeln!Als ein unter täglichen Bedingungen ständigauftretendes Beispiel können die unterschied-lichen Belastungen zwischen Zweibein- undEinbeinstand betrachtet werden. Dobner undPerry (2001) analysierten für die Hüftgelenkebeim Zweibeinstand (siehe Abb. 5.9 links) ei-ne Belastung von je 270 N bei einer 810 Nschweren Person. Beim Einbeinstand dergleichen Person werden Kräfte von 2700 Nim Gelenk wirksam! Hierbei müssen die aus-gleichend arbeitenden Muskeln eine Span-nung von 2025 N erzeugen (siehe Abb. 5.9rechts). Diese nahezu zehnfache Belastungim Einbeinstand resultiert aus dem Wirken ei-nes zweiarmigen Hebels, dessen Lastarmdreimal länger ist als der Kraftarm. Hinzukommt noch die Spannung der Hüftmuskeln.Die relativ hohe Mobilität ist für das täglicheLeben eine grundlegende Notwendigkeit. Dieindividuellen Ausprägungen der Knochenhe-bellängen und der Sehnenansätze der Mus-keln bilden eine Grundlage für die unter-

Daraus kann die Aussage getroffen werden,dass das menschliche Bewegungssystemmit Kraftverlust, aber mit Weggewinn arbei-tet.

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Abb. 5.8: Einarmiges Hebelsystemam Beispiel des Ellen -bogengelenkes

ZweiarmigerHebel

EinarmigerHebel

KraftarmTrizeps

KraftarmBizeps

Drehachse

Kraftarm


schiedlichen Kraftübertragungen und damitauch für die sportliche Eignung in bestimm-ten Disziplinen.In Abbildung 5.10 sind zwei mögliche Kraft-armlängen bei gleichen Lastarmlängen dar-gestellt. Bei gleicher Muskelkraft ist das Muskelkraftmoment bei B um 50 % größerals bei A.

A ➝ MM = 1.000 · 0,04 = 40 Nm

B ➝ MM = 1.000 · 0,06 = 60 Nm

Wenn sich der Muskel bei beiden Personenum 3 cm verkürzt, bewegt sich der Unterarmbei A innerhalb eines größeren Winkels alsbei B (Abb. 5.11).

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Abb. 5.9: Belastungen in denHüftgelenken beimZweibein- (links) undEinbeinstand (rechts)

FH = 270 NFM ~ 0

FT = 540 N

FM = 2025 N

FT = 540 N+FTB = 135 N

FH = 2700 N FH Gelenkkraft Ka KraftarmTT Teilkörpergewicht La LastarmFM MuskelzugkraftFTB Teilkörpergewicht Bein

FHFH FT

FM

FH

FT

La

Ka

Abb. 5.10:UnterschiedlicheLängen der Kraftarmedes M. brachialis

Kraftarm

Lastarm

A

Fm Fm

B

Lastarm

Kraftarm


Mechanische Eigenschaften der GelenkeGelenke sind Verbindungselemente, die Rota-tionsbewegungen der Knochen bzw. der mitden Gelenkteilen verbundenen Glieder zuei-nander gewährleisten. Die Drehungen in denGelenken erfolgen auf den gekrümmtenOberflächen der verbundenen Knochenenden.Das eine Knochenende ist in der Regel alsKopf und das andere als Pfanne ausgebildet.Je nach Oberflächengestalt dieser zweiHauptbestandteile einschließlich der Anord-nung und Beschaffenheit des Bandapparatessind Drehbewegungen im Gelenk um eineoder mehrere Achsen möglich (Freiheitsgra-de).

Betrachtet man die Oberflächengestalt derGelenkköpfe, so erkennt man eine Ähnlich-keit mit Rotationskörpern wie Kugel, Ellipseoder Zylinder. Dementsprechend werden Ge-lenke auch als Kugelgelenk (Hüftgelenk), Ellipsoidgelenk (Handgrundgelenk) oderZapfengelenk (Ellenbogengelenk) gekenn-zeichnet (Abb. 5.12). Neben der Anzahl derDrehachsen interessiert die mögliche Bewe-gungsamplitude der Gelenkdrehung. Die Pro-blematik der Beweglichkeit oder Gelenkig-keit beeinflusst nicht nur die sportliche Leis-tung, sondern hat auch Auswirkungen aufAlltags- und Arbeitsbewegungen (vgl. Abb.5.13).

Unter Bewegungsamplitude versteht man denWinkelbereich, in dem die Bewegung derKörperteile in einer bestimmten Ebene erfol-gen kann. Der Winkelbereich wird durch fol-gende Faktoren bestimmt:ü Aufbau der Knochenteile (Kopf und Pfan-

ne)ü Anordnung, Spannung und Dehnbarkeit

der Bänder und der Kapselü Dehnbarkeit der Muskelnü Kraft der Muskeln bzw. äußerer Belastun-

genü Konturen des umgebenden Muskel- und

Fettgewebes

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Abb. 5.11: Bewegungsamplitude bei verschiedenenMuskelansätzen

A

B

a b c d e

Abb. 5.12: Schematische Darstel- lung der Gelenktypen:a = Kugelgelenk,b = Scharniergelenk,c = Zapfengelenk,d = Ei- oder

Ellipsoidgelenk,e = Sattelgelenk


Insbesondere geeignetes Muskeltraining(Kräftigung und/oder Stretching) vergrößertdie Bewegungsamplitude der Gelenke bzw.verringert ihre Einschränkung.

Kontrollfragen1. Beschreiben Sie die Zusammensetzung

der Knochen sowie davon abhängige me-chanische Eigenschaften.

2. Weisen Sie den Zusammenhang zwischenForm bzw. Aufbau der Knochen und denmechanischen Funktionen nach!

3. Welche Aufgaben müssen die Knochendes axialen Skelettes für die Haltung undBewegung des Menschen realisieren? Ge-hen Sie näher auf die Gruppen der plattenKnochen und der Röhrenknochen ein.

Abb. 5.13: Hypermobilität in der Hals- und Lendenwir-belsäule (nach Tittel 1994)

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ü Knochen bilden das innere Stützsystemdes Körpers (axiales Skelett).

ü Knochen entwickeln ein optimales Ver-hältnis zwischen ihren Masse- und ent-sprechenden Festigkeitseigenschaften,dabei entspricht der jeweilige Aufbau ih-rer Funktion.

ü Knochen sind aus mechanischer SichtElemente zur Kraftübertragung. Insbe-sondere die langen Röhrenknochen wer-den als einarmige oder zweiarmige He-bel wirksam.

ü Knochen sind widerstandsfähig gegen-über Belastungen (Zug, Druck, Biegung,Torsion), unter denen sie eine elastischeDeformation erfahren. Bei Überbelas-

Merke

tungen kann die Knochenstruktur zer-stört werden.

ü Knochen können kurzzeitig Energiespeichern, sie besitzen im beschränktenMaße Federeigenschaften.

ü Gelenke verbinden die Knochen zuGliedersystemen, die Rotationsbewe-gungen beteiligter Knochen ermögli-chen.

ü Entsprechend dem Aufbau der Gelenkeergeben sich ein bis drei rotatorischeFreiheitsgrade, die ein-, zwei- oder drei-achsige Gelenke ergeben.

ü Die Bewegungsweite oder -amplitudeder Gelenke wird durch folgende Fakto-ren beeinflusst:1. knöcherner Aufbau von Gelenkkopf

und -pfanne2. Anordnung, Spannung und Dehnbar-

keit der Bänder und der Gelenkkapsel3. Dehnbarkeit des Sehnen-Muskel-Ap-

parates4. Kraft des Muskelzuges bzw. des Be-

trages von äußeren Kräften5. Konturen des umgebenden Muskel-

und Fettgewebesü Dehnungs- und Krafttraining beeinflus-

sen im Wesentlichen die Bewegungsam-plitude der Gelenke.


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