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VL Bewegungswissenschaft VL Bewegungswissenschaft 4. Die biomechanische Betrachtungsweise

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Page 1: VL Bewegungswissenschaft VL Bewegungswissenschaft 4. Die biomechanische Betrachtungsweise

VL VL BewegungswissenschaftBewegungswissenschaft

4. Die biomechanische Betrachtungsweise

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BiomechanikBiomechanik ProgrammProgramm

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

Prinzipien• Bilanz

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BiomechanikBiomechanik

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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

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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?

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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

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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

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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

Page 9: VL Bewegungswissenschaft VL Bewegungswissenschaft 4. Die biomechanische Betrachtungsweise

KinematikKinematik

Page 10: VL Bewegungswissenschaft VL Bewegungswissenschaft 4. Die biomechanische Betrachtungsweise

BiomechanikBiomechanik Weg-Geschwindigkeit-BeschleunigungWeg-Geschwindigkeit-Beschleunigung

s

tv

ta

t0

gleichförmig

v

ta

t0

gleichmäßigpositiv beschleunigt

s

tv

ta

t0

gleichmäßignegativ beschleunigt

s

t

Page 11: VL Bewegungswissenschaft VL Bewegungswissenschaft 4. Die biomechanische Betrachtungsweise

BiomechanikBiomechanik

v

0 100 m

100m-Lauf100m-Lauf

Reaktionszeit/Latenzzeit

Anfangsbeschleunigung

Maximalgeschwindigkeit

Geschwindigkeitsverlust

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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

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BiomechanikBiomechanik

Pro Proette

Lagemerkmale GolfLagemerkmale Golf

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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

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BiomechanikBiomechanik Geschwindigkeitsmerkmale GolfGeschwindigkeitsmerkmale Golf

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BiomechanikBiomechanik Zeitmerkmale

Spin des GolfballesSekunde-1 [1/s]Frequenz

Relation Auf- /Abschwung

Sekunde [s]Zeit

GolfbeispielEinheitMerkmal

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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

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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

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BiomechanikBiomechanik Winkelmerkmale

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

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

Loft, Verwringung [°]Winkel

GolfbeispielEinheitMerkmal

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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

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BiomechanikBiomechanik Winkelmerkmale GolfWinkelmerkmale Golf

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BiomechanikBiomechanik

Impact

Hüftwinkel

Schulterwinkel

t

0

90

Verwringung Golf qual.Verwringung Golf qual.

VorspannungRumpf

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BiomechanikBiomechanik Verwringung quant.Verwringung quant.

Page 24: VL Bewegungswissenschaft VL Bewegungswissenschaft 4. Die biomechanische Betrachtungsweise

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

Page 25: VL Bewegungswissenschaft VL Bewegungswissenschaft 4. Die biomechanische Betrachtungsweise

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

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BiomechanikBiomechanik Illustration KinematikIllustration Kinematik

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DynamikDynamik

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BiomechanikBiomechanik Dynamische Merkmale

Impactm* v [Ns]Impulsänderung

Verteilung der Gewichtskraft

F [N]Kraft

GolfbeispielEinheitMerkmal

ImpactF *t [Ns]Kraftstoß

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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

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BiomechanikBiomechanik

Einsatz von KraftmeßplattformenKraftaufnehmerBeschleunigungsaufnehmer F=m*a

Messmethoden der DynamikMessmethoden der Dynamik

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BiomechanikBiomechanik Illustration DynamikIllustration Dynamik

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Die biomechanischen Die biomechanischen PrinzipienPrinzipien

Hochmuth, 1974

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BiomechanikBiomechanik

„Kriterien zur Bewertung der Zweckmäßigkeit von

Bewegungen“ Hochmuth, 1974

Keine mechanischen Gesetzmäßigkeiten

Keine eindeutigen Vorschriften

Definition, WesenDefinition, Wesen

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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

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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

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BiomechanikBiomechanik AnfangskraftAnfangskraft

t0

t1

t2

t3

t4

F

tCMJSJ

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BiomechanikBiomechanik 2. Optimaler Beschleunigungsweg2. Optimaler Beschleunigungsweg

Ziel: hohe EndgeschwindigkeitOptimalitätseigenschaft:

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

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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

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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“

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BiomechanikBiomechanik Peitscheneffekt im GolfPeitscheneffekt im Golf

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BiomechanikBiomechanik Bilanz: Biomechanische PrinzipienBilanz: Biomechanische Prinzipien

Nützlich zum Hochmuthschen Zweck!

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

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BilanzBilanz

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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