vl bewegungswissenschaft vl bewegungswissenschaft 4. die biomechanische betrachtungsweise
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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