VL Bewegungswissenschaft 4. Die biomechanische Betrachtungsweise

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VL Bewegungswissenschaft 4. Die biomechanische
Betrachtungsweise
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Programm

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

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Biomechanik
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Definition

• 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

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Das 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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Anwendungsfelder 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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Biomechanische Teilgebiete

• Kinematik Beschreibung des räumlich-zeitlichen
  Ablaufes von Bewegungen, z.B. durch Weg, Zeit,
  Winkel, Geschwindigkeit.
• DynamikLehre von den Kräften und ihren
  Wirkungen auf Körper Kräfte, Impulse, Momente

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Biomechanische Beschreibungsgrößen
Biomechanische Beschreibungsgrößen
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Kinematik
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Weg-Geschwindigkeit-Beschleunigung
gleichmäßigpositiv beschleunigt
gleichmäßignegativ beschleunigt
gleichförmig
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100m-Lauf
v
0
100 m
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Translatorische Merkmale
Golfbeispiel
Einheit
Merkmal
Schlaglänge
Meter m
Länge
Haltung im Setup
Meter m
Lage
Schlägerkopf im Impact
v Meter pro Sekunde m/s
Geschwindigkeit
Schlägerkopf im Abschwung
a Meter pro Sekunde2 m/s2
Beschleunigung
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Lagemerkmale Golf
Pro
Proette
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Schlaglängen im Golf
Schlaglängen von Durchschnittsgolfern pro Schläger
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Geschwindigkeitsmerkmale Golf
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Zeitmerkmale
Golfbeispiel
Einheit
Merkmal
Relation Auf- /Abschwung
Sekunde s
Zeit
Spin des Golfballes
Sekunde-1 1/s
Frequenz
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Zeitmerkmale Golf
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Spinraten

• Kurze Eisen gt200 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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Winkelmerkmale
Golfbeispiel
Einheit
Merkmal
Loft, Verwringung
?
Winkel
Schwungbahn
? ?/t /s
Winkel-geschwindigkeit
Schwungbahn
a ? /t m/s2
Winkel-beschleunigung
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Loft und Länge
Eisen
Hölzer
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Winkelmerkmale Golf
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Verwringung Golf qual.
?
90
VorspannungRumpf
0
Hüftwinkel
Schulterwinkel
t
Impact
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Verwringung quant.
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Winkelgeschw./beschl. Golf
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Messmethoden 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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Illustration Kinematik
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Dynamik
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Dynamische Merkmale
Golfbeispiel
Einheit
Merkmal
Verteilung der Gewichtskraft
F N
Kraft
Impact
F ?t Ns
Kraftstoß
Impact
m ?v Ns
Impulsänderung
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Dynamik des Impacts

• Kraftstoß
• Kraftmaximum während Kontakt F9000N
• Kontaktzeit ?t0.0005s
• Impulsänderung
• Masse des Golfballs m46g
• Geschwindigkeitsänderung ?v 200km/h

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Messmethoden der Dynamik

• Einsatz von Kraftmeßplattformen
• Kraftaufnehmer
• Beschleunigungsaufnehmer Fma

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Illustration Dynamik
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Die biomechanischen Prinzipien

• Hochmuth, 1974

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Definition, Wesen

• Kriterien zur Bewertung der Zweckmäßigkeit von
  Bewegungen Hochmuth, 1974
• Keine mechanischen Gesetzmäßigkeiten
• Keine eindeutigen Vorschriften

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Die biomechanischen Prinzipien

1. Prinzip der Anfangskraft
2. Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges
3. Prinzip der optimalen Tendenz im
   Beschleunigungsverlauf
4. Prinzip der zeitlichen Koordination von
   Teilimpulsen
5. Prinzip der Impulserhaltung
6. Prinzip der Gegenwirkung

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1. 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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Anfangskraft
F
t
CMJ
SJ
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2. Optimaler Beschleunigungsweg

• Ziel hohe Endgeschwindigkeit
• Optimalitätseigenschaft nicht zu lang, nicht zu
  kurz
• Geradlinig oder stetig gekrümmt
• Beispiel Kugelstoßen

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3. Opt. Tendenz Beschleunigungsverlauf

• Ziel hohe Endgeschwindigkeit größte
  Beschleunigungen am Ende der Strecke!
• Beispiele Würfe und Stöße
• Ziel geringer Zeitverbrauchgrößte
  Beschleunigung zu Beginn der Strecke!
• Beispiele Boxen, Fechten

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4. 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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Peitscheneffekt im Golf
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Bilanz Biomechanische Prinzipien

• Nützlich zum Hochmuthschen Zweck!
• Qualitative Aussagen!
• I.d.R. Optimalitätseigenschaften
• Keine Gesetze!
• Keine Theorien!
• Empirisch teilweise in Frage gestellt!

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Bilanz
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Biomechanische Betrachtungsweise

• 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