Biomechanik im Sport

Physik, Biophysik Mechanik, Kinematik, Dynamik, Statik

Engl.: biomechanics

Die Biomechanik des Sports ist eine naturwissenschaftliche Teildisziplin der Sport- bzw. Bewegungswissenschaft. Gegenstand biomechanischer Untersuchung sind die äußerlich in Erscheinung tretenden Bewegungen im Sport. Die Biomechnik bezeichnet eine Symbiose aus Physik und biologischen Oranismen. Mit Modellen und Begriffen der Mechanik wird versucht biologische Gesetzmäßigkeiten zu determinieren.

Lesen Sie mehr zu dem Thema: Bewegungswissenschaft

Die Biomechanik wird grundsätzlich in eine äußere und innere Biomechanik unterschieden.

Die äußere Biomechanik untersucht Ortsveränderungen von Körpern mit Hilfe der Mechanik und ist eingeteilt in die Kinematik und Dynamik. Die Kinematik befasst sich mit den Ortsveränderungen im räumlichen und zeitlichen Aspekt. Die Dynamik, die sich mit entstehenden Kräften befasst, besteht aus Statik und Kinetik (siehe Abbildung)

Die innere Biomechanik ist gegliedert in aktive und passive innere Kräfte und aktive und passive äußere Kräfte.

Da die Biomechanik durch physikalische Gesetzmäßigkeiten erklärt wird, zählt es in der Sportwissenschaft zu den unbeliebten Themen. Dabei ist ein Verzicht auf die Biomechanik in der angewandten Sportwissenschaft undenkbar. Die Biomechanik nimmt weitaus größere Ausmaße an, als zunächst vermutet. Natürlich steht die Leistungsoptimierung der sportlichen Disziplinen durch die Leistungsbiomechanik im Vordergrund. Anhand des Beispiels Kugelstoßen kann dies anschaulich gemacht werden.

Um die Stoßweite zu beschreiben sind Stoßweite, Kugelflugweite, Abflugwinkel, Abflughöhe, vertikale Abfluggeschwindigkeit, horizontale Abfluggeschwindigkeit und räumliche Abfluggeschwindigkeit notwendig. Die Untersuchung dieser einzelnen Faktoren ermöglicht die Optimierung der Technik im Kugelstoßen. Die biomechanischen Prinzipien in der Bewegungswissenschaft dienen der Erfassung mechanischer Determinanten im Sport.

Jedoch nicht nur die Leistungssteigerung ist Teilgebiet der Biomechanik, sondern auch der Präventivsport findet Einzug in die Biomechanik. So sind Untersuchungen zur Hebetechnik von Gegenständen zur Entlastung der Wirbelsäule und Vorbeugung vor Rückenschmerzen Beispiele für den Einsatz der präventiven Biomechanik. Des Weiteren sind Untersuchungen zu Körperbaumerkmalen Gegenstandsbereich einer anthropometrischen Biomechanik. Im Vordergrund steht hierbei die Konstitution des Athleten.

Bewegung ist immer eine Ortsveränderung eines Körpers in Raum und Zeit.

Um einen Körper in Bewegung zu versetzten ist immer eine Form von Kraft von Nöten.

Unterschiedliche Erscheinungsformen der Kraft:

Aktive innere Kräfte: sind Muskelkräfte, die den Körper oder Teilkörper in Bewegung versetzen

Passive innere Kräfte: darunter werden die Elastizitätseigenschaften der Muskulatur und des Bindegewebes verstanden

Aktive äußere Kräfte: Aktive äußere Kräfte sind Kräfte, die den menschlichen Körper oder ein Sportgeräte in Bewegung versetzen. Beispiele sind Wind beim Segeln, Strömung beim Schwimmen etc…

Passive äußere Kräfte: Die passiven äußeren Kräfte ermöglichen überhaupt die Bewegung. Die Trägheit des Wassers ermöglicht das Schwimmen. Die passiven äußeren Kräfte können jedoch auch hinderlich sein. (z.B. Sprint auf Eisfläche)

Trägheitsgesetz

Ein Körper verharrt in seinem Zustand der gleichförmigen Bewegung solange keine Kraft auf ihn einwirkt. Beispiel: Ein Fahrzeug steht in Ruhe auf der Straße. Um diesen Zustand zu verändern muss eine Kraft auf das Fahrzeug wirken. Ist das Fahrzeug in Bewegung wirken äußere aktive Kräfte auf ihn ein (Windwiderstand und Reibung). Kräfte die ein Fahrzeug beschleunigen können sind Motor und Hangabtriebskraft.

Beschleunigungsgesetz

Die Änderung der Bewegung ist proportional zur einwirkenden Kraft und geschieht in die Richtung, in der jene Kraft wirkt.

Dieses Gesetzt besagt, dass eine Kraft nötig ist, um einen Körper zu beschleunigen.

Gegenwirkungsgesetz

Zu einer wirkenden Kraft entsteht immer auch eine entgegengesetzte Kraft von gleicher Größe. In der Literatur findet man häufig die Bezeichnung von actio = reactio. Dieses dritte Gesetz der klassischen Mechanik bedeutet, dass die Kraft, die aufgebracht wird um den eigenen Körper oder einen Gegenstand in Bewegung versetzt, eine Gegenkraft erzeugt.

Im Allgemeinen versteht man unter den biomechanischen Prinzipien die Ausnutzung der mechanischen Gesetzmäßigkeiten für sportliche Leistungsoptimierung.

Anzumerken ist, dass die biomechanischen Prinzipien nicht zur Technikentwicklung, sondern nur zur Technikverbesserung eingesetzt werden (siehe Fosbury Flop in der Leichtathletik).

Die biomechanischen Prinzipien sind:

• Prinzip der maximalen Anfangskraft
• Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges
• Prinzip der Koordination von Teilimpulsen
• Prinzip der Gegenwirkung
• Prinzip des Drehrückstoßes
• Prinzip der Impulserhaltung

Lesen Sie mehr zu diesem Thema unter: Biomechanische Prinzipien 

Körperschwerpunk (KSP):

Der Körperschwerpunkt ist derjenige fiktive Punkt, der im, am oder außerhalb des Körpers liegt. In dem KSP wirken alle einwirkenden Kräfte gleich. Er ist Angriffspunkt der Schwerkraft.

Bei starren Körpern ist der KSP immer an gleicher Ort und Stelle. Dies ist bei menschlichen Körpern aufgrund der Verformung jedoch nicht der Fall.

Trägheit:

Ist die Eigenschaft eines Körpers sich einer angreifenden Kraft zu widersetzen. (Ein schweres Auto rollt bei gleichem Volumen schneller bergab als ein leichtes).

Kraft F=m*a:

Kraft bedeutet Masse x Beschleunigung. Eine Wirkende Kraft auf einen Körper bewirkt eine Ortsveränderung. Daher brauchen schwerere Autos auch stärkere Motoren um gleich schnell zu beschleunigen.

Impuls p=m*v:

Der Impuls ist das Resultat von Masse und Geschwindigkeit.

Deutlich wird dies bei einem Aufschlag im Tennis. Ist die Masse (Gewicht des Schlägers) hoch, muss die Zuschlaggeschwindigkeit nicht so hoch sein wie bei einem leichten Schläger, um die Gleiche Wirkung zu erzielen.

Drehmoment M=F*r:

Das Drehmoment ist die Wirkung auf einem Körper, die zu einer Beschleunigung des Körpers um eine Drehachse führt.

Massenträgheitsmoment I=m*r²:

Beschreibt die Trägheit bei der Veränderung von Drehbewegungen.

Drehimpuls L=I*w:

Ist der Drehzustand eines Körpers. Der Drehimpuls entsteht durch eine exzentrisch wirkende Kraft und resultiert aus dem Massenträgheitsmoment und der Winkelgeschwindigkeit.

Arbeit W=F*s:

Um einen Körper zu beschleunigen ist Arbeit aufwändig. Definiert als Kraft, die über eine gewisse Strecke wirkt.

Kinetische Energie:

Ist die Energie die in einem bewegten Körper steckt.

Lageenergie:

Ist die Energie, die in einem angehobenen Körper steckt.