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Der menschliche Körper besteht zum grössten Teil aus Weichgewebe. In seiner natürlichen Umgebung und unter dem Einfluss der Schwerkraft könnte der Körper weder seine Form bewahren noch Kräfte auf seine Umgebung ausüben. Die stützende Funktion übernimmt das Skelett, dessen starre Strukturen durch Gelenke und Bänder verbunden sind. Muskeln, die über Sehnen mit einzelnen Knochen verbunden sind, erlauben es, Körperteile relativ zueinander zu bewegen und damit Kräfte auf die Umgebung auszuüben.
Es ist die Aufgabe der Biomechanik, das komplexe Zusammenspiel von Muskelgruppen zu modellieren und die bei Bewegungsabläufen auftretenden Kräfte und Drehmomente zu analysieren. Diese Kenntnisse werden in vielen Gebieten benötigt, wie Sportmedizin, Orthopädie, Rehabilitationstherapien nach Unfällen, und nicht zuletzt in der Entwicklung geeigneter Prothesen. Wie Sie im Laufe des Versuches sehen werden, treten schon bei einfachen Bewegungen sehr grosse Kräfte in Muskeln und den beteiligten Gelenken auf. Kräfte in Gelenken, Knochen und deren Verbindungsstücken (Knorpelmasse, Bänder etc.) werden durch innere Spannungen kompensiert. Diese Spannungen bewirken entsprechende Deformationen der Körperteile und sind bis zu einer gewissen Grenze, der Grenze des elastischen Bereiches, reversibel. Geht die Belastung über diese Grenze hinaus, verformt sich der Körperteil plastisch und wird dadurch nachhaltig geschädigt. Sehr grosse innere Spannungen führen schliesslich zum Bruch oder Riss des betreffenden Körperteils (Bruchspannung). Diese Grenzwerte sind individuell sehr verschieden und hängen von vielen Faktoren ab, wie z.B. der Knochenmasse, dem Mineralisierungsgrad (Ernährung!) und dem Alter. Etwa ab dem 35. Lebensjahr setzt unaufhaltsam der Knochenabbau ein -- bis zum 80. Lebensjahr verliert der Mensch etwa ein Drittel seiner gesamten Knochenmasse. Die Reparaturfähigkeit der Knochen schwindet im gleichen Masse. Krankheiten, wie z.B. Osteoporose, tragen ihrerseits zu einer Verschlechterung der elastischen Eigenschaften der Knochen bei. All dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass bei älteren Menschen harmlose Unfälle schwerwiegende Folgen haben können (Oberschenkelhalsbruch). Alle klinischen oder biomechanischen Studien, die sich mit diesen Themen befassen, müssen profunde Kenntnisse über die Mechanik des Bewegungsapparates und die elastischen Eigenschaften aller Teile voraussetzen.
Aufgrund der Vielzahl beteiligter Muskelgruppen und der komplexen Kraftverhältnisse in Gelenken mit mehreren Freiheitsgraden sind biomechanische Studien nur mit grossem Aufwand durchzuführen: Hochgeschwindigkeitskameras filmen Testpersonen, die auf Kraftmessplatten definierte Bewegungen ausführen (siehe Abbildung). Aus diesen Informationen lassen sich die wirkenden Kräfte und Drehmomente mittels mathematischer Modelle und Computerprogrammen ermitteln.
Hochgeschwindigkeitsaufnahme des Bewegungsablaufs bei Bodenberührung nach einem Sprung. Die Positionen der Gelenke sind markiert (Bilder freundlicherweise von Prophysics, Oerlikon, zur Verfügung gestellt). Die einzelnen Phasen entsprechen denen eines Spungs, wie Sie ihn im Praktikum durchführen werden:
1 -- freier Fall, 2 -- Bodenberührung, 3 -- Abfedern und 4 -- Aufrichten.
In diesem Versuch sollen Sie die Grundlagen der Biomechanik kennenlernen. Für die Betrachtung von Bewegungsabläufen werden zwei Arten von Kräften unterschieden:
Äussere Kräfte:
Zu ihnen zählen alle Kräfte, die von der Umgebung auf einen Körper ausgeübt werden: Schwerkraft, Normalkräfte und Reibungskräfte.
Üblicherweise spricht man bei Kräften, die von der Unterlage (dem Boden) ausgeübt werden, von Bodenreaktionskräften.
Innere Kräfte:
Sie umfassen alle Muskelkräfte, Kräfte in den Knochen und Gelenken, sowie in den Verbindungsstücken wie Bändern und Sehnen.
Jede Bewegung kann man in zwei Teile zerlegen, wobei dem Schwerpunkt des Körpers eine zentrale Bedeutung zukommt: Die Bewegungen, die die einzelnen Körperteile relativ zum Körperschwerpunkt vollführen und die Bewegung des Körperschwerpunktes selbst. Zu ersteren gehören sämtliche durch Muskeln verursachte Bewegungen (z.B. Anziehen oder Strecken von Armen oder Beinen). Sie haben keinen direkten Einfluss auf die Bewegung des Körperschwerpunktes. Beschleunigungen des Körperschwerpunktes (Sprung, freier Fall, Gehen) können nur durch äussere Kräfte hervorgerufen werden. Gezielte (Fort-) Bewegung ist nur möglich, wenn man durch die Ausübung von Kraft auf die Umgebung (z.B. auf den Boden) die Reaktionskräfte, die äussere Kräfte darstellen so kontrolliert, dass daraus die entsprechende Schwerpunktsbewegung resultiert.
Diese Erkenntisse sollen Sie in einem ersten Versuchsteil gewinnen: Nach einer kurzen Einführung der Begriffe Kraft und Drehmoment werden Sie anhand einer Kraftmessplatte die bei verschiedenen Bewegungsabläufen auftretenden äusseren Kräfte zeitaufgelöst messen (Sprung aus 50 cm Höhe und Strecksprung). Mit der Kenntnis der äusseren Kräfte und Drehmomente bei den Sprüngen, kann man dann die inneren Kräfte abschätzen. Diese Versuche setzen voraus, dass Sie mit den Grössen Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung aus der Schule und der Physikvorlesung vertraut sind.
Der zweite Versuchsteil betrifft die elastischen Eigenschaften der Knochen, bei denen wir hier nur auf den Typ der Röhrenknochen eingehen werden, wie er z.B. im Oberschenkel (Femur) oder im Oberarm (Humerus) vorliegt. Röhrenknochen bestehen aus einem länglichen, hohlen, mit Knochenmark gefüllten Mittelstück (Diaphyse) und je zwei verdickten Endstücken aus poröser Knochenmasse (Epiphysen), die an ihren Enden die überknorpelten Gelenkflächen tragen.
Die elastischen Eigenschaften werden hauptsächlich vom äusseren, harten Teil des Knochens, der so genannten Compacta oder Knochenrinde bestimmt. Diese Art von Röhrenform bietet dem Skelett ein Optimum an mechanischer Stabilität, während die Knochenmasse möglichst gering sein soll. Die Zusammenhänge von Massenverteilung und mechanischen Eigenschaften sollen Sie anhand von Stäben und Rohren aus Stahl erarbeiten.