Was bedeutet Biomechanik: Definition und Bedeutung
Der Begriff Biomechanik beschreibt eine Wissenschaft, die die Erforschung des Bewegungsapparates von Lebewesen zum Ziel hat. Hierbei werden theoretische Konzepte der Physik, Anatomie und Physiologie berücksichtigt. Erforscht werden verschiedenste Prozesse, angefangen bei der einfachen Kontraktion von Muskelzellen bis hin zu komplexesten Bewegungsabläufen im Leistungssport. Die Methodik beinhaltet Verfahren der Kraftmessung, Motion Capture (Visualisierung von Bewegungsabläufen, die am Computer animiert werden) sowie die Elektromyografie ( elektrische Messung von muskulären Aktivitäten). Ihre Anwendung findet die Biomechanik sowohl bei der Förderung der Gesundheit im Breitensport als auch in der Rehabilitation nach Verletzungen innerhalb der Physiotherapie.
Inhalt
Historische Aspekte der Biomechanik
Die Untersuchung der Biomechanik reicht weit in die Antike zurück. Der griechische Universalgelehrte Aristoteles untersuchte beispielsweise die Fortbewegung von Tieren unter Berücksichtigung mechanischer Theorien. Dies tat er, als er feststellte, dass Weitspringer mit Hanteln in den Händen deutlich weiter springen als ohne.
Auch Leonardo da Vinci erforschte den menschlichen Bewegungsapparat und versuchte unter Optimierung der Muskelkräfte eine Art menschliches Flugzeug zu bauen.
Skizze von Leonardo da Vincis Vitruvianischer Mann und Ingenieurskizzen, handgezeichnet
Im weiteren Verlauf legten Isaac Newton, Galileo Galilei und verschiedene Mathematiker die Grundlagen für die heutige Biomechanik, indem sie die mechanischen Modelle der Bewegung verfeinerten. Diese Theorien liefern die absoluten Grundlagen, die bis heute weiter verfeinert und erforscht werden.
Weitere Aspekte der Biomechanik
Da die Biomechanik biologische, medizinische, physikalische und sportwissenschaftliche Aspekte beinhaltet, können hierbei deren Teilaspekte berücksichtigt werden.
Innerhalb der Sportwissenschaft werden neben dem lebenden Organismus und dessen Bewegungen auch nicht-lebende Gegenstände erforscht. Hierzu zählen unter anderem Sportgeräte, Arbeitsgeräte oder orthopädische Hilfsmittel im Sinne der Rehabilitation. Ursprünglich versuchte man im Bereich der Sportwissenschaft jedoch, eine Theorie zu finden, die allgemeingültig sämtliche Arten von Bewegungen beschreiben kann. Diese Untersuchungen werden heutzutage jedoch von der Erforschung der inneren Prozesse, wie die neurophysiologische Muskelaktivität, abgelöst.
Weiterhin erhält die Biomechanik auch Einzug in die technische Mechanik, da die Belastungen des Körpers bei Bewegungen den Belastungen von Maschinen sehr ähnlich sind. Der stabile Bau von Bäumen oder die Struktur von Röhrenknochen dienen heutzutage Ingenieuren als Vorbild bei der Optimierung von Maschinenbauteilen. Menschliche Knochen müssen z.B. sowohl Biegemomente, aber auch Zug- und Druckkräfte aushalten, ohne sich zu stark zu verformen. Abgedämpft werden diese minimalen Verformungen jedoch von verschiedenen Muskeln, Bändern und Faszien. Diese Dämpfung der Verformung dient Ingenieuren auch als Vorbild bei der Erstellung von mechanischen Bauteilen.
Innerhalb der Anthropometrie (Ermittlung der menschlichen Körpermaße) wird der menschliche Körper vermessen, mit dem Ziel, Teilschwerpunkte der einzelnen Körperteile zu ermitteln. Früher wurden hierzu Leichen seziert, heutzutage wird die Dichte der beteiligten Gewebe am lebenden Menschen mittels Computertomographie ermittelt, um die einzelnen Schwerpunkte berechnen zu können.
Darüber hinaus dient die Modellbildung der Vereinfachung der komplexen Prozesse während Bewegungen. Dabei werden komplexe Bewegungsabläufe so weit abstrahiert, dass Teilprozesse entstehen, die nahezu allgemeingültig verstanden werden können. Innerhalb der Anthropometrie werden Modelle von Gliedmaßen, Gelenken und Muskeln erstellt, die zur Berechnung des Körperschwerpunktes dienen. Die Modelle können einfach gehalten werden oder mittels Motion Capture erstellt werden, um virtuelle Crashtests durchzuführen oder auch zur Weiterentwicklung von Sportgeräten beitragen.
Beispiele der Biomechanik im Karate
Um die komplexen und abstrakten Prozesse der Biomechanik anhand von Beispielen zu verdeutlichen, wird die asiatische Kampfkunst Karate herangezogen. Hier spielen die Schwerpunktverlagerung, Rotationsbewegungen und verschiedene Standpositionen eine entscheidende Rolle.
Die Stabilität des normalen, schulterbreiten Standes mit gerade und parallel gestellten Füßen erhält der Körper durch ein Drehmoment der Beine. Legt man sich vergleichsweise mit ausgestreckten Beinen auf den Boden, so kippen die Beine im Normalfall nach außen. Im Stand wirkt jedoch ein Drehmoment innerhalb der Beine, das die Beine nach innen zentriert. Somit wird Stabilität erreicht, die den Oberkörper optimaler platzieren kann. Setzt man die Beine voreinander in einen engeren Stand, müssen die Füße noch weiter zueinander gedreht werden, um die gleiche Stabilität zu erreichen.
Eine komplexere Position ist der Stand mit sehr weit auseinander gestellten Beinen, bei dem die Füße parallel stehen. Hierbei ist die Schwerpunktverlagerung nach unten essenziell, ebenso die gerade Haltung des Rückens.
Bei geraden Schlagbewegungen spielen mehrere Rotationsbewegungen eine Rolle. Der Schlag beginnt im Bein, das zunächst durch eine Streckung eine Kraft an den Hüftbereich weiterleitet. Die Hüfte dreht sich in Schlagrichtung. Die Kraft wird an den Oberkörper weitergeleitet, welcher sich infolgedessen auch in Schlagrichtung dreht. In diesem Moment wird der Arm gestreckt, wobei die Hand zu einer Faust geballt ist und die Handaußenseite in Richtung des Bodens zeigt. Nach kompletter Streckung des Armes rotiert die Faust um 180°, wodurch eine Art Peitscheneffekt erzeugt wird, der die Faust nochmals beschleunigt.
Um die Rotation des Oberkörpers noch zu verstärken, kann die Hand, die nicht schlägt, an den Oberkörper in Hüfthöhe herangezogen werden. Hierdurch entstehen weitere Rotationskräfte, die den schlagenden Arm nochmals beschleunigen.
Ähnlich wie die Beschleunigung des Armes beim Schlagen funktioniert die Rotation auch bei einem Halbkreistritt. Steht man mit voreinander versetzten Beinen und tritt mit dem hinteren Bein, so beginnt der Tritt mit der Abstoßung des hinteren Beines vom Boden. Im gleichen Moment wird das Gleichgewicht auf das vordere Bein verlagert, und der Fuß des Standbeines nach außen gedreht, damit der Hüftbereich geöffnet wird.
Unterbleibt diese Öffnung der Hüfte, wird die gesamte Rotation über das Kniegelenk weitergeleitet, das jedoch nicht dazu in der Lage ist, solche Rotationen dauerhaft aufzufangen. Außerdem erreicht der Tritt dadurch nicht seine optimale Höhe. Nachdem nun die Hüfte geöffnet wurde, wird das Knie des Trittbeines an den Oberkörper herangezogen, während dieser über das Standbein gekippt wird.
Durch die ursprüngliche Rotation, die durch das anfängliche Abstoßen erzeugt wurde, dreht das Trittbein um die eigene Körperachse. Da dieses jedoch noch im angewinkelten Zustand unterhalb des Oberkörpers verweilt, erfolgt eine weitere Rotation inklusive Beschleunigung durch das Ausstrecken des Trittbeines, indem der Unterschenkel nach vorne schnappt. Hierbei entsteht, ähnlich wie beim geraden Faustschlag, ein Peitscheneffekt.
Fazit
Die Biomechanik als Wissenschaft erforscht ein äußerst komplexes Feld, das nicht ohne weiteres komplett verstanden werden kann. Die Einflüsse verschiedenster Wissenschaften finden ihren Einzug in die Biomechanik und werfen weitere Fragen auf, die die Erforschung innerhalb eines einzigen Teilgebietes nahezu unmöglich machen. Dennoch kann jeder Mensch Biomechanik beobachten und versuchen zu verstehen. Allein die Beobachtung von fliegenden Vögeln, galoppierenden Pferden aber auch der eigene, menschliche Gang kann zum allgemeinen Verständnis der Biomechanik beitragen. Auch die Beobachtung von Gelenken und deren Arbeitsbereichen kann zum Verständnis der Stabilität von sowohl statischen als auch dynamischen Bewegungsformen dienen.
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