Biomechanik

Gegenstand und Bedeutung

Biomechanik ist eine interdisziplinäre Wissenschaft. Sie beschreibt, untersucht und beurteilt den Bewegungsapparat biologischer Systeme sowie die dadurch erzeugten Bewegungen. Dafür nutzt sie Begriffe, Methoden und Gesetzmäßigkeiten aus Mechanik, Anatomie und Physiologie. Sie ist Teil der Bewegungswissenschaft und Sportwissenschaft und stützt sich außerdem auf Physik, Mathematik, Chemie, Biologie und Neurophysiologie.

Untersucht werden sehr unterschiedliche Vorgänge: von der Muskelkontraktion über den menschlichen Gang bis zu Arbeitsbewegungen oder komplexen Bewegungen im Leistungssport. Biomechanik wird im Leistungs-, Breiten- und Gesundheitssport, in Gesundheitsförderung und Rehabilitation eingesetzt. Weitere Bereiche sind Orthopädie, Neurophysiologie, die Prüfung von Sportgeräten und die Analyse von Unfallhergängen.

Bewegungen werden mithilfe von Messungen in Merkmale wie Ort, Zeit, Geschwindigkeit, Winkel und Kraft zerlegt. Dabei betrachtet die Biomechanik nicht nur den Außenaspekt einer Bewegung, etwa ihre sichtbare Form, sondern zunehmend auch den Innenaspekt: Muskelaktivität, Reflexe und Materialeigenschaften des Körpers. Knochen müssen beispielsweise Druck- und Zugkräfte übertragen und sind erheblichen Biegemomenten ausgesetzt. Passive und aktive Zuggurtung vermindern diese Belastungen.

Forschungsaufgaben und Anwendungen

Die Biomechanik untersucht Fragen zu Bewegung, Haltung und Bewegungsapparat in Zusammenarbeit mit anderen Fachgebieten. Man unterscheidet allgemein drei große Bereiche:

• Leistungsbiomechanik untersucht und verbessert sportliche Techniken. Sie dient der Technikanalyse, Techniksteuerung, Konditionsanalyse und Optimierung von Bewegungsabläufen. Bei Leistungssportlern können etwa Fehlstellungen der Gelenke oder Technikmängel erkannt und Beschleunigungswege verbessert werden.
• Anthropometrische Biomechanik befasst sich mit Körpermaßen und ihrer Bedeutung für Eignungsdiagnostik und Leistungsprognose.
• Präventive Biomechanik untersucht Belastungen und ihre gesundheitlichen Auswirkungen. Sie hilft bei Belastungsanalyse und Belastungsgestaltung.

Weitere Anwendungen sind Gang- und Laufanalysen bei Mensch und Tier, Rehabilitation, Posturographie zur Untersuchung der Körperhaltung, Ergonomie, Allometrie, die Entwicklung von Implantaten, Orthesen und Prothesen, Computersimulationen sowie Turngeräteprüfungen. In der Rehabilitation werden beispielsweise Gangbildaufnahmen genutzt, um funktionelle Schäden zu behandeln oder Laufschuhe bei Fehlstellungen der Sprunggelenke passend auszuwählen.

Mechanische Betrachtung von Bewegungen

Die Mechanik wird in Kinematik und Dynamik eingeteilt. Die Kinematik beschreibt Bewegungen, ohne deren Ursachen zu berücksichtigen. Sie verwendet bei geradlinigen Bewegungen die Größen Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung. Bei Drehbewegungen entsprechen ihnen Drehwinkel, Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung. Die Position eines Punktes im dreidimensionalen Raum wird durch drei Koordinaten bestimmt.

Für die Beschreibung einer Bewegung braucht man ein Bezugssystem zur Umwelt. Aus Weg und Zeit lassen sich Geschwindigkeit und Beschleunigung ableiten. Zeit wird beispielsweise mit Stoppuhren, Lichtschranken oder Kontaktmatten bestimmt. Räumliche Daten können mit Maßbändern oder bildgebenden Verfahren erfasst werden. Heute werden besonders Videoaufnahmen und Motion Capture verwendet. Unvollständige Messmethoden arbeiten etwa mit LED-Lichtspurmarkern, Infrarot-Reflexmarkern, Ultraschall oder Magnetfeldern.

Die Dynamik untersucht, wie Kräfte Bewegungen verursachen oder verändern. Die äußere Biomechanik betrachtet dabei Kräfte zwischen Mensch und Umwelt, zum Beispiel Reaktionskräfte an der Körperperipherie. Zur Dynamik gehören Statik und Kinetik.

In der Statik herrscht Kräftegleichgewicht: Für einen ruhenden oder unbeschleunigt bewegten Körper müssen die Summen aller wirkenden Kräfte und Drehmomente Null sein. Mit bekannten Kräften und Momenten lassen sich Auflagerkräfte sowie innere Kräfte und Momente bestimmen. Wichtige Themen sind Schwerpunkt, Reibung, Arbeit, Verformung und Stabilität.

Die Kinetik befasst sich mit Kräften, die Ortsveränderungen oder Drehungen hervorrufen. Sie beruht auf den Newtonschen Gesetzen: Trägheitsprinzip, Aktionsprinzip und Wechselwirkungsprinzip. Wichtige Grundlagen sind Schwerpunktsatz beziehungsweise Impulserhaltungssatz, Leistungssatz, Energieerhaltungssatz und Arbeitssatz. Kräfte werden meist als Kraft-Zeit-Diagramme registriert; die Ergebnisse heißen Dynamogramme.

Körpermaße und Modellbildung

Anthropometrie ist die Lehre von der Ermittlung und Anwendung menschlicher Körpermaße. Neben der Länge von Gliedmaßen sind Teilschwerpunkte und die Massenverteilung des Körpers wichtig. Während äußere Körpermaße vergleichsweise einfach messbar sind, ist die Bestimmung der Schwerpunkte einzelner Gliedmaßen schwieriger. Heute kann die Gewebedichte mithilfe der Computertomographie bestimmt werden.

Weil der menschliche Körper und seine Bewegungen sehr komplex sind, verwendet die Biomechanik Modelle. Ein Modell vereinfacht die Realität gezielt, um einzelne Zusammenhänge verständlich und untersuchbar zu machen. Seine Gültigkeit muss an realen Messwerten überprüft werden.

Physikalische Modelle sind materielle Nachbildungen, etwa ein Holzmodell eines Reckturners mit beweglichen Armen, Rumpf und Beinen. Auch verkleinerte Modelle von Sportlern oder Sportgeräten können im Windkanal untersucht werden, um den Strömungswiderstand zu verbessern.

Abstrakte und wissenschaftliche Modelle nutzen grafische Darstellungen, Symbole oder Gleichungen. Ein Beispiel ist der schräge Wurf: Mit ihm lassen sich Wurfparabeln etwa beim Kugelstoß, Weitsprung oder Hochsprung berechnen und Einflüsse von Anfangsbedingungen wie dem Abflugwinkel untersuchen.

Mathematische Modelle stellen Körpergrößen durch Symbole dar. Beim Massenpunktmodell wird die gesamte Körpermasse im Massenmittelpunkt konzentriert; die Massenverteilung bleibt unberücksichtigt. Genauere Modelle beziehen einzelne Körpersegmente und ihre Massenträgheitseigenschaften ein, benötigen aber mehr Rechenaufwand. Direkt-dynamische Modelle berechnen Bewegungsabläufe aus gemessenen Kräften und kinematischen Daten. Invers-dynamische Modelle bestimmen aus einer vollständigen Bewegungsbeschreibung nicht direkt messbare Kräfte und Drehmomente, beispielsweise Gelenk- oder Muskelbelastungen.

Messmethoden, Verkehrssicherheit und Studium

Kraftmessungen beruhen darauf, dass Kräfte Messinstrumente verformen. Beim hookeschen Gesetz gilt in der dargestellten Form Fp = D \cdot x: Aus der Verformung kann auf die Kraft geschlossen werden. Gute Kraftsensoren müssen steif sein, also nur geringe Verformungswege haben, und eine hohe Eigenfrequenz besitzen.

Dehnungsmessstreifen verändern bei einer Dehnung ihren elektrischen Widerstand. Sie sind klein und können beispielsweise in Patella- oder Achillessehne eingefügt werden. Piezoelektrische Sensoren nutzen Quarzkristalle: Druck führt zu Ladungsveränderungen an ihrer Oberfläche, die sich proportional, zu zirka 99,5 %, zur einfließenden Kraft verändern. Kraftmessplatten bestimmen Bodenreaktionskräfte und Drehmomente beim Stehen, Gehen, Laufen oder Springen.

Die Elektromyografie zeichnet den elektrischen Aktivierungszustand von Muskeln und ihr Innervationsverhalten auf. Die Oberflächen-Elektromyografie erfasst willkürliche Muskelaktivierung bei Bewegung, Haltung, Therapie oder Training.

Motion Capture ermöglicht die dreidimensionale Analyse dynamischer Bewegungen. Reflektierende Marker werden mit mehreren Infrarotkameras erfasst; diese arbeiten mit bis zu 240 Hz und einer Auflösung von weniger als 1 mm. So können Gelenkwinkel, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bestimmt werden. Werden gleichzeitig Kraftmessplatten und Elektromyografie eingesetzt, lassen sich auch äußere Kräfte, Gelenkbelastungen und muskuläre Gelenksteuerung untersuchen.

Computergesteuerte Laufbänder können beschleunigende oder abbremsende Störreize auslösen, um etwa Stolpersituationen zu simulieren. Umknickplattformen simulieren Umknickbewegungen des Sprunggelenks und untersuchen Supinationstraumen sowie die Wirkung von Sprunggelenksorthesen.

In der Verkehrssicherheit befasst sich Biomechanik der aktiven Sicherheit mit dynamometrischen und ergometrischen Aspekten. Die passive Sicherheit untersucht die mechanische Belastbarkeit des Körpers, damit Fahrzeuge und ihre Sicherheitseinrichtungen zu hohe Belastungen und Verletzungen vermeiden. Biomechanische Gutachten können bei Verkehrsunfällen als Beweismittel zur Beurteilung von Unfallfolgen und Kausalität dienen.

Ein Biomechanikstudium kann mit Bachelor of Science (B.Sc.) oder Bachelor of Engineering (B.Eng.) abgeschlossen werden. Anschließend sind Masterstudiengänge mit Spezialisierungen möglich. Zugänge bestehen unter anderem über Medizintechnik, Biomedizintechnik, Orthopädie, Sportwissenschaft oder Maschinenbau.