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EinleitungDas Springen gehört zu den elementarsten Bewegungen im Sport und Alltag. Als Sportler muss man Hindernisse überspringen, Höhen erreichen oder Distanzen überspringen. Jeder Sprung hat dabei seinen individuellen Charakter was Ausführung und Ziel betrifft. Im Folgenden möchten wir die drei elementaren Sprünge „Squat-Jump“, „Drop-Jump“ und „Countermovement-Jump“ vorstellen und näher beleuchten. Hier ein kurzer Überblick über das was kommt:
Ausgewählte biomechanische Aspekte der SportartWiederholung der Grundlagen Bevor wir mit der eigentlichen
Arbeit beginnen, wollen wir zunächst nochmal einen kleinen Überblick über die wichtigen Dinge des Lebens geben: Kräfte. Wollen wir abspringen, so müssen wir dieser (Gewichts)Kraft entgegenwirken. Warum? Die Gewichtskraft ist die Kraft, die dafür sorgt, dass wir Menschen auf der Erde bleiben und nicht “abheben”. Daher wird die Gewichtskraft auch als “Erdanziehungskraft” bezeichnet. Sie wirkt senkrecht zum Boden auf unseren Körper, drückt uns somit nach unten. Mathematisch lässt sich die Gewichtskraft so ausdrücken: FG = m * g. Um das Prinzip der Kräfte zu verstehen müssen wir noch etwas einführen: das “dritte newtonsche Axiom”. Dieses beschreibt das “actio-reactio”-Gesetz. Vereinfach heißt das: Auf jede Kraft, wirkt eine entgegengesetzt wirkende Gegenkraft mit genau der gleichen Größe, sodass beide Kräfte addiert 0 ergeben. Mathematisch bedeutet das: F1 + F2 = 0 oder F1 = -F2. Ein weiterer Aspekt, den wir kurz anreißen möchten, sind die biomechanischen Grundprinzipien. Beim
Sprung spielt vor allem das Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges eine tragende Rolle. Ein Sprung lässt sich auch grafisch in einem Kraft-Zeit-Diagramm darstellen. Um dieses Diagramm zu erstellen, benötigt man ein technisches Hilfsmittel, welches wir im Folgenden noch kurz vorstellen möchten: Die Kraftmessplatte
Die Kraftmessplatte hat zwischen zwei Platten (Holz, Plastik, etc.) Drucksensoren, sogenannte piezoelektrische Sensoren. Diese reagieren auf Druck mit dem Aufbau eines elektrischen Feldes was wiederum zur Veränderung der elektrischen Spannung führt. Diese ist messbar und kann dann durch verschiedene Berechnungen als Kraft ausgedrückt werden. Kurz gesagt:je höher der Druck auf die Sensoren, desto höher ist die Veränderung der Spannung und desto höher ist die Kraft. Der Aufbau ist bei der Form der Messplatte nahezu gleich. Sie unterscheiden sich lediglich in ihrer technischen Raffinesse was die Größe von Bauteilen und Messpräzision angeht. Für wenig Geld kann man sich aber schon seine eigene Kraftmessplatte selbst zusammenbauen. Wer daran Interesse hat, findet hier eine
Anleitung. Mit Hilfe der Kraftmessplatte können
wir nun also die Kräfte bestimmen lassen, die bei einem Sprung wirken. Jetzt gilt es, diese sinnvoll zu verwerten und Werte zu berechnen, mit denen man tatsächlich etwas anfangen kann. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------Intermezzo zur Messung der Sprunghöhe Nun stellt sich nur noch die Frage, wie wir die Flughöhe ermitteln können?! Hierzu gibt es drei Möglichkeiten: 1) Zentimeterskala 2) aus dem im Absprung erzeugten Kraftstoß F * t = m * v (Verweis: Kraftstoß und Impuls) Mit der bekannten Masse des Springers kann die Abfluggeschwindigkeit berechnet werden und aus dieser wieder die Flughöhe. 3) aus der Flugzeit h = 1/2 g * t22 (g = 9,81 m/s2 und t = Flugzeit in Sekunden) Die verwendete Formel beschreibt
den freien Fall eines Gegenstandes aus einer bestimmten Höhe. Lässt man z.B. einen Stein von einem Turm fallen, kann man durch Stoppen der Zeit bis zum Aufprall auf dem Boden die Höhe, aus der der Stein gefallen ist berechnen. Da wir beim Strecksprung aber eine aufsteigende Phase und eine absteigende (Fall-) Phase haben, halbieren wir die Flugzeit beim Sprung: ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------Diese Grundlagen sollten nun ausreichen, um zu verstehen, was bei den einzelnen Sprüngen passiert. Auf Formeln, die hin und wieder auftauchen können, wird zur Vertiefung gesondert verwiesen. Viel Spaß! :) Squat-Jump
Der Squat-Jump ist ein Sprung, der von der Hockposition heraus ausgeführt wird. Die Beine haben nun die Aufgabe in möglichst kurzer Zeit viel mehr Kraft als die Gewichtskraft aufzubringen und damit den Sportler zum Absprung zu bringen. Ziel ist es so hoch wie möglich zu springen, jedoch ohne aktive Bewegung der Arme (sie liegen an der Hüfte an). Somit gibt es keine Ausholbewegung und auch keine koordinativen Elemente. Um nun den Sprung besser verstehen zu können, wollen wir uns nun einmal die Kraft-Zeit-Kurve ansehen:
Hier ist zu erkennen, dass der Kraft-Zeitverlauf zunächst auf Gewichtskraftniveau beginnt, ehe er mit Beginn der Streckbewegung stark ansteigt. Wird der Boden verlassen fällt die Anzeige auf Null. Im Landemoment steigt die Kraft dann stark an und pendelt sich auf Gewichtskraftniveau wieder ein. Das Aufstehen In der ruhigen Hockstellung zu Beginn des zum Absprung führenden Streckens der Beine, haben diese noch die Funktion, die Stützkraft aufzubringen, die der Sportler zum ruhigen Stand benötigt. Factio = FG (Aktionskraft = Gewichtskraft)
Nun haben die Beine die Aufgabe, in möglichst kurzer Zeit viel mehr Kraft als die Gewichtskraft aufzubringen, um den Sportler möglichst schnell aufwärst zu bewegen und so zum Absprung zu bringen. So muss also Factio größer als FG werden, damit die resultierende Kraft Fres den Sportler aufwärts beschleuningt.
Im ersten Schritt wird die Reaktionskraft auf ihrer Wirkungslinie zum Körperschwerpunkt (KSP) verschoben und im Zweiten Schritt werden Freactio und FG zu Fres vektoriell addiert. Hier noch zwei Abblidungen, um den Verlauf der vertikalen Bodenreaktionskraft beim Aufstehen zu veranschaulichen: Auf der y-Achse ist die Kraft in Newton zu sehen und auf der x-Achse die Zeit in Sekunden. Wir sehen oben eine langsame Ausführung und unten eine deutlich schnellere des Aufstehens. Bei t0 beginnt die Aufwärtsbewegung, bei t1 ist sie am schnellsten, bei t2 ist sie beendet. A1 ist der Kraft- bzw. Beschleunigungsstoß und A2 der Bremsstoß. Für die Kraft-Zeitkurve ist typisch, dass sie mit einer Horizontalen Linie auf Höhe der Gewichtskraft FG beginnt und je schneller der Sportler sich aufrichtet, desto höher werden der Wellenberg und das Wellental.. Der Absprung Um den Absprung zu veranschaulichen, hilft uns wieder folgende Abbildung:
Es ist ein typischer Squat-Jump zu sehen. Bis t0 ist der Sportler in ruhiger Hockstellung. Von t0 bis t1 beschleunigt er nach oben und nach t1 fällt die Streckkraft unter die Gewichtskraft FG, d.h. der Sportler kann nicht mehr nach oben weiter beschleunigen und verlässt bei t2 den Boden. Die Fläche A beschreibt ein Maß für die erreichte Maximalgeschwindigkeit beim Hochgehen, ist t1 nahezu gleich t2, ist diese fast identisch mit der Abfluggeschwindigkeit. Der ideale Squat-Jump Zum Abschluss noch drei verschiedene Ausführungen des Squat-Jumps:
1) Hier ist die Ausgangssituation, dass der Sportler in einer zu tiefen Hockstellung begonnen hat. Aus ihr heraus ist es kaum möglich, große Kraftwerte zu entwickeln. Obwohl eine längere Beschleunigungszeit bzw. ein längerer Beschleunigungsweg genutzt wird, ist der Wert von A nicht besonders groß.
2) Hier erreicht der Sportler eine beinahe ideale Absprungkurve, weil er sehr schnell auf eine große dynamische Maximalkraft kommt und diese auf fast bis zum Verlassen des Bodens halten kann. Es lässt sich also ableiten, dass der (theoretisch) ideale Kraft-Zeit-Verlauf eines Squat-Jumps ein rechteckiger Verlauf ist.
3) Nun haben wir die Ausgangssituation, dass der Sportlerin einer zu aufrechten Stellung begonnen hat. Aus ihr herraus ist es kaum möglich lange genug zu beschleunigen. Fazit Es gibt für jeden Sportler nur einen optimal langen Beschleunigungsweg und nicht den maximal langen Weg aus der tiefsten Hockstellung heraus. Man muss durch viele Sprungversuche herausfinden, wie dieser optimal lange Weg ist. Countermovement-Jump
Der Countermovement-Jump wird eingesetzt um die Kraftfähigkeit der Sprungmuskulatur zu testen (Explosionskraft). Um den Countermovement-Jump besser verstehen zu können, wollen wir uns nun einmal den Kraft-Zeit-Verlauf ansehen:
Hier ist zu erkennen, dass der Sportler zunächst in einem ruhigen Stand auf der Plattform steht. Die Kraft befindet sich auf Gewichtskraftniveau. In Phase 1 sehen wir, dass mit Beginn der Ausholbewegung die Stützkraft abfällt, hier nimmt auch die Geschwindigkeit zu. Phase 2 wird mit dem Umkehrpunkt eingeleitet, hier reduziert sich die Geschwindigkeitszunahme, sobald die Kurve wieder die Gewichtskraft erreicht hat, folgt die Abbremsung der Abwärtsbewegung(Phase3). Hier wird der tiefste Punkt der Ausholbewegung erreicht. Die Kraftwerte liegen nun deutlich über Gewichtskraftniveau. Durch die Streckung der Sprung-, Knie- und Hüftgelenke in Phase 4 wird ein weiterer Anstieg der Kraft erzeugt, dieser endet mit dem Abflug von der Platte, nun wirkt nur noch die Gewichtskraft auf den Körper. Prinzip der Anfangskraft Das biomechanische Prinzip der Anfangskraft spielt vor allem bei Wurf und Sprungbewegungen eine große Rolle. Hier soll eine hohe Endgeschwindigkeit des Körpers oder eines Sportgerätes erreicht werden. Das Prinzip sagt aus, dass durch eine einleitende Bewegung, entgegengesetzt der Hauptbewegungsrichtung, ein Leistungsvorteil bewirkt wird. Durch das Abbremsen der Gegenbewegung entsteht eine Anfangskraft, durch die der Kraftstoß(Impuls) vergrößert wird. Um das Prinzip der Anfangskraft auf den Countermovement-Jump zu beziehen, schauen wir uns nochmal den obigen Kraft-Zeit-Verlauf an. Tiefgehen
Bevor der Countermovement-Jump ausgeführt wird, steht der Athlet in einem aufrechten Stand. Der Sportler muss nun eine Stützkraft auf bringen, diese Stützkraft muss genau so groß sein wie seine Gewichtskraft, denn dann ist die resultierende Kraft null. Vermindert der Sportler nun die Stützkraft, so beginnt das Tiefgehen, da die resultierende Kraft eine Kraft ist, die nach unten zeigt. In der obigen Abbildung ist dies ab Zeitpunkt t0 der Fall. Das Tiefergehen wird so lange schneller, wie der Sportler seine Stützkraft so reduziert, dass sie kleiner als die Gewichtskraft ist. In diesem Fall bis t1. Bringt der Athlet nun Kraft auf, die größer als die Gewichtskraft (FG) ist, wird das Tiefergehen abgebremst, denn die resultierende Kraft richtet sich nun nach oben. Das Abbremsen von t1 bis t2 ist beendet, wenn der Bremsstoß A2 so groß ist wie der von t0 bis t1 dauernde (abwärts gerichtete) Beschleunigungsstoß A1. Hochgehen Nach dem der Athlet den tiefsten Punkt der Ausholbewegung erreicht hat, folgt das Hochgehen, in Form eines Beschleunigungsstoßes. Perfekter Countermovement-Jump
Eine gute Vorstellung von einer optimalen Kraft-Zeit-Kurve erhält man, wenn man sich zuerst eine nicht optimale Kraft-Zeit-Kurve ansieht. In der obigen Abbildung sieht man eine nicht optimale Kraft-Zeit-Kurve. Das erste Wellental und der erste Wellenberg zeigt das Tiefgehen des Sportlers. Jedoch hat der Sportler hier in der Hocke eine kurze Pause eingelegt, was zur Folge hat, dass die Kurve wieder auf dem Niveau der Gewichtskraft verläuft. Dadurch führt der Athlet einen Squat-Jump aus, da das Prinzip der Anfangskraft nicht umgesetzt wurde.
Für die optimale Ausführung eines Countermovement-Jumps, soll der Sportler zwar eine große Anfangskraft entwickeln, er soll jedoch nicht schon beim Abbremsen sondern erst in der Absprungphase sein Kraftmaximum einsetzen. Das Verhältnis des Bremsstoßes zum Beschleunigungsstoßes, also von A2 zu A3, soll etwa 1:2 sein. Fazit Die Größe der Anfangskraft ist für jeden Sportler optimal zu gestalten, nicht maximal. Ob die Gegenbewegung, das Beugen, sehr weit oder weniger weit ausgeführt wird, ist von der Leistungsfähigkeit des Sportlers abhängig. Drop-Jump
Der Drop-Jump dient der Ermittlung der reaktiven Sprungkraftfähigkeit. Hierbei wird, im Gegensatz zu den beiden vorherigen Sprüngen, nicht vom Boden sondern von einer Erhöhung eingesprungen. Die Arme des Sportlers sind an der Hüfte angelegt und verhindern somit eine zusätzliche Impulsübertragung. Nach dem erzwungenen Tiefgehen werden die Sprung-, Knie- und Hüftgelenke gestreckt und der Absprung wird eingeleitet.Die Streckung kommt hauptsächlich aus dem Sprunggelenk und weniger aus dem Hüft- und dem Kniegelenk, wie bei den Sprüngen zuvor. Das Ziel ist es ebenfalls die größtmögliche Flughöhe zu erreichen. Kraft-Zeit-Kurve Im Folgenden wollen wir den Sprung anhand einer Kraft-Zeit Kurve und der zugehörigen Bildreihe veranschaulichen:
Die Kraft-Zeit-Kurve beginnt auf der Nulllinie, da zum Zeitpunkt des Einspringens noch kein Kontakt zum Boden bzw. zur Kraftmessplatte besteht und somit noch keine Kraft auf Diese wirkt. Ab dem Zeitpunkt t0 hat der Sportler den ersten Bodenkontakt. Der Zeitpunkt t1 leitet das Abfangen der Energie in den Absprung ein. Durch den erhöhten Einsprung wirken bei der Landung größere Kräfte als bei einem Sprung aus dem Stand. Dies lässt sich mathematisch beweisen: vereinfachen wir es, indem wir uns das Kräfteproblem am freien Fall anschauen; zunächst brauchen wir die Fallgeschwindigkeit. Diese erhalten wir über die Formel v = √(2*g*h). Dabei ist h die Höhe, aus der Abgesprungen wird und g die Erdbeschleunigung (9,81m/s²). Haben wir die Aufprallgeschwindigkeit, wollen wir ausrechnen, wie groß die Bremsbeschleunigung ist, d.h. wie „stark“ muss ich abbremsen/wieviel Kraft der Sportler in den Bremskraftstoß investieren muss. Dabei spielt es eine Rolle, wie tief man dabei in die Knie geht. Nehmen wir an, wir gehen 1m in die Knie. Die Bremsbeschleunigung erhalten wir nun über die Formel: aBrems = v2 /2s. Dabei ist v die vorher berechnete Aufprallgeschwindigkeit und s die Strecke, die wir in die Knie gehen. Zuletzt benötigen wir die Mutter aller Formeln um die Kraft zu berechnen, die bei der Landung wirkt: F = m * a. Dabei ist m die Masse des Drop-Springers und a die zuvor Berechnete Bremsbeschleunigung. So sieht die Kraftformel aus, wenn man alle Werte direkt einsetzen möchte: F = m * (2*g*h)/2*s. Ab dem Zeitpunkt ab dem der Sportler seine eigene Gewichtskraft auf den Boden ausübt, muss
er der entstehenden Bodenreaktionskraft (hervorgerufen durch den erhöhten Einsprung) entgegenwirken. Dies erreicht er durch das Beugen und rechtzeitige Strecken der Beine. Diese Bremsbeschleunigung (A2) dauert von t1 – t2 an. Ab t2 wirkt der eigentliche Absprungstoß (A3) bei welchem der Sportler mehr als seine Gewichtskraft auf den Boden aufbringt, um somit, als Folge des hohen Kraftstoßes, beim Zeitpunkt t4 den Boden zu
verlassen. Bis zum Zeitpunkt t2 gilt: Factio > Freactio Das erzwungene Tiefgehen führt sofort beim ersten Bodenkontakt zu einer Vorspannung in der Sprungmuskulatur. Dadurch können Sportler mit einer hohen reaktiven Kraft eine höhere Anfangskraft entwickeln als durch das bloße Tiefgehen beim Countermovement-Jump. Ein (nicht) optimaler Drop-Jump Im Folgenden werden wir uns eine Kraft-Zeit Kurve eines nicht-optimalen Drop- Jumps ansehen:
Hier können wir deutlich erkennen, dass mehr Kraft für die Bremsbeschleunigung (A2) aufgebracht wurde als für den Beschleunigungskraftstoß (A3). Aber woran liegt das? Die Antwort liegt in der Einsprunghöhe des Sportlers. Aufgrund derer wirkt eine größere Kraft auf den Sportler, der er entgegenwirken muss. Es fällt dem Sportler hier schwerer noch genügend Kraft für den Beschleunigungskraftstoß aufzubringen. Dies ist sehr gut anhand der Kurve zwischen t1 und t2 zu sehen. Dadurch, dass das Kraftmaximum bereits vor dem eigentlichen Absprung einsetzt ist das Prinzip der Anfangskraft nicht richtig umgesetzt worden.
Hier sehen wir im Vergleich dazu einen optimalen Drop-Jump mit einem nahtlosen Übergang von Bremsbeschleunigung (A2) in den Beschleunigungskraftstoß (A3). Hier ist zu erkennen, dass das Kraftmaximum erst während des Beschleunigungskraftstoßes stattfindet. Dadurch ist das Prinzip der Anfangskraft optimal genutzt worden. Drop-Jump als Mittel zur Bestimmung der reaktiven Kraft Wenn man den Drop-Jump für die Ermittlung der reaktiven Kraftfähigkeit einsetzt wird meist aus einer vorgegebenen Ausgangshöhe eingesprungen, um so den Bewegungsimpuls des Sportlers auf der Messplatte bestimmen zu können. Je höher man also die Ausgangshöhe bestimmt, desto höher ist die Kraft, die auf den Sportler wirkt und dementsprechend muss mehr Kraft entgegenwirkt werden , damit eine optimale Sprunghöhe erreicht werden kann. Einige Messparameter zur Bestimmung der reaktiven Kraftfähigkeit sind:
Fragen zur Wiederholung Zum Schluss
möchten wir euch eine kleine Verständnisaufgabe zu den drei vorgestellten Sprüngen aus dem Buch „Angewandte Bewegungslehre und Biomechanik des Sport“ von Ullrich Göhner geben:
Und für die Interessierten unter euch: Wie würde die Kraft-Zeit-Kurve zu dieser Bildreihe aussehen? Wir wünschen euch viel Spaß bei der Bearbeitung Literatur
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Weiterführende LinksWelche Kraft wirkt beim Aufprall?Bei einem Aufprall gilt die physikalische Formel für die Berechnung der Energie, die dabei entsteht: „Kraft = Masse x Beschleunigung (F = ma)“. Das heißt, je schwerer das Ausgangsgewicht eines Gegenstandes ist, desto höher ist sein Aufprallgewicht.
Wie berechnet man die Kraft N?F = m · a. "F" ist die Kraft in Newton [ N ] "m" ist die Masse des Körpers in Kilogramm [ kg ] "a" ist die Beschleunigung in Meter pro Sekunde-Quadrat [ m/s2 ]
Wie schwer ist man beim Springen?Liegen zum Beispiel auf einem Gartentrampolin mit Durchmesser 430 cm etwa 20 cm Schnee, dann kann es je nach Schneebeschaffenheit zu einer Belastung von ca. 200 kg bis zu ca. 700 kg kommen!!!
Was ist f M * A?F = m • a einfach erklärt
Die Formel bedeutet, dass die Kraft gleich Masse mal Beschleunigung ist. Einfach gesagt bedeutet das: Wenn eine Kraft F auf einen Körper mit der Masse m wirkt, dann erfährt der Körper die Beschleunigung a.
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