Physik: Körperschwerpunkt und Bewegung

Physik und Biomechanik

• Biomechanik 1 wird von Gesche Lange, M.Ed. geleitet.
• Die Veranstaltung findet am Klinikum Itzehoe statt.
• Die Vorlesung behandelt physikalische und biomechanische Konzepte.
• Die Vorlesung stützt sich auf die Bücher von Hüter-Becker (2016) und Schünke et al. (2022) aus dem Thieme Verlag.

Quellen

• Hüter-Becker, A. (2016). Biomechanik, Bewegungslehre, Leistungsphysiologie, Trainingslehre [E-Book]. Georg Thieme Verlag.
• Schünke M. et al. (2022). Prometheus LernAtlas - Allgemeine Anatomie und Bewegungssystem. Georg Thieme Verlag.

Inhalt

• Geschichte der Biomechanik
• Einführung in das Lerngebiet
• Physikalische Größen
• Mechanik fester Körper
• Kräfte als Vektoren
• Reibung
• Druck & Zug
• Schiefe Ebene als Arbeitserleichterung
• Drehmoment
• Hebel und Hebelgesetze
• Freiheitsgrade
• Biomechanische Eigenschaften unterschiedlicher Gewebe
• Biomechanische Messverfahren

Geschichte der Biomechanik - Antike

• Aristoteles (384-322 v. Chr.)
• Verständnis von menschlicher Bewegung über die Beobachtung von Tieren
• Äußere Form des Körpers und ihr Einfluss auf Bewegung
• Intensität & Wirkweise der Bewegungsursache
• Geschwindigkeit & Beschleunigung
• Archimedes (um 280 v. Chr.)
• "Archimedisches Prinzip"
• Galen (131-201 n. Chr.)
• Begründer der Myologie

Geschichte der Biomechanik - Mittelalter

• Leonardo da Vinci (1452-1512)
• Anwendung der Regeln der Mechanik auf die menschliche Bewegung
• Untersuchung des Körperschwerpunktes
• 4 Kräfte der Natur: Bewegung, Gewicht, Kraft & Impuls
• Galileo Galilei (1564-1642) - Fallgesetze
• Bewegung von Tieren & menschlicher Sprung
• Isaac Newton (1643-1727)
• Klassische Gesetze der Mechanik
• Grundlegende Begriffe zur Beschreibung von Bewegungen

Geschichte der Biomechanik - Neuzeit

• Hermann von Helmholtz (1821-1894)
• Vater der biomedizinischen Technik
• Gesetz von der Erhaltung der Energie
• Wahrnehmung von Tönen
• 19. Jahrhundert
• Analyse von Laufbewegungen mit kinematischen Forschungen
• Erste Kraftmessungen
• Messungen im Bereich von Muskulatur und Organsystemen

Seit den 1960er Jahren

• Biomechanische Untersuchungen zur Optimierung von Bewegungsabläufen
• Dreidimensionale Bewegungsanalysen
• Verständnis der Mechanismen der Bewegungskontrolle
• Erkenntnisse von Störungen im Bewegungsverhalten
• Bestimmung von Grenzen der Belastungsfähigkeit
• Erfassung von Verletzungs- & Heilungsmechanismen

Einführung ins Lerngebiet

• Definition & Aufgaben der Biomechanik
• Anwendung in der Physiotherapie
• Körperschwerpunkt
• Unterstützungsfläche
• Gleichgewicht
• Therapeutische Umsetzung

Was ist Biomechanik?

• Alle Bewegungen von Menschen und Tieren unterliegen den Gesetzen der Mechanik.
• Jede Bewegung schließt Ortsveränderung von Masseteilen in Raum und Zeit ein.
• Eine wirkungsvolle Therapie des Haltungs- und Bewegungsapparates setzt voraus, dass Therapeut und Patient den physiologischen Bewegungsablauf kennen.

Definition & Aufgaben der Biomechanik

• Die Studie von Kräften auf und innerhalb eines Körpers und deren Auswirkungen auf Gewebe, Flüssigkeiten oder Materialien, die für Diagnostik, Behandlung oder Forschungszwecke verwendet werden.
• Beschäftigung mit Funktionen und Strukturen lebender Systeme.
• Berücksichtigung mechanischer Eigenschaften & sensomotorischer Regelprozesse.
• Grundlage: Kenntnisse der klassischen Mechanik.

Kinematik

• Lehre von den Bewegungen ohne Berücksichtigung von Masse & Kraft.
• Beschreibung ausschließlich räumlicher Bewegung in Abhängigkeit von der Zeit.
• Wie bewegt sich ein Körper?

Kinetik

• Lehre vom Zusammenhang zwischen Kraft & Bewegung.
• Untersuchung der Wirkung von Kraft als Ursache einer Bewegung oder eines Gleichgewichts.
• Warum bewegt sich ein Körper/bleibt er im Gleichgewicht?

Statik

• Untersuchung der Bedingungen, unter denen Kräfte miteinander im Gleichgewicht stehen und daher keine Bewegungsänderung veranlassen.

Dynamik

• Untersuchung der von Kräften hervorgerufenen Bewegungen.

Aufgaben der Biomechanik

• Betrachtung der Bewegung des menschlichen Körpers unter der Einwirkung von Schwerkraft und anderer auf ihn einwirkender Kräfte.
• Untersuchung der mechanischen und ökonomischen Zusammenhänge von Bewegungsübergängen.
• Erforschung der Wirkung mechanischer Kräfte, die vom Lebewesen erzeugt werden.
• Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Wirkung unterschiedlicher Kräfte und Form der Bewegungsabläufe.
• Vermeidung ungünstiger Krafteinwirkung auf menschlichen Organismus.

Körpeschwerpunkt (KSP)

• Definition: Fiktiver Punkt im Körper, wo Masse/Gewicht vereinigt ist
• Schwerkraftmomente aller Masseteile halten sich in Gleichgewicht.
• Angriffspunkt aller äußeren Kräfte.
• Starre Körper: fester KSP.
• Mensch: KSP abhängig von Körperposition & Masseverteilung.

Unterstützungsfläche (USF)

• Definition: Fläche, die von den Auflagepunkten eingerahmt wird.
• Gelangt KSP über USF hinaus verlieren Personen Gleichgewicht und stürzen.

Gleichgewicht

• Definition: Zustand, wo Summe aller Kräfte und Momente gleich Null ist.
• Bestimmt durch Verhalten des KSP und Verlauf der Schwerelinie.
• Verbindung zwischen KSP und Erdmittelpunkt.

Stabiles Gleichgewicht

• KSP befindet sich unterhalb des Drehpunktes (z. B. beim Pendel)
• Bei einer kleinen Auslenkung des Körpers kehrt er wieder in die vorige Lage zurück.

Instabiles Gleichgewicht

• KSP befindet sich oberhalb des Drehpunktes
• Lageveränderungen (äußere Kräfte) zerstören das Gleichgewicht
• Es erfolgt keine Rückkehr in die Ausgangslage.

Indifferentes Gleichgewicht

• Der Drehpunkt liegt genau im Schwerpunkt (z. B. beim Rad)
• Lageveränderungen lassen neue Ausgangslagen entstehen.

Therapeutische Umsetzung

• Verbesserung der Standfestigkeit
• Gleichgewichtsschulung
• Vergrößerung der Unterstützungsfläche.
• Veränderung der Beinstellung.
• Einsatz von Gehhilfen.
• Tieferlegen des Schwerpunktes.
• Erhöhung des Gewichtes (beschweren).
• Gezieltes Verringern der USF.
• Beidbeiniger Stand (breit/schmal), Einbeinstand, Zehenstand..
• Verlagerung des KSP an den Rand der USF
• Gleichgewichtsverlagerung im Sitz
• Einsatz labiler Untergründe
• Pezziball, Kreisel, Wackelbrett, Airex-Kissen

Physikalische Größen

• Vektorielle & skalare Größen
• Basisgrößen & Einheiten
• Abgeleitete Größen & Einheiten
• Zeit [t], Masse [m], Länge [l], Temperatur [T]

Physikalische Größen - Skalare

• Bestehen aus einer Maßzahl/einem Betrag und einer Einheit.
• Sind richtungslose Größen.
• Haben nur einen Betrag.
• Beispiele: Zeit [t], Masse [m], Länge [l], Temperatur [T].

Physikalische Größen - Vektoren

• Bestehen aus einer Maßzahl/einem Betrag, einer Einheit & einer Richtung.
• Sind richtungsorientierte Größen.
• Richtung durch Pfeil gekennzeichnet.
• Beispiele: Kraft [F], Beschleunigung [a], Geschwindigkeit [v], Impuls [p].

Mechanik fester Körper

• Kinematik
• Dynamik

Kinematik

• Die meisten Bewegungen (des menschlichen Körpers) sind zusammengesetzte Bewegungen aus Rotation und Translation.
• Man trifft kaum eine gleichförmige Bewegung an — sie ist eine idealisierte Bewegungsform.
• Aufgabe: Beispiele von Translations- und Rotationsbewegungen am menschlichen Körper finden!
• Bewegung = Ortsveränderung in Abhängigkeit von der Zeit relativ zu einem Bezugssystem.
• Unterscheidung in Bewegungen mit räumlicher Charakteristik und Bewegungen mit zeitlicher Charakteristik.
• Translation: Bewegung eines Körpers auf gerader Linie / beliebig gekrümmter Kurve im Raum. Alle Massepunkte des Körpers bewegen sich auf parallelen Geraden — lineare Bewegung.
• Rotation: Drehung eines Körpers um eine Achse bzw. einen Mittelpunkt. Alle Massepunkte bewegen sich auf konzentrischen Kreisen um den Drehpunkt — anguläre Bewegung.

Kinematik – Bewegungen mit zeitlicher Charakteristik

• Unterscheidung zwischen gleichförmigen Bewegungen (v = konstant, a = 0) und ungleichförmigen Bewegungen (v ≠ konstant, a ≠ 0).
• Gleichmäßig beschleunigt/gebremst (a = konstant) und ungleichmäßig beschleunigt/gebremst (a ≠ konstant).

Kinematische Parameter bei der Translation

• Gehtests zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Patienten mit arteriellen Durchblutungsstörungen.
• Der Test wird auf ebenem Boden (häufig Laufband) durchgeführt.
• Geschwindigkeiten und Beschleunigungen werden gemessen und ausgewertet.
• Spezielle Durchführung für Patienten mit Morbus Parkinson oder Claudicatio intermittens ist erwähnenswert.

Drehmoment

• Entsteht durch eine Kraft, die über einen Hebelarm auf eine Drehachse wirkt.
• Hebelarm = senkrechter Abstand zw. angreifender Kraft und Drehachse.
• Hebelarm steht senkrecht zum Kraftvektor.
• Drehmoment ist proportional zur Größe der Kraft und der Länge des Hebelarmes.
• Formel: M = F * s (Drehmoment = Kraft * Hebelarm).

Hebel und Hebelgesetze

• Die Last ist ebenfalls eine Kraft = Kräftepaar aus Kraft & Gegenkraft.
• Gleichgewicht: Kraft und Gegenkraft sind gleich groß.
• Zustand des Gleichgewichts am Beispiel einer Wippe = gleicher Abstand vom Drehzentrum erzeugt gleiche Kraftverteilung.
• Unterschiedlicher Abstand vom Drehzentrum wird durch unterschiedliche Kraftverteilung ausgeglichen.
• Für die Wippe gilt: F₁* r₁ = F₂ * r₂ (Last * Lastarm = Kraft * Kraftarm).

Freiheitsgrade

• Definition: Jede Bewegungsmöglichkeit eines Körpers.
• Ein freier Körper kann sich in drei Richtungen bewegen und in drei Richtungen rotieren (= 3 Translations- und 3 Rotationsfreiheitsgrade)
• Ruht ein Körper auf einer Ebene, werden die Bewegungsmöglichkeiten reduziert.
• Unterscheidung in drei Bewegungsmöglichkeiten im x, y & z Richtungsbereich.
• Einteilung nach Form der Gelenkflächen: Kugelgelenk, Sattelgelenk, Scharniergelenk, Zapfengelenk, Ellipsoid- oder Eigelenk, Ebenes Gelenk oder Drehgelenk, Bicondyläres oder Kondylengelenk.

Kinematische Ketten

— Definition: Mehrgliedriges System aus gelenkig miteinander verbundenen Segmenten, im menschlichen Körper. — Unterscheidung zwischen offenen und geschlossenen Kinematischen Ketten. — Vorteile für das Training.

Biomechanische Eigenschaften unterschiedlicher Gewebe

• Mechanische Eigenschaften der Gewebe / Materie und deren Bedeutung im Alltag. — Beispiel-Gewebe und ihre Eigenschaften (Stoß- Dämpfung, Druckbelastung, Kontraktionszeiten etc.)
• Kontraktionstzeiten und die Unterscheidung nach Muskelfasern.
• Betrachtung von kinematischen und mechanischen Eigenschaften im Alltag der menschlichen Körper.

Knorpel

• Ist ein Bindegewebe, mit druck- und biegeelastischen Eigenschaften
• Ist wichtig für die Mechanik des Bewegungsapparates
• Funktionen der Knorpel (Abpuffern von Stoßbelastungen, Minimierung der Reibung im Gelenk)
• Aufbau der Bandscheiben (Anulus fibrosus, Nucleus pulposus, Wassergehalt).
• Funktion der Bandscheibe: Kraftübertragung & Bewegungsmöglichkeit zwischen den Wirbeln & Abbremsen von Scher- und Gleitkräften & Abpuffern von Stoßbelastungen

Reaktion der Gewebe auf Überbelastung und Unterbelastung

• Reaktion der verschiedenen Gewebearten: Knochen, Knorpel, Bindegewebe, Muskulatur, Bandscheiben, Nervengewebe

Biomechanische Messverfahren

• Quantitative Erfassung von Bewegungsabläufen
• Genauere Analysemöglichkeit (Beobachtungen überprüfbar).
• Optimierung von Bewegungstechniken (Leistungssport).
• Vergleichswerte zur Kontrolle von Korrekturmaßnahmen.
• Gliederung der Messverfahren nach dem Messprinzip (mechanisch, optisch, elektronisch) & nach der Art der gemessenen Größen (Kinemetrie, Dynamometrie, Anthropometrie, EMG).

Hinweise

• Viele Studien und weitere Details sind in den Präsentationen in den angegebenen Fußnoten/Referenzen zu finden.