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Biomechanische Grundlagen für den alpinen Skilauf

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  1. Biomechanische Grundlagen für den alpinen Skilauf K. Schindelwig Institut für Sportwissenschaft, Universität Innsbruck

  2. Mechanik Kinematik ist die Lehre von Bewegungen ohne Berücksichtigung von Masse und einwirkenden Kräften. Dynamik befasst sich mit der Wirkung von Kräften Geben Sie eine kinematische Bewegungsanweisung! Geben Sie eine dynamische Bewegungsanweisung!

  3. Dynamik Statik Kräfte sind im Gleichgeweicht  Keine Bewegung Kinetik beschreibt die Änderung der Bewegungsgrößen (Weg, Zeit, Geschwindigkeit und Beschleunigung) unter Einwirkung von Kräften. • Beispiel: • Skifahrer steht in einem steilen Hang….Statik • Geschwindigkeitsverlust beim Driften….Kinetik

  4. Kenntnisse der Biomechanik helfen: • Gesetzmäßigkeiten von Bewegungen zu verstehen und erleichtern dadurch den Lernprozess beim Erwerb von Bewegungsabläufen. • Ursachen für Technikfehler erkennen • Beispiel: • Warum wird der Schwungradius bei zunehmendem • Kantwinkel kleiner? • Warum hat der Schwimmer eine starke Seitbewegung • beim Kraulen?

  5. Wirkung der Kraft • Die Kraft erkennt man nur an ihrer Wirkung: • Eine Kraft kann die Geschwindigkeit oder Bewegungsrichtung eines Körpers ändern. • Ein Kräftepaar kann einen Körper verformen (Deformation). • Zwei Arten der Deformation: • Elastizität: Fähigkeit von Stoffen, eine Formänderung rückgängig zu machen, sobald die einwirkende Kraft wegfällt. • Plastizität: Vermögen eines Werkstoffes, seine Gestalt beizubehalten, die durch eine Krafteinwirkung entstanden ist.

  6. Wirkung der Kraft Um eine Kraft zu beschreiben, genügt es nicht, Zahlenwert und Einheit anzugeben; wichtig ist auch die Richtung, in die die Kraft wirkt. Kräfte können mit Vektoren (Pfeile mit bestimmter Länge und Richtung) angegeben werden. Beispiel: Zur Veranschaulichung können Gummischnüre verwendet werden.

  7. Beispiele: In welche Richtung wird die Kugel bewegt? a) b) c) d)

  8. Wie groß ist die Druckbelastung der Kniescheibe bei 180, 90 und 30°?

  9. Wie groß ist die Druckbelastung der Patellascheibe bei 180, 90 und 30° bei gleicher Muskelkraft ?

  10. Kräfte beim Abbremsen durch eine Pflugstellung

  11. Kräfte beim Abbremsen durch eine Pflugstellung Bremsende Kraft

  12. Kräfte beim Abbremsen durch eine Pflugstellung (größere Kraft auf linkem Ski) Bremsende Kraft Skifahrer wird nach Rechts abgelenkt

  13. Kräfte beim Skifahren Äußere Kräfte 1. Gewichtskraft Sie wirkt immer senkrecht nach unten und ist das Produkt von Masse und Erdbeschleunigung Sie setzt am Körperschwerpunkt an Der Körperschwerpunkt ist der gedachte Massenmittelpunkt

  14. 1. Gewichtskraft Sie wirkt immer senkrecht nach unten Bei welcher Position kippt die Person? Warum kippt sie bei dieser Position? Wie wird die Stabilität erhöht?

  15. 1. Gewichtskraft Eine Person befindet sich so lange im Gleichgewicht, solange die Kraft durch die Stützfläche wirkt.

  16. 1. Gewichtskraft Mit welchem Gelenkswinkel wird das Vor-Rück-Gleichgewicht bei einer Kniebeuge am stärksten beeinflusst? Warum ist das Vor-Rück-Gleichgewicht beim Skifahren besser?

  17. 2. Hangabwärtstreibende Kraft und Normalkraft FH Die hangabwärtstreibende Kraft wirkt parallel zum Untergrund Die Normalkraft wirkt im rechten Winkel zum Untergrund Vektoriell addiert ergeben die zwei Kräfte die Gewichtskraft FN FGew

  18. 2. Hangabwärtstreibende Kraft und Normalkraft Bestimmen Sie zeichnerisch die hangabwärtstreibende Kraft und die Normalkraft! FGew FGew FGew

  19. 2. Hangabwärtstreibende Kraft und Normalkraft FH FN FGew Welche Kraft wird stark von der Hangneigung beeinflusst, welche gering (Hangneigung 5 bis 30%)?

  20. 3. Reibungskraft Sie entsteht an der Berührungsfläche zweier fester Gegenstände. Sie wirkt entlang der Kontaktfläche. Beispiel Skifahren: FR

  21. 3. Reibungskraft Die Reibungskraft kann unterteilt werden in • Haftreibung • Gleitreibung • Rollreibung Die Haftreibung ist meist größer als die Gleitreibung Experimentelle Bestimmung der Haft- und Gleitreibung: Haftreibung: Ebene so lange anheben, bis der Körper zum Rutschen beginnt  Hangabwärtstreibende Kraft ist leicht größer wie die Reibungskraft Gleitreibung: Körper anschieben, falls er die Geschwindigkeit beibehält, ist ….

  22. 3. Reibungskraft Experimentelle Bestimmung der Haft- und Gleitreibung: Haftreibung FR: Ebene so lange anheben, bis der Körper zum Rutschen beginnt  Hangabwärtstreibende Kraft FH ist leicht größer wie die Haftreibungskraft Gleitreibung: Körper anschieben, falls er die Geschwindigkeit beibehält gilt: FH = FR FR FH FN FGew

  23. 3. Reibungskraft Mit welchem Winkel kann die Haft und Gleitreibung beim seitlichen Stehen bzw. Rutschen am stärksten beeinflusst werden?

  24. 3a. Gleitreibungskraft Beim Gleiten bei guten Verhältnissen beträgt die Gleitreibungskraft ca. 1 - 2 % von der Normalkraft FR

  25. 3a. Gleitreibung Die Gleitreibungzwischen Ski und Schnee ist Geschwindigkeitsabhängig und kann nicht als konstant angenommen werden. Deshalb werden z.B. für Abfahrtsski Teststrecken verwendet, bei der die Testfahrer zumindest 90 bis 120 km/h erreichen.

  26. 3b. Haftreibung Quer zur Fahrtrichtung wirkt meist die Haftreibung (Ski schneidet eine Spur in den Schnee). Diese kann je nach Schneeverhältnissen sogar größer als die Normalkraft werden. FHaftreibung FGleitreibung

  27. 3a. Gleitreibung Wenn der Ski driftet, wirkt auch quer zum Ski eine Gleitreibung, welche zwar kleiner wie die Haftreibung aber deutlich größer wie die Gleitreibung in Fahrtrichtung ist. FGleitreibung quer FGleitreibung

  28. 4. Luftwiderstand • wirkt entgegen der Fahrtrichtung und ist abhängig von • der Geschwindigkeit • der Körperposition

  29. 4. Luftwiderstand Fw = cw · A ·  · v²/2 .......Dichte des Mediums (Luft ca. 1kg/m³) cw... Widerstandsbeiwert (Konstante) A ......angeströmte Fläche v .......Geschwindigkeit cw · A…schädliche Fläche, abhängig von der Körperposition

  30. 4. Luftwiderstand Fw = cw · A ·  · v²/2 Um wie viel erhöht sich der Luftwiderstand, wenn sich die Geschwindigkeit von 20 auf 40 km/h erhöht?

  31. 5. Zentrifugalkraft • m * v² • FZ =---------- • r • m…Masse • v….Geschwindigkeit • r…..Radius • Bei doppelter Geschwindigkeit vierfache Zentrifugalkraft • Bei halbem Schwungradius doppelte Zentrifugalkraft

  32. m * v² FZ =---------- r 5. Zentrifugalkraft Schwung- radius

  33. 5. Zentrifugalkraft Fges Die Gesamtkraft Fges muss zwischen den Ski wirken, damit der Skifahrer nicht umfällt.

  34. FZ Fges FGew 5. Zentrifugalkraft Die Gesamtkraft Fges setzt sich aus der Gewichts- und Zentrifugalkraft zusammen, beim Fahren auf einer waagrechten Ebene.

  35. 5. Zentrifugalkraft • Steuerungsmöglichkeiten für das Gleichgewicht: • a) Körperposition • Innenlage • Oberkörperhaltung • Breite der Skiführung

  36. 5. Zentrifugalkraft • Steuerungsmöglichkeiten für das Gleichgewicht: • b) Veränderung der Zentrifugalkraft mit • Schwungradius (Kantwinkel, Driften) • Geschwindigkeit!!!

  37. FZ FH FN FGew 2 + 5. Zentrifugal und Hangabwärtstreibende Kraft

  38. 3 + 5. Zentrifugal und Hangabwärtstreibende Kraft FZ FH Fges

  39. 3 + 5. Zentrifugal und Hangabwärtstreibende Kraft a) Bei konstantem Radius

  40. 3 + 5. Zentrifugal und Hangabwärtstreibende Kraft a) Bei konstantem Radius Aufsicht

  41. 3 + 5. Zentrifugal und Hangabwärtstreibende Kraft a) Bei konstantem Radius FZ FH Bestimmen Sie für alle Positionen die resultierende Kraft! Aufsicht

  42. FZ FH FGes Aufsicht

  43. 3 + 5. Zentrifugal und Hangabwärtstreibende Kraft a) Bei einem „normalen“ Schwung FH FZ Aufsicht

  44. = FGes FH FZ FGes Aufsicht

  45. Theoretischer Schwungradius Kein Driften, keine Torsionsbewegung vom Ski, kein Eindringen in den Schnee

  46. Kräfte beim Skifahren - Innere Kräfte Am Anfang der Tiefbewegung findet eineEntlastung statt (Phase 2) Beim unteren Umkehrpunkt wirkt die größte Kraft (Phase 3) Beim Stand wirkt nur die Gewichtskraft (Phase 1 und 4) .