Messtechnische Grundlagen und Einführung in die Dynamometrie

Inhaltsverzeichnis

1. Grundlagen im Bezug auf das Messen biomechanischer Größen
1.1 Grundbegriffe des Messens allgemein
1.2 Gütekriterien

2. Übersicht und Einteilung der Messverfahren

3. Grundlagen der Dynamometrie
3.1 Messzweck und Messprinzip
3.2 Kraftmessung mit Dehnungsmesstreifen
3.3 Kraftmessung mit piezoelektronischen Gebern
3.4 Anwendungsbereiche und Probleme der Kraftmessung

4. Messung von Reaktionskräften
4.1 Messung am Boden
4.2 Kraftmessung von Reaktionskräften an Geräten
4.3 Beispiele von Auswertungsmöglichkeiten bei der Messung von Reaktionskräften am Boden und an Geräten

Literaturverzeichnis

1. Grundlagen im Bezug auf das Messen biomechanischer Größen

1.1 Grundbegriffe des Messens allgemein

In den vielen verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen werden Größen und Einheiten benötigt um bestimmte Gesetze oder Prinzipien nachzuweisen oder zu belegen. Auch in der sportbezogenen Biomechanik gibt es diese Größen. Um aber einen genauen Einblick in die Thematik zu finden, ist es nötig, zu erst die allgemeinen physikalischen oder mechanischen Größen zu definieren und zu erklären. Dazu wird der Vorgang des „Messens“ benötigt. Dem zu Folge muss dieser Vorgang zuerst definiert werden. Baumann stellte dazu folgende Definition auf: „Eine physikalische Größe messen heißt, sie mit einer als Einheit gewählten Größe gleicher Art ins Verhältnis zu setzen. Der sich bei diesem Vergleich ergebende Zahlenwert gibt an, wie oft die Einheit in der zu messenden Größe enthalten ist (Ballreich/ Baumann 1988, 76)“.

Dabei spielen verschiedene Faktoren eine sehr bedeutende Rolle. Zum einen die interessierende Größe, also der Messwert. Er ist das unmittelbar erhaltene Produkt aus dem gemessenen Zahlenwert und gewählter Einheit (vgl. Ballreich/ Baumann 1988, 76). Beispiele für die in der Sportbiomechanik relevanten Messwerte sind die Schrittlänge, Abstoßkraft oder die Laufgeschwindigkeit. Ein einfaches Beispiel ist die Messung der Zeit beim 100m Lauf.

Weiterhin wird in zwei Arten der Ermittlung von Messwerten unterschieden. Auf der einen Seite wird häufig die direkte Messung angewandt, d. h. der Messwert und das Messergebnis stimmen überein. Auf der anderen Seite gibt es die indirekte Messung. Bei dieser Form des Messens wird das Messergebnis über bekannte Zusammenhänge aus einem oder mehreren Messwerten berechnet.

Ein anderer wichtiger Faktor zur Bestimmung von Messwerten sind die Geräte, die unter dem Begriff Messeinrichtung zusammengefasst werden können. Das können zum Beispiel Messgrößenumformer, Geber oder Transducer sein. Nach Art der Messgeräte werden sie in verschiedene Gruppen eingeteilt. Es gibt Messgrößenumwandler, welche die Eingangsgröße in eine zugeordnete Ausgangsgröße, die von der Eingangsgröße verschieden ist, umformt (vgl. Ballreich/ Baumann 1988, 76). Dadurch können beispielsweise die Kraft in Länge oder die Länge in elektrischen Widerstand umgewandelt werden. Ein Messwertwandler formt den Eingangswert in einen Ausgangswert physikalisch gleicher Art um und verändert dabei den Messbereich. Er dient vorwiegend zur Anpassung des Messwertes an den Eingang des Anzeiger- bzw. Registriergerätes (vgl. Ballreich/ Baumann 1988, 76). Ein sehr bekanntes und wichtiges Gerät aus dieser Gruppe ist der Verstärker.

Weiterhin benutzt man bei einem Messvorgang Anzeige- bzw. Registriergeräte um Messwerte fortlaufend anzeigen und speichern zu können. Dabei kann nur die Anzeige von zeitlich konstanten oder langsam veränderlichen Messgrößen genutzt werden. Eine Unterscheidung der Anzeige- bzw. Registriergeräte wurde nach Art der Darstellung getroffen. Es gibt analoge Messgeräte, welche der kontinuierlichen Änderung der Messgrößen folgen. Die andere Art sind die digitalen Messgeräte, die den Messwert in Form von Ziffern darstellen. Beispiele für analoge Instrumente wären Oszillographen, Magnetbandgeräte oder Zeigeruhren. Bei den digitalen Geräten ändert sich die Anzeige in Sprüngen, dies ist der Fall bei Digitaluhren oder Geräten mit Zifferanzeige (vgl. Ballreich/ Baumann 1988, 76/ 77).

1.2 Gütekriterien

Bei der Ermittlung biomechanischer Größen ist die Kenntnis der allgemeinen Faktoren, wie sie im letzten Abschnitt dargestellt wurden, Voraussetzung. Dabei sind bestimmte Gütekriterien von Bedeutung. Jedes Messverfahren, das aus einzelnen Messgeräten zusammengesetzt ist, ist als Messkette anzusehen. Die Messkette, oder Messeinrichtung, ist vom Zweck und vom Grad der Genauigkeit abhängig. Dabei gilt: Je höher die Genauigkeit, desto kleiner sind die Unterschiede die bei Messungen verschiedener Bewegungen, bei verschiedenen Versuchspersonen oder Versuchsbedingungen festgestellt werden können (vgl. Ballreich/ Baumann 1988, 80). Also ist die Genauigkeit eine Angabe der zweckmäßigen Durchführung eines Messversuches oder einer Messeinrichtung. Ein Beispiel für eine Messkette, wäre die Messung der Absprungkraft beim Schlusssprung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(vgl. Ballreich/ Baumann 1988)

Der Aufbau müsste dann von einer Kraftmessplatte über eine Verbindung zum Registriergerät realisiert werden. Daraus schlussfolgernd können den Gütekriterien für Messverfahren folgende Eigenschaften oder Bedingungen zugeordnet werden: Messfehler, Grad der Rückwirkung, Informationszeitpunkt, Möglichkeit der Fernmessung und der personelle bzw. materielle Aufwand (vgl. Ballreich/ Baumann 1988, 77).

Weiterhin werden Gütekriterien einer Messung festgelegt. Diese werden als so genannte Fehler bezeichnet. Beim ersten Gütekriterium ist das Messergebnis nur nutzbar, wenn der Fehler bekannt ist. Dies wird als Messfehler bezeichnet. Ein zweites Kriterium sind systematische Fehler. Sie werden durch falsche Skalierung oder Funktionsfehler hervorgerufen. So wird zum Beispiel ein Messergebnis verfälscht, indem man die Skalierung im Koordinatensystem ungenau oder falsch wählt und die Kurve etwas anders darstellt als sie in Wirklichkeit sein sollte. Dem gegenüber gibt es die zufälligen Fehler, welche Fehler beim Ablesen der Werte, Aufbaufehler oder sogar äußere Einwirkungen sein können. Äußere Einwirkungen können zum Beispiel Erschütterungen, Schwankungen der Versorgungsspannung oder Witterungseinflüsse sein. Dabei tritt eine Steuerung der Messwerte um einen Mittelwert auf. Es entsteht kein genaues Messergebnis, sondern nur ein Messbereich, indem das genaue Messergebnis liegt. Um diesem Fehler zu entgehen, ist es nötig mehre Messungen durchzuführen, folgend einen Mittelwert zu bilden oder versuchen den Messbereich von Witterungseinflüssen, also vor äußeren Einflüssen weitgehend zu schützen. Wenn dieses verwirklicht werden kann, steigt der Grad der Genauigkeit. Eine weitere Form von Fehlern bei Messungen ist der Grad der Rückwirkung. Damit ist eine: "...durch Messung auf das Messobjekt im Sinne einer Verfälschung des zu messenden Vorganges wirkenden Einfluss... (Ballreich/ Baumann 1988, 79)" gemeint. Der Grad der Rückwirkung wird durch die vom Messobjekt entzogene Energie bestimmt. Dieser kann durch hohe Empfindlichkeit der Messergebnisse entgegengewirkt werden, er wird somit minimiert. Bei Messungen von sportlichen Bewegungen ist es oft nötig die Anzeige- und Registriergeräte an einem anderen Ort aufzubauen als am eigentlichen Messungsort. Es entsteht eine Distanz über welche die Messergebnisse übertragen werden müssen. Das trägt zur Verfälschung der Ergebnisse bei. Um diese Verfälschung zu umgehen, werden elektrische Leitungen, die so genannte drahtgebundene Telemetrie, oder die elektromagnetische Strahlung, drahtlose Telemetrie, benutzt. Die Entscheidung zwischen beiden Varianten ist abhängig von Distanz, Geschwindigkeit, Anzahl, Frequenzbereich oder auch der Grad der Genauigkeit (vgl. Ballreich/ Baumann 1988, 79/80).

Die letzte Form der Verfälschungsarten ist der Informationszeitpunkt. Der Informationszeitpunkt ist der Zeitpunkt, an dem die Messergebnisse dem Trainer bzw. der Sportler zur Verfügung stehen. Dabei gibt es zwei Arten: den zeitlichgleichen und den zeitlich versetzten Informationszeitpunkt. Bei der Anwendung des zeitlich versetzten Informationspunktes dauert die Auswertung mehrere Tage und kann demzufolge nicht in der gleichen Trainingszeit verwendet werden. Bei der anderen Art können die Ergebnisse direkt in der Trainingseinheit ausgewertet und verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass der Sportler oder Patient die Bewegungen direkt im Anschluss an die erbrachte Leistung oder sogar zeitgleich mit der Leistung optimieren kann (vgl. Ballreich/ Baumann 1988, 79/ 80).

Der Grad der Genauigkeit von Messungen nimmt in der leistungsbezogenen Biomechanik eine bedeutende Rolle ein, zum Beispiel bei der Leistungsoptimierung im 100m- Lauf. Dadurch ist es auch sehr wichtig, dass die Biomechanik immer nach neuen Messarten zur Leistungsbestimmung und Leistungsoptimierung forscht.

2. Übersicht und Einteilung der Messverfahren

Durch die Vielzahl an Messgrößen ist es verständlich, dass man nicht mit einem Messverfahren jede einzelne Größe messen kann. In der Entwicklung der Biomechanik wurde viele Messverfahren entwickelt oder aus anderen wissenschaftlichen Bereichen übernommen. Je nach Art ihrer Durchführung werden sie in verschiedene Teilgebiete aufgeteilt. Bevor diese jedoch näher erläutert werden sollen, muss noch auf die Grundvoraussetzungen eingegangen werden.

Grundlage der Messverfahren ist die Tatsache, dass sich in der Biomechanik sämtliche Grundgrößen auf drei mechanische Größen zurückführen lassen. Diese sind Länge, Zeit und Masse. (vgl. Ballreich/ Baumann 1988, 80). Anhand dieses Schaubildes kann man auf die Einteilung der Messverfahren in der Biomechanik schließen, die biomechanischen Messverfahren werden nach Art der gemessenen Größe eingeteilt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(vgl. http://www.olympiastuetzpunkt.org/biomechanik2.html)

Das erste Messverfahren der Biomechanik ist die Kinemetrie. In dieser werden die kinematischen Größen Länge und Zeit, und damit verbunden auch die Geschwindigkeit und Beschleunigung in Betracht gezogen. Die Kinemetrie beschäftigt sich somit mit der Ermittlung der Weg- Zeit- Merkmale ausgewählter Körperpunkte. Werden Drehbewegungen in Betracht gezogen, so werden bestimmte Winkelgrößen bestimmt. Ein grundlegendes Beispiel für die Messung von Geschwindigkeiten ist die Messung der Abfluggeschwindigkeiten beim Speerwurf. Weiterhin beschäftigt sich die Kinemetrie, in Verbindung mit der Anthropometrie, mit dem Messen von Energie, Leistung und Massenkräften. Somit können komplexe sportliche Aktivitäten genau untersucht werden. Da dieses Spektrum an Messmöglichkeiten sehr groß ist, gibt es auch viele verschiedene Messverfahren innerhalb der Kinemetrie. Die erste Untergruppe wären die elektronischen Verfahren. Diese schließen zum Beispiel die Zeitmessung mit ein. Ein Beispiel für die Zeitmessung ist die Grobstrukturierung des 100 m- Laufs anhand des Geschwindigkeits- Zeitverlaufes in einem Abschnitt positiver, konstanter und negativer Beschleunigung (vgl. Ballreich/ Baumann 1988, 84). Weitere Verfahren innerhalb der elektronischen Verfahren wären die Wegmessung, Winkelmessung, Geschwindigkeitsmessung und die Beschleunigungsmessung. Außerdem ist das gesamte Spektrum der optischen Verfahren in diese Kategorie einzubeziehen, darunter fällt auch die Bild- und Videomessung (vgl. Ballreich/ Baumann 1988, 89 ff).

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