Muskelaktivität und Muskelkoordination der unteren Extremität bei Start- und Stoppversuchen

Inhaltsverzeichnis

I. Abbildungsverzeichnis

II. Tabellenverzeichnis

III. Abkürzungsverzeichnis

IV. Zusammenfassung

1 Einleitung
1.1 Begriffserklärungen
1.1.1 Die Biomechanik als Teilgebiet der Bewegungswissenschaften
1.1.2 Einsatzfelder der Biomechanik
1.1.3 Biomechanische Analysen
1.1.4 Allgemeine Erläuterungen zur Sprungbewegung des Menschen
1.2 Forschungsstand
1.2.1 Studien an Schlittenkonstruktionen
1.2.2 Untersuchungen mit der Schlittenkonstruktion in der Biomechanik des ISW Jena
1.2.3 Studien zur Muskelaktivität und Muskelkoordination bei Sprungaktivitäten
1.2.4 Theoretische Modellbildungen zum Springen
1.3 Biologische Grundlagen
1.3.1 Die Gelenke
1.3.1.1 Das Hüftgelenk
1.3.1.2 Das Kniegelenk
1.3.1.3 Der Fuß
1.3.2 Erläuterungen zur Muskelkoordination und zur Funktion der Muskulatur der freien unteren Extremität
1.3.3 Leistungsbeeinflussende Faktoren auf die Muskeltätigkeit
1.3.4 Nervale Innervation
1.4 Die biomechanischen Merkmale und Messmethoden zur Registrierung von Bewegungsmerkmalen
1.4.1 Die biomechanischen Merkmale
1.4.2 Die Einzelmessverfahren
1.4.2.1 Die Biomechanische Anthropometrie
1.4.2.2 Die Kinemetrie
1.4.2.3 Die Dynamometrie
1.4.2.4 Die Elektromyographie

2 Material und Methoden
2.1 Die Messinstrumente
2.1.1 Das µ-MUSYCS (IMC)
2.1.2 Die Messinstrumente zur Aufzeichnung der Muskelaktivität
2.1.3 Das Messsystem zur kinematischen Datenaufzeichnung
2.1.4 Die Schlittenkonstruktion
2.2 Die Versuchsvorbereitungen
2.2.1 Der Messplatzaufbau
2.2.2 Vorbereitung der Probanden für die EMG - und Qualisys -Messungen
2.2.2.1 Stör- und Einflussgrößen auf das elektromyographische Signal
2.2.3 Anthropometrische Daten der Probanden
2.3 Der Versuchsablauf
2.4 Die Aufbereitung der Messdaten
2.4.1 Die Synchronisation der Messdaten
2.4.2 Die Aufbereitung der dynamographischen Daten
2.4.3 Die Aufbereitung der kinematischen Daten
2.4.4 Die Aufbereitung der elektromyographischen Daten
2.4.5 Die Generierung der Gesamtmatrix und die Datenanalyse
2.4.5.1 Die Analyse der dynamographischen Daten
2.4.5.2 Die Analyse der elektromyographischen Daten
2.5 Die Datenauswertung (Statistik)

3 Ergebnisse
3.1 Ergebnisse der dynamographischen Datenanalyse
3.1.1 Die dynamographischen Merkmale der Startversuche
3.1.2 Die dynamographischen Merkmale der Stoppversuche
3.1.3 Einfluss der Versuchsbedingung und der Schlittenlast auf die dynamographischen Standardkraftparameter
3.2 Ergebnisse der elektromyographischen Datenanalyse
3.2.1 Einfluss der Versuchsbedingung und Schlittenlast auf die normierten Maximalwerte der EMG - Aktivität und deren Zeitpunkte
3.2.2 Einfluss der Versuchsbedingung und Schlittenlast auf die Muskelaktivitäten und Muskelkoordination der Beinmuskulatur
3.2.2.1 Einfluss der Versuchsbedingung und der Schlittenlast auf die zeitnormierten und gemittelten Bewegungsphasen

4 Diskussion und Ausblick
4.1 Diskussion der elektromyographischen Ergebnisse
4.2 Diskussion der dynamographischen Ergebnisse
4.3 Fazit und Ausblick

5 Literaturverzeichnis

6 Anhangsverzeichnis

I. Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Schematische Bewegungsstudie des vertikalen Strecksprungs (Modifiziert nach Hochmuth, 1982 aus Olivier und Rockmann, 2003).

Abbildung 2: Schematische Darstellung des DVZ beim Laufen (nach Komi, 2000).

Abbildung 3: Schlittenanlage (modifiziert nach Kaneko, Komi et al., 1984)

Abbildung 4: Schematische Darstellung der exzentrischen und konzentrischen Phasen am Schlitten (modifiziert nach Kaneko, Komi et al., 1984)

Abbildung 5: Vertikale Bodenreaktionskraft und Roh - EMG - Signale der Kniebeuger und -strecker bei einer Landebewegung (modifiziert nach Minetti, Ardigo et al., 1998) .1-29

Abbildung 6: Bodenreaktionskräfte und Roh - EMG - Signale bei Drop Jump Bedingungen: links Nicht - Springer, rechts Springer (modifiziert nach Viitasalo, Salo et al., 1998).

Abbildung 7: Schematische Darstellung eines Synovialgelenkes (unspezifisch)

Abbildung 8: Bewegungsumfang des Kniegelenks (aus Eitner, Kuprian et al. 1990)

Abbildung 9: Bewegungsumfang des Fußgelenks (aus Eitner, Kuprian et al. 1990)

Abbildung 10: Anatomische Struktur der unteren Extremität und schematische Darstellung der Streckschlingen (modifiziert nach Tittel, 2000)

Abbildung 11: Die biomechanischen Merkmale

Abbildung 12: Schematik der Messmethoden (nach Ballreich, 1988)

Abbildung 13: Schematische Darstellung der Interferenzmusterentstehung (modifiziert nach Kumar und Mital, 1996).

Abbildung 14: Erfassung des Depolarisations – Repolarisationsablaufs mittels Oberflächenelektroden (Schema nach Kumar und Mital, 1996)

Abbildung 15: Elektrodenkabel mit Vorverstärker (http://www.biovision.eu/index_ge.htm)

Abbildung 16: 16 - Kanal - Input - Box (http://www.biovision.eu/index_ge.htm)

Abbildung 17: Passive Marker (aus Qualisys Motion Capture Accessoires, 2005)

Abbildung 18: ProReflex MCU 1000 (aus Qualisys Motion Capture Accessoires, 2005)

Abbildung 19: Kalibrierungsfenster des QTM

Abbildung 20: Seitenansicht des Messplatzes mit Schlittenkonstruktion und Proband im Schlittensitz in Warteposition

Abbildung 21: Schlittenkonstruktion in Frontalansicht

Abbildung 22: Schematische Darstellung des Messplatzes mit den Messsystemen und Rechnereinheiten

Abbildung 23: ‚Vorbereiteter’ Proband in der Schlittenkonstruktion

Abbildung 24: Startbewegung und Stoppbewegung

Abbildung 25: Schema der Vorgehensweise der Datenaufbereitung

Abbildung 26: Beispielhafte Darstellung eines Roh – EMG Verlaufs mit entsprechendem Synchronisationssignal

Abbildung 27: Darstellung eines „Snapshot“ - Modells für eine Startbewegung.

Abbildung 28: Verdeutlichung der Aufbereitung der EMG - Signale

Abbildung 29: Exemplarische Verdeutlichung der Kraftverläufe und der Standardkraftparameterermittlung eines Probanden

Abbildung 30: Exemplarische Darstellung einer EMG - Verlaufstypendarstellung

Abbildung 31: Exemplarische Verdeutlichung einer ermittelten Mittelwertskurve eines Gangzyklus (modifiziert nach Pfeifer, Vogt et al. 2003).

Abbildung 32: EMG - Mittel - Aktivitätsverlauf eines Probanden bei der Startbedingung leer mit den dazugehörigen Startverläufen

Abbildung 33: Starttyp I

Abbildung 34: Starttyp II

Abbildung 35: Stopptyp I

Abbildung 36: Stopptyp II

Abbildung 37: Stopptyp III

Abbildung 38: Stopptyp IV

Abbildung 39: Nichtklassifizierter Starttyp und nichtklassifizierter Stopptyp

Abbildung 40: Graphische Veranschaulichung der Ergebnisse der Kraftquantifizierung der Kraftverläufe mittels einer Diskrimminanzanalyse

Abbildung 41: Darstellung der Kraftverläufe eines Probanden

Abbildung 42: Vergleich der Mittelwerte der normierten Maximalwerte im Bezug zum V_Typ und zur Schlittenlast.

Abbildung 43: Verdeutlichung der muskulären Aktivität der Streckergruppe im US mit den normierten Maximalwerten des RF und VM..

Abbildung 44: Verdeutlichung der muskulären Aktivität der Streckergruppe im OS mit den normierten Maximalwerte des MS und GM.

Abbildung 45: Vergleich der Mittelwerte der Zeitpunkte der normierten Maximalwerte im Bezug zum V_Typ und der S_Last.

Abbildung 46: Exemplarischer Aktivitätsverlauf der sieben Muskeln, EMG – Verlaufstyp und gemittelter Kraftverlauf eines Probanden für die Versuchsbedingung Start leer.

Abbildung 47: Exemplarischer Aktivitätsverlauf der sieben Muskeln, EMG – Verlaufstyp und gemittelter Kraftverlauf eines Probanden für die Versuchsbedingung Stopp leer.

Abbildung 48: Phasennormierte Gesamtbewegung bei Startbedingung und Stoppbedingung

Abbildung 49: Exemplarischer phasennormierter Verlauf des TA

Abbildung 50: Exemplarische Verdeutlichung eines phasennormierten Aktivitätsverhaltens des Streckerpaares im US

Abbildung 51: Exemplarische und deskriptive Gegenüberstellung der Aktivität (%) des GM bei Start–und Stoppversuch in der 70% - Bewegungsphase

Abbildung 52: Vergleich der gleichgerichteten EMG – Signale des TA bei freien Sprungversuchen von McKinley und bei den Startversuchen am Schlitten.

Abbildung 53: Gleichgerichtete Roh - EMG Signale des MS (rot) und GM (blau) der Streckermuskeln im US, sowie des RF (rot) und VM (blau) im OS.

Abbildung 54: Landestrategien (nach Valiant und Cavanagh, 1985)

Abbildung 55: Schlittenanlage mit Schlittenschiene und Schlitten (nach Friedrichs, 2000 und Ertelt, 2007).6-131

II. Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Die für die Versuche abgeleitete Muskulatur der unteren Extremität mit Ursprung, Ansatz und Funktion (nach Valerius, Frank et al., 2006)

Tabelle 2: Elektrodenplatzierung (modifiziert nach SENIAM, 1999)

Tabelle 3: Gelenkstrukturen mit entsprechender Markerplatzierung

Tabelle 4: Überblick über die Probanden – Merkmale

Tabelle 5: Deskriptive Statistik der Standardkraftparameter beim Startversuch

Tabelle 6: Deskriptive Statistik der Standardkraftparameter beim Stoppversuch

Tabelle 7: Ergebnisse des Levene – Tests für die Standardkraftparameter.

Tabelle 8: Vergleich der Standardkraftparameter mittels einer multivariaten Varianzanalyse im Bezug zum V_Typ und der S_Last

Tabelle 9: Homogenitätstest für die normierten Maximalwerte

Tabelle 10: Homogenitätstest für die Zeitpunkte der normierten Maximalwerte

Tabelle 11: Vergleich der normierten EMG - Maximalwerte mittels einer multivariaten Varianzanalyse im Bezug zum V_Typ und der S_Last

Tabelle 12: Deskriptive Statistiken der normierten EMG - Maximalwertanalyse.

Tabelle 13: Deskriptive Statistik der Zeitpunkte des Auftretens der elektromyographischen Maximalwerte der sieben Muskeln nach Versuchsbedingung und Schlittenlast

Tabelle 14: Vergleich der Zeitpunkte der Maximalwerte der EMG – Aktivität mittels einer multivariaten Varianzanalyse im Bezug zum V_Typ und der S_Last

Tabelle 15: Signifikante Unterschiede der multivariaten Varianzanalyse der gemittelten Bewegungsphasen des RF hinsichtlich des V_Typ.

Tabelle 16: Deskriptive Statistik zu den auffällig differenten Bewegungsphasen der Streckmuskulatur im OS

Tabelle 17: Die signifikant verschiedenen Aktivitätsphasen der muskulären Aktivität des TA

Tabelle 18: Deskriptive Statistik zu den signifikant verschiedenen Bewegungsphasen des TA

Tabelle 19: Die signifikant verschiedenen Aktivitätsphasen der Muskelaktivität des MS

Tabelle 20: Deskriptive Statistik der muskulären Aktivität des MS und GM

Tabelle 21: Deskriptive Gegenüberstellung der Standardkraftparameter in Bezug zum V_Typ und der S_Last

Tabelle 22: Deskriptive Statistik mit Mittelwerten und Standardabweichung (SD) der Zeitpunkte der normierten Maximalwerte im Bezug zum V_Typ und der S_Last:

III. Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

IV. Zusammenfassung

Zielstellung der vorliegenden Studie ist es, die funktionelle muskuläre Aktivität und Koordination der freien unteren Extremität bei Start –und Stoppversuchen mittels einer dynamisch beweglichen Schlittenkonstruktion (vgl. Friedrichs 2000; Ertelt, 2007; Müller, 2003) zu untersuchen. Das Schlittengewicht ist variabel wählbar und dient demzufolge als flexibler Einflussparameter auf die Versuchsausführungen, um charakteristische und auffällige muskuläre, dynamographische und kinematische Merkmale bei der menschlichen Beinstreckbewegung sichtbar machen zu können.

Ausgangspunkt der Untersuchung sind bisherige und aktuelle theoretische und experimentelle Befunde, dass sich bei den durch dynamisch konzentrische Muskelarbeit gekennzeichneten Absprungbewegungen, sog. „Startbewegungen“ und den durch dynamisch exzentrische Muskelarbeit charakterisierten Landebewegungen sog. „Stoppbewegungen“ des Menschen und Sportlers vielfältige Besonderheiten bei den dynamographischen, kinematischen und elektromyographischen Eigenschaften nachweisen lassen (vgl. z.B. bei Ballreich und Baumann, 1988; Ertelt, 2007, Ertelt, Blickhan et al., 2006; Gollhofer, 1985; Minetti; Ardigo et al., 1998; Müller, 2003; Tittel, 2000; Viitasalo, Salo et al., 1998).

Auf der Grundlage der Überlegungen von Tittel (Tittel, 2000) zu den bei Streck –und Sprungbewegungen wirkenden Streckschlingen und Beugeschlingen im Ober –und Unterschenkel sollte vorrangig beleuchtet werden, ob grundsätzliche Aussagen über ein funktionelles Innervationsverhalten und einen spezifischen Aktivitätsverlauf der untersuchten Streck- und Beugemuskeln bei sprungähnlichen Aktivitäten möglich sind.

Dafür wurden an der Schlittenkonstruktion dynamische Einmalstart- und Stoppbewegungen durchgeführt und dabei die dynamischen Reaktionskräfte, die Winkelverläufe und die neuromuskulären Potentiale der Beinstreckbewegung aufgezeichnet.

Auffälligstes Ergebnis der Untersuchung ist der eindeutige Befund der Abhängigkeit der muskulären Aktivität und Koordination von der jeweiligen Bewegungsausführung. Das Starten des Schlittens, unerheblich ob dieser dabei leer oder beladen ist, führt bei allen Probanden zu einem nahezu homogenen koordinierten An –und Abschalten der Streckmuskulatur in der Reihenfolge M. tibialis anterior, M. rectus femoris / M. vastus medialis, M. gastrocnemius mediales / M. soleus. Beim Stoppen des Schlittens lassen sich im Gegensatz dazu, verschiedenartige, zum Teil Probanden abhängige, muskuläre ‚Stopp-Strategien’ sowie eine ausgeprägte Verminderung der maximalen muskulären Aktivität finden. Aufgrund der vorliegenden Resultate der Untersuchungen scheint es möglich zu sein, den funktionellen muskulären Aktivitätsverlauf bei Einmalstart- und Stoppbewegungen von denen bei repetitiven Sprungbewegungen (vgl. Ertelt, 2007) abzugrenzen.

1 Einleitung

Auf der Basis mechanischer Kenntnisse der Kinematik und Dynamik werden in der Biomechanik Untersuchungen, die den lebenden Menschen betreffen, vorgenommen. Eine bedeutende Aufgabe dabei ist die biomechanische Analyse und wissenschaftlich fundierte Erforschung des menschlichen Bewegungsverhaltens mittels physikalischer Grundkenntnisse und Formeln. Angestrebt wird dabei ein besseres Verständnis über die äußeren und inneren Prozesse bei menschlichen Fortbewegungsformen bzw. Lokomotionen. Diese beschreiben eine:

„ […] cyclic activity that is sustained for long periods of time.” (Ferris und Farley, 1997).

In der aktuellen Literatur wird daher in diesem Zusammenhang auch zunehmend von Bewegungswissenschaften oder, der im englischsprachigen Raum so bezeichneten, Kinesiologie (vgl. Barham, 1982) gesprochen.

Eine auf den ersten Blick recht einfache menschliche lokomotorische Bewegung bzw. Aktivität ist beispielsweise das Springen oder das Hüpfen („Hopping“)^[1] auf der Stelle (vgl. Blickhan, 1989; Funase, Higashi et al., 2001 etc.). Zahlreiche Untersuchungen und Studien beschäftigen sich mit dieser Thematik und versuchen, das physikalisch mechanische ‚Verhalten’ des Beines mit seinen vielfältigen und spezifischen aktiven und passiven Körperteilen und -segmenten bei diesen repetitiven Bewegungen zu analysieren (vgl. Blickhan, 1989; Farley, Houdijk et al., 1998; Ferris und Farley, 1997; Funase, Higashi et al., 2001; Komi, Linnamo et al., 2000). Von großem Interesse ist dabei die Aktivität, die Koordination und die funktionelle Arbeitsweise der Muskulatur der unteren Extremität bei Sprungbewegungen, da sie allgemein beschrieben, bei lokomotorischen Bewegungen so nützlich, ökonomisch und effizient wie möglich sein sollte, um die körpereigenen Energiereserven zu schonen (Minetti und Alexander, 1997) oder um Über– und Fehlbelastungsschäden am Bewegungsapparat zu vermeiden (vgl. Ferris und Farley, 1997; Minetti, Ardigo et al., 1998).

In der vorliegenden Arbeit sollen Merkmale der Muskelaktivität und –Muskelkoordination, sowie im Zusammenhang damit, allgemeine Aussagen zu den dabei registrierbaren Bodenreaktionskräften der unteren freien Extremität bei Sprungbewegungen vorgestellt werden. Um mögliche spezifische und charakteristische Bewegungsmerkmale sichtbar zu machen, wird die überwiegend lokomotorische Bewegungsaufgabe „Springen auf der Stelle“ in zwei azyklische Phasen bzw. ‚Einmalbewegungen’ getrennt: in einen Start- und Stoppversuch an einer beweglichen Schlittenkonstruktion (vgl. Ertelt 2007; Ertelt, Blickhan et al., 2006; Friedrichs, 2000; Müller, 2003).

Um nun eine komplexe biomechanische Analyse dieser speziellen menschlichen Bewegungsmuster durchzuführen, ist eine möglichst exakte quantitative Erfassung mit anschließender Beschreibung und Auswertung der aufgezeichneten dynamographischen, kinematischen und muskulären Merkmale der freien unteren Extremität des Menschen notwendig (vgl. Winter, 1990).

Die vorliegende Arbeit gliedert sich in einen einleitenden theoretischen Teil (1) und in einen methodisch-experimentellen Teil (2).

Im nun folgenden ersten Abschnitt werden einführend allgemeine Begriffsklärungen vorgenommen und daran anschließend bisherige Studien und Ergebnisse vorangegangener Untersuchungen hinsichtlich der Thematik „Springen und Hüpfen“ des Menschen vorgestellt. Anschließend werden die direkten und indirekten biomechanischen Verfahren und Messmethoden zur Registrierung von menschlichen Bewegungsmerkmalen beschrieben. Nach den Vorüberlegungen zur Anatomie, in welchen die für den experimentellen Bewegungsablauf wichtigsten Gelenke und Muskeln der freien unteren Extremität beschrieben werden, folgen die methodischen Abhandlungen zu den verwendeten Messgeräten und Materialien, den technischen Voraussetzungen und Rahmenbedingungen des Experiments und zum Versuchsaufbau und -ablauf. Anschließend werden die einzelnen Verfahrensschritte für die Datenauswertung beschrieben und schließlich die Ergebnisse der Untersuchung präsentiert und diskutiert.

1.1 Begriffserklärungen

1.1.1 Die Biomechanik als Teilgebiet der Bewegungswissenschaften

Die Forschungsdisziplin Bewegungswissenschaften bzw. Kinesiologie, als wichtige Teildisziplinen der Sportwissenschaft, beschäftigt sich mit den Phänomenen der menschlichen Bewegung (Roth und Willimczik, 1999; Barham, 1982) in der Außen- und Innenansicht. Von großem Interesse sind dabei die extern beobachtbaren Bewegungsvollzüge und deren Ergebnisse und die dafür notwendigen internen Regulationsmechanismen. Einen allgemein gültigen Abgrenzungsversuch der biomechanischen Sichtweise (vgl. Roth und Willimczik, 1999) vorzunehmen, scheitert schon an der Präsentation einer eindeutigen und generell anerkannten Definition (vgl. Donskoi, 1975; Hochmuth 1982; Miller und Nelson, 1973; Winter, 1990).

Durch den Einfluss neuer Techniken und Methoden, die Entstehung von neuen Teil –und Einzeldisziplinen wird diese Problematik weiter verstärkt. Um sowohl den Ansprüchen der Biomechanik innerhalb der Bewegungswissenschaft, sowie dem Hauptanliegen dieser Arbeit gerecht zu werden, erscheint es deshalb notwendig und schlüssig, sich nicht nur an eine spezielle Begriffsbestimmung zu halten. Als ‚grundlegender Rahmen’ sollen vielmehr die Definitionen von Roth und Willimczik sowie von Winter dienen:

„Die Biomechanik des Sports, im weiten und umfassenden Sinne, ist die Wissenschaft von der mechanischen Beschreibung und Erklärung der Erscheinungen und Ursachen von Bewegungen im Sport unter Zugrundelegung der Bedingungen des menschlichen Organismus“ […] (Roth und Willimczik, 1999).

„Biomechanics of human movement can be defined as the interdiscipline which describes, analyzes, and assesses human movement.” (Winter, 1990)

Mit der Festlegung des Gegenstands -und Zielbereichs auf die Beschreibung und Erklärung der menschlichen Bewegung unter Zugrundelegung des menschlichen Organismus und den Aspekten der Mechanik werden an dieser Stelle die ‚Eckpfeiler’ und somit die Ausgangslage für die Art der Vorgehensweise innerhalb dieser Arbeit ausreichend benannt.

1.1.2 Einsatzfelder der Biomechanik

Die klassischen Anwendungen der Biomechanik innerhalb der Bewegungswissenschaften finden sich verständlicherweise hauptsächlich im engeren Umfeld des Sports als so genannte Leistungsbiomechanik. Roth und Willimczik systematisieren hier einerseits in wissenschaftliches Abstraktionsniveau mit Beschreibungen und Erklärungen und andererseits in Versuchsanordnung mit Ist – Analysen und Veränderungsanalysen (vgl. Roth und Willimczik, 1999).

Die Leistungsbiomechanik umfasst beispielsweise Bewegungsanalysen von Sportlern, Sportarten und Sportgeräten (Individual- bzw. Mannschaftssport etc.), die Erklärung von Einzelbewegungen und Bewegungsgruppen (Techniken und Fertigkeiten), die Bestimmung vom Trainingszustand und von motorischen Fähigkeiten u.v.m. Des Weiteren wird in die präventive, die didaktisch – methodisch orientierte und die anthropometrische Biomechanik unterschieden. Ein zusätzliches Anwendungsfeld der (Sport)Biomechanik ist die Beschreibung und Analyse der Interaktion von Sportlern und Sportgeräten.

Ein weiterer, nicht so bekannter, aber sehr eindeutiger Ansatz zur Anwendung der Biomechanik innerhalb der Bewegungswissenschaft ist der der mechanischen Kinesiologie (Barham, 1982), die sowohl die mechanischen Ursachen von Bewegungen, als auch die eigentliche mechanische Analyse von menschlichem Bewegungsverhalten zu definieren versucht. Dafür müssen die komplexen Bewegungsleistungen in ihre mechanischen (Teil)-Leistungskomponenten zerlegt werden. Nach Barham ist dafür eine exakte Untersuchung der kinematischen und kinetischen Bewegungsmerkmale erforderlich (Barham, 1982).

Wenn diese Überlegung nun mit den klassischen Ansätzen zur Anwendung von Biomechanik bzw. Biomechanik des Sports verbunden wird (Hochmuth, 1982; Winter, 1990; Roth und Willimczik, 1999; Ballreich, 1988), lässt sich die Aufgabe der Biomechanik und ansatzweise auch dieser Arbeit am ehesten beschreiben. Das untersuchte Springen auf der Stelle („Starten und Stoppen des Schlittens“) repräsentiert, ebenso wie das Gehen und Laufen, eine sportliche und gleichzeitig funktionelle Bewegung und Aktivität des Menschen, die vorrangig bei der Fortbewegung und Freizeitaktivitäten des Individuums zum Einsatz kommt (vgl. Frey, Kurz et al., 1984; Funase, Higashi et al., 2001, Schmidtbleicher und Gollhofer, 1985). Eine komplexe Analyse dieses muskulären Bewegungsmusters kann dazu beitragen, das allgemeine physikalische und biologische Grundverständnis über menschliche Bewegungen zu vertiefen. Dieses Wissen kann anschließend in einer Vielzahl von fachübergreifenden und interdisziplinären praktischen und wissenschaftlichen Disziplinen Verwendung finden:

- in der Sportwissenschaft (Leistungsanalysen, Trainingsanalysen usw.),
- in der Prävention und Rehabilitation (Arbeitsplatzgestaltung, Schuhherstellung usw.),
- in der Orthopädie (Prothesenherstellung),
- in der Robotik (Verbesserung der Modellgenerierung, Kontrollsysteme),
- in der Diagnostik (z.B. Medizinischer und therapeutischer Bereich),
- in der Unfallforschung innerhalb des juristischen Bereichs,
- in der Unterhaltungsindustrie (z.B. Motion Capturing im Software und Filmbereich).

1.1.3 Biomechanische Analysen

Biomechanische Analysen versuchen das allgemeine Verständnis der komplexen Zusammenhänge von Ursache- und Wirkungsprinzipien innerhalb des menschlichen Bewegungsverhaltens unter der Einbeziehung der Vielzahl von möglichen Einflüssen darauf und deren Wechselwirkungen untereinander zu verbessern.

Hierfür müssen wiederum die mechanischen Kennwerte und Größen der jeweils relevanten passiven und aktiven Elemente (z.B. des Muskel – Sehnen Komplexes, der ossären Strukturen usw.) ermittelt bzw. quantifiziert werden. Eine biomechanische Analyse umfasst dabei stets die gleichen charakteristischen und klassischen Arbeitschritte, die sich in dieser Form auch in der vorliegenden Arbeit wieder finden lassen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1.1.4 Allgemeine Erläuterungen zur Sprungbewegung des Menschen

Das Ziel des Springens, wie auch des Gehens und Laufens, ist die gezielte Fortbewegung des Individuums in seiner natürlichen Umgebung, zu vorrangig sportlichen aber auch alltäglichen und funktionellen Zwecken, z.B. zum Überwinden von Hindernissen. Dabei müssen der Körperschwerpunkt (KSP) und die Gliedmassen des Individuums fortwährend beschleunigt und abgebremst werden. Der aktive Bewegungsapparat, die Muskulatur des Menschen, generiert dabei die notwendigen inneren Kräfte, um zum einen das ständige Halten des eigenen Körpergewichts zu ermöglichen:

„Muscles coordinate multijoint motion by generating forces that cause reaction forces throughout the body. Thus, a muscle can redistribute existing segmental energy by accelerating some segments and decelerating others.” (Zajac, 2002)

Zum anderen soll und muss das Körpergewicht planvoll und funktionell, entsprechend den äußeren Einflüssen und Kräften (Schwer-, Reibungs-, Stütz-, Widerstands-, Trägheitskräfte; Gegnereinwirkungen bei Sportspielen usw.), sowie hinsichtlich der sporttechnischen Aufgaben, um beispielsweise beim Hochsprung, Hindernislauf, Hürdenlauf usw. die geforderten Zielhöhen zu überwinden, bewegt werden. Um diese Anforderungen zu bewältigen, ist eine optimale Mischung aus Kraft, Koordination, Stabilität und Kontrolle des Individuums ist notwendig (vgl. Frey, Kurz et al., 1984). Je nach Aufgabe, Anspruch und (Sport)-Disziplin existieren zahlreiche verschiedene Sprungtechniken: einbeinige und zweibeinige Sprünge; Sprünge in vertikaler / horizontaler Richtung; Sprünge ohne / mit Auftaktbewegung (SJ, CMJ); Sprünge ohne / mit Anlauf, Niederfallsprünge (DJ) aus verschiedenen Fallhöhen etc. (vgl. Frey, Kurz et al., 1984).

Das Ziel aller Sprungtechniken und -varianten, aus rein sportlicher Sicht im Wettkampf- und Trainingsbereich, ist die Erreichung einer maximalen Endgeschwindigkeit, basierend auf einer maximalen Beschleunigung, um somit ein maximales Ergebnis (z.B. Höhe und oder Weite) beim Springen zu erreichen. Verschiedene Autoren beschäftigen sich mit dieser Thematik. Exemplarisch sind die biomechanischen Prinzipien von Hochmuth (Hochmuth, 1982) zu nennen, die sich mit dem „rationalen Ausnutzen der mechanischen Gesetze bei sportlichen Bewegungen“ (Hochmuth, 1982) befassen. Das Prinzip zur maximalen Anfangskraft (Hochmuth, 1982) beschreibt in genauer Form die Wirkungsweise und die unterschiedlichen Strategien des Springers beim Springen auf der Stelle: Ein optimales Verhältnis von Bremskraftsstoß (Auftaktbewegung, z.B. beim CMJ und Drop Jump) und Beschleunigungskraftstoß führt zu einer optimalen positiven Kraft vor Beginn der Zielbewegung (vgl. Hochmuth, 1982). Dafür ist eine Beuge – Streckbewegung mit direkter Bewegungsumkehr, bei der die Muskulatur somit erst exzentrisch bremsend und anschließend konzentrisch beschleunigend arbeitet, notwendig (vgl. auch Gollhofer, 2000; Horita, Komi et al., 1996; Komi, 2000; Kuitunen, Kyröläinen et al. 2005; Schmidtbleicher und Gollhofer, 1985). Ein Teil der kinetischen Bewegungsenergie wird dabei, innerhalb der nachgebenden Bremsphase, von den elastischen Elementen des tendomuskulären Systems in potentielle Speicherenergie umgewandelt. In der anschließenden Verkürzungsphase kann diese direkt für die nachfolgende Absprungbewegung genutzt werden.

Die Schematik von Olivier und Rockmann (Olivier und Rockmann, 2003) zur Thematik des vertikalen beidbeinigen Strecksprungs bzw. „Countermovement Jumps“ verdeutlicht in präziser Weise den typischen Bewegungsablauf mit seinen charakteristischen dynamographischen Merkmalen. Der Kraft – Zeit Verlauf der Absprungphase ist durch einen stetigen, ‚weichen’ und rechtsschiefen Verlauf gekennzeichnet, die Landung jedoch durch sehr hohe, annähernd geradlinig ansteigende und unregelmäßige Kraftspitzen („Peaks“)^[2] charakterisiert, die eine hohe Belastung für die Band-, Knochen- und Sehnenstrukturen des menschlichen Körpers darstellen können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 : Schematische Bewegungsstudie des vertikalen Strecksprungs mit den vertikalen Reaktionskräften F(N) über t(s) der konzentrischen Absprungbewegung und der exzentrischen Landebewegung (B) und dem Verlauf des KSP dabei (A). (Modifiziert nach Hochmuth, 1982 aus Olivier und Rockmann, 2003).

Im breiten- und leistungssportlichen Kontext stehen die disziplinspezifischen Analysen der sportlichen (Sprung-)Technik und deren Ausführung im Vordergrund der Forschung. Sie dienen als Grundlage für die anschließende Bestimmung von optimalen Ausgangsparametern zur Trainings- und Leistungsverbesserung, wie z.B. Ballreichs Arbeiten zur Analyse und Modellbildung des Weitsprungs (Ballreich, 1986).

Im bewegungswissenschaftlichen Rahmen dagegen steht die Ermittlung und Analyse der möglichen positiven und negativen Einflüsse der muskulo - skeletalen Größen und der neuromuskulären Faktoren (Willkür- bzw. Reflexmotorik) auf menschliche (Sprung-) Aktivitäten im Zentrum des Interesses (vgl. am ISW Jena bei Blickhan, 1989; Ertelt, 2007; Müller, 2003; Seyfarth, Friedrichs et al., 1999). Die vorliegende Arbeit versucht sich, wie einleitend beschrieben, mittels einer biomechanischen Analyse der zwei voneinander getrennten Teilbewegungen der Thematik der Muskelaktivität und Muskelkoordination der Ober –und Unterschenkelmuskulatur bei (a) konzentrischen und (b) exzentrischen Bedingungen zu nähern:

a) Wegstoßen eines Schlitten (Starten) = „Abspringen von der Stelle“

b) Auffangen eines Schlittens (Stoppen) = „Landen auf der Stelle“

1.2 Forschungsstand

Aufgabe des folgenden Abschnittes soll es sein, bisherige und aktuelle Arbeiten und Studien vorzustellen, die sich mit der Erforschung der muskulo – skeletalen Merkmale bei menschlichen Sprungbewegungen beschäftigen.

Von großem Interesse innerhalb der bewegungswissenschaftlichen Forschung ist dabei das charakteristische muskuläre und reaktive Bewegungsmerkmal des bereits genannten Dehnungsverkürzungszyklus („DVZ“), der wiederum durch die zwei charakteristischen Phasen der exzentrischen und konzentrischen muskulären Kontraktion gekennzeichnet ist. Der ‚komplexe’ DVZ wird als wichtiges und bedeutendes Merkmal zur Erreichung von hohen reaktiven Leistungsfähigkeiten, z.B. bei der Schnellkraftfähigkeit und der Sprungkraftfähigkeit, angesehen und ist somit für eine Vielzahl von Sportarten (Basketball, Handball, Volleyball, Turnen etc.), sowie ebenso bei allgemeinen Fortbewegungsformen und Freizeitaktivitäten des Menschen von großer Bedeutung (vgl. Funase, Higashi et al., 2001; Gollhofer, 2000; Schmidtbleicher und Gollhofer, 1985).

Diese sind in ihrer Ausführung ebenfalls in großem Maße durch diskontinuierlich bremsende und überwindende Muskelarbeit charakterisiert (z.B. beim Gehen, Laufen, Werfen usw.). In der Abbildung 2 wird diese Gegebenheit anhand einer modellhaften Darstellung eines Schrittes veranschaulicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Schematische Darstellung des DVZ beim Laufen mit den drei charakteristischen Phasen der a) Vorinnervation, b) Dehnung und c) Verkürzung der Streckmuskulatur im Unterschenkel (nach Komi, 2000).

Ein optimaler Verlauf eines DVZ ist hauptsächlich von neuromuskulären Aspekten wie der Vorinnervation, der Reflextätigkeit (Dehnungsreflexe) und der inter- und intramuskulären Koordination der Muskulatur abhängig (vgl. Avela, Santos et al., 1996, Gollhofer, 1985, Horita, Komi et al., 1996). Nach Komi ermöglicht der DVZ: „[…] unique possibilities to study normal and fatigue muscle function“ (Komi, 2000).

Zahlreiche Untersuchungen und Forschungsgruppen beschäftigen sich mit der Erforschung des DVZ und oder den spezifischen konzentrischen und exzentrischen Phasen und dessen Wirkungsweisen bei verschiedenen Sprungbedingungen, Landebedingungen bzw. bei Start- und Stoppversuchen (z.B. Aura, Komi 1986a, b, c; Gollhofer, Strojnik et al., 1992; Horita, Komi et al., 1996 etc., Komi, 2000 etc.). Ferris beispielsweise beschreibt an dieser Stelle die Funktion der Muskulatur beim Springen bzw. Landen auf verschiedenen Untergründen wie folgt:

„[…] avoidance of injury may be most important in landing from a jump, and maximizing jump height is most important in a drop jump […] Because of these differences, the muskulo – skeletal adjustments for surfaces may be different […]“ (Ferris und Farley, 1997).

Die ‚Hauptaufgaben’ der Muskulatur beim Springen sind damit klar und evident beschrieben. Die Frage, die nun an dieser Stelle bleibt ist, welche Möglichkeiten und Einflussoptionen hat die Muskulatur der unteren Extremität auf das Bein-^[3] bzw. Sprungverhalten und haben dabei möglicherweise bestimmte Muskeln bzw. Muskelgruppen spezifische Aufgabe beim (Ab-)Springen und Landen zu erfüllen. Es ist hier nun denkbar und morphologisch sinnvoll, dass die Muskelkräfte koordiniert über die Gelenke und je nach Anforderung eingesetzt und verteilt werden sollten (vgl. Arbeiten von Pandy und Zajac, 1991; Van Ingen Schenau, Bobbert et al., 1987; Zajac, 2002).

Die Grundannahme aller bisherigen und aktuellen Untersuchungen ist, wie eingangs bereits angedeutet, dass über die Variation und Veränderung der Sprungarten, Sprungbedingungen und Sprungausführungen charakteristische Funktionsweisen und Merkmale des Muskel – Sehnen – Komplexes während der verschiedenen Sprungphasen und -abschnitte sichtbar gemacht werden können.

An dieser Stelle gibt es augenblicklich eine große Anzahl von Untersuchungen und Studien, die sich mit den verschiedensten grundlegenden Fragestellungen rund um die menschliche Sprungbewegung beschäftigen. Um diese Komplexität zu verdeutlichen, sollen einige der zahlreichen Untersuchungsziele und –richtungen genannt werden:

- Arbeitsweise der aktiven muskulären (kontraktilen) Elemente beim Starten (‚Abheben’) und Stoppen (‚Landen’) im Sinne mikro- und makrostruktueller Fragestellungen,
- Neuromuskuläre Kontrolle und Funktion der Muskulatur (Aufgabe der Vorinnervation, Aufgabe der Muskelkoordination, Erforschung der Reflextätigkeiten bzw. Bestimmung von Bewegungsprogramme aus supraspinalen Regionen etc.) beim Springen,
- Einfluss der elastisch - passiven Sehnen und Faszienelemente (z.B. beim DVZ) auf Sprungleistungen und –abläufe ,
- Einfluss von weichen Massen („Wobbling – Mass“) auf menschliche Bewegungen (z.B. beim Springen, Gehen und Laufen)
- Fragestellungen zu Beingeometrie und Beinsteifigkeit (Beugewinkel und Momente von Knie- und Fußgelenk usw.) bei Sprungbewegungen,
- Quantifizierung und Beschreibung der Bodenreaktionskräfte beim Springen (z.B. bei
bestimmten Frequenzen und Gewichten),
- Einfluss von Vorerfahrungen (sportlicher Hintergrund) und Training auf verschiedene
Formen von Sprungaktivitäten und -bewegungen,
- Theoretische Modellbildungen zum Springen (z.B. „Spring – Mass –Model“ von

Blickhan, 1989).

Diese nur angedeutete Vielfältigkeit der vorliegenden Literatur erschwert eine chronologisch exakte und ausführliche Präsentation aller Ergebnisse. Zahlreiche Aspekte sind trotz aller Bemühungen bis heute ungeklärt, andere unterliegen einer ständigen Überarbeitung und Überprüfung. Dazu kommt die anhaltende Verbesserung der Forschungsmethoden, die kontinuierlich zu neuen Erkenntnissen und Diskussionen führt. Aufgrund dieser Ausgangssituation konzentriert sich die Darstellung des aktuellen Forschungsstands somit primär auf Untersuchungen und Aufzeichnungen mit dem Hauptaugenmerk auf die Muskelaktivität und Muskelkoordination der freien unteren Extremität beim Springen.

Da sich eine Vielzahl von Untersuchungen diesem Thema mittels so genannter „Schlittensprünge“ („sledge jumps“) nähert, erscheint es einleuchtend, vorangehend einige einleitende Ausführungen zu Arbeiten mit Schlittenkonstruktionen (vgl. Aura, Komi 1986a, b, c; Ertelt, 2007; Friedrichs, 2000; Horita, Komi et al., 1996; Kaneko et al. 1984; Müller, 2003 etc.) zu nennen. Anschließend folgen die spezifischen Ausführungen zur muskulären Tätigkeit und Koordination bei Untersuchungen von Sprung- bzw. Landeaktivitäten.

1.2.1 Studien an Schlittenkonstruktionen

In der biomechanischen Forschung lassen sich zahlreiche Studien und Arbeiten finden, die verschiedenartige Schlittenkonstruktionen verwenden, um den Bewegungsverlauf im Allgemeinen und die dabei auftretenden muskulären, kinematischen, kinetischen und energetischen Merkmale der unteren Extremitäten im Speziellen zu erforschen (vgl. Ertelt 2007; Friedrichs, 2000; Kaneko, Komi et al., 1984, Müller, 2003; Oksanen, Kaneko, Komi et al., 1990). Die Vorteile der verschiedenen Schlittenanlagen (Friedrichs, 2000; Kaneko, Komi et al., 1984) liegen zum einen in der einfachen Bedienbarkeit und in der Möglichkeit der problemlosen Aufzeichnung verschiedener biomechanischer Bewegungsaspekte und Merkmale, sowie in der vorteilhaften Begebenheit, repetitive Sprungaktivitäten in ihre zwei Hauptphasen (siehe Abbildung 4) zu trennen und zu analysieren.

Zum anderen können durch die variierbare Einstellung der Schlittenhorizontale, durch die sich der Einfluss der Gravitation verändern lässt, und des Schlittengewichts (Zuladung mit Gewichten) bewegungsspezifische biomechanische Veränderungen sichtbar gemacht werden. Die Abbildung 3 beschreibt schematisch den Versuchsaufbau und die Grundidee von Schlittenanlagen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Schlittenanlage (modifiziert nach Kaneko, Komi et al., 1984)

Abbildung 4: Schematische Darstellung der exzentrischen und konzentrischen Phasen am Schlitten (modifiziert nach Kaneko, Komi et al., 1984)

Der Proband sitzt dabei auf einem auf Schienen beweglichen Schlitten und drückt sich von einer vor ihm fixierten Kraftmessplatte nach oben bzw. stoppt seinen Schlitten beim Heruntergleiten an derselben. Die Kraftmessplatte registriert dabei die auftretenden Bodenreaktionskräfte, die somit gleichzeitig als Triggersignale verwendet werden können. Daneben können problemlos kinematische Datenaufzeichnungen in den Messaufbau integriert werden. Erste Arbeiten an einer beweglichen Schlittenkonstruktion wurden von Kaneko (Kaneko, Komi et al., 1984) durchgeführt, um die mechanische Effizienz („mechanical efficiency“) bei strikt getrennter exzentrischer und konzentrischer Arbeit zu bestimmen.

Weitere Untersuchungen mit Schlittenanlagen beschäftigten sich ausführlicher und ausschließlich mit der Thematik des SSC^[4] bei verschiedenen Sprungvarianten und Bedingungen. (Horita, Komi et al., 1996; Horita, Komi et al., 1999). Im Vordergrund stehen hier mehrfach fortschreitende Studien zum DVZ im Zusammenhang mit der Beinsteifigkeit innerhalb erschöpfender Sprungübungen (vgl. Horita, Komi et al., 1996; Kuitunen et al., 2005). Spezielle Ausführungen dazu sollen an dieser Stelle unterbleiben, da sich die vorliegende Arbeit nicht vorrangig mit diesem speziellem Forschungsgegenstand beschäftigt. Ein hier aber nicht uninteressanter Aspekt zur Muskelaktivität lässt sich bei Horita (Horita, Komi et al., 1999) finden, der eine Ermüdung bzw. Aktivitätsminderung des Vastus lateralis nach erschöpfendem DVZ - Training nachweisen konnte, woraufhin sich die initiale Beinsteifigkeit („leg stiffness“) verminderte und daraufhin die Sprungleistungen bei Drop – Jumps signifikant zurückging. Dies könnte nach Meinung von Horita (Horita, Komi et al., 1999) die Ursache einer veränderten Regulation und Modifikation eines vorhandenen „pre – landing motor control“ Programms sein, um Verletzungen zu vermeiden.

1.2.2 Untersuchungen an der Schlittenkonstruktion in der Biomechanik des ISW Jena

Am Institut für Sportwissenschaften Jena wurden in der jüngeren Vergangenheit einige aufschlussreiche Untersuchungen mit einer Schlittenkonstruktion von Friedrichs (Friedrichs, 2000) durchgeführt. Im Vordergrund der Studien standen allgemeine Fragestellungen hinsichtlich kinematischer, dynamischer und muskulärer Bewegungsmerkmale bei verschiedenen Sprungvariationen bzw. -bedingungen. Da sich diese Arbeit an den ‚Schlittenstudien’ von Ertelt (Ertelt, 2007; Ertelt, Blickhan et al., 2006) und Müller (Müller, 2003) orientiert, sollen in diesem Abschnitt einige wesentliche Ergebnisse dieser Arbeiten vorgestellt werden.

Die grundlegende „Sprungbewegungsanalyse“ von Müller (vgl. Müller, 2003) befasst sich mit den Kraftmaxima, Frequenzanalysen und den elektromyographischen Merkmalen im Bewegungsablauf der unteren Extremitäten bei Start- und Stoppversuchen an einer Schlittenkonstruktion.

Die Kraftmuster der Bodenreaktionskräfte können nach Müller grundlegend nach Start- und Stoppbedingung eingeteilt werden. Das Starten ist durch symmetrisch ansteigende und fallende Kraftkurven charakterisiert, während beim Auffangen bzw. Stoppen zuerst eine hohe, annähernd linear ansteigende Kraftspitze mit anschließendem linksschiefen Verlauf zu finden ist (vgl. Müller, 2003). Bei den Abdruckphasen der Startversuche lassen sich sehr späte, aber nicht am Ende der Bewegung vorkommende Kraftmaxima nachweisen (bei 71% - 81% der Bewegungsphase bei allen Probanden). Die Auffangphasen der Stoppversuche wiederum werden durch sehr frühe und interindividuell unterschiedliche Kraftmaxima charakterisiert (bei 6,2% - 11 % der Bewegungsphase bei allen Probanden). Die Frequenzanalyse der Kraftkurven wies ebenfalls individuelle Unterschiede zwischen 5,8 – 11,2 Hz auf.

Die Ergebnisse der elektromyographischen Aufnahmen zeigten bei den Abdruckphasen ein annähernd gleiches Beieinanderliegen der EMG - Maxima des Ober- und Unterschenkels und des Kraftmaximums (Mittelwert des Kraftmaximums bei 77% der Bewegung aller Probanden, Mittelwert EMG - Maximum des Oberschenkels bei 75,8% und Mittelwert EMG – Maximum des Unterschenkels bei 75,4% der Bewegung bei allen Probanden). Bei der Auffangphase der Stoppversuche konnte kein so hohes Beieinanderliegen nachgewiesen werden (Mittelwert des Kraftmaximums bei 9,5%, Mittelwert des EMG - Maximums des Unterschenkels bei 13% und Mittelwert des EMG - Maximums des Oberschenkels bei 28% der Gesamtbewegung). Nach Müller kann möglicherweise von einer sukzessiven muskulären Innervation des Unterschenkels vor der des Oberschenkels gesprochen werden (vgl. Müller, 2003).

Die Studien von Ertelt (Ertelt, 2007; Ertelt, Blickhan et al., 2006) befassen sich, ähnlich wie die von Müller, ausführlich mit der umfassenden biomechanischen Analyse des Bewegungsablaufs der unteren Extremität und den dabei auftretenden kinematischen, dynamischen und elektromyographischen Merkmalen. Die Bewegungsaufgabe besteht hier aus repetitiven Start –und Stoppversuchen mit unterschiedlichen Stoßfrequenzen (langsam, mittel, hoch) und ansteigenden Gewichtszuladungen am Schlitten.

Die auftretenden Kraftmuster der Bodenreaktionskräfte können nach Ertelt hierbei wie folgt charakterisiert werden (vgl. Ertelt, 2007): Die Grundform der Kraftmuster wird durch die Sprungfrequenz bestimmt. Diese ist robust und in hohem Maße lastunabhängig und liegt bei ‚normalen’ Personen bei 1,2 Hz und bei Springern bei 0,9 – 1 Hz. Die einzelnen Kraftverläufe sind individuell homogen, und lassen sich generell in fünf Kategorien einteilen: symmetrisch, rechtsschief, linksschief, symmetrisch gewellt sowie mehrgipflig mit Plateaubildung. Allen Kraftkurven gemeinsam sind Störungen des Verlaufs nach etwa einer zehntel Sekunde.

Bei der kinematischen Analyse lassen sich folgende Merkmale finden: Mit fallenden Frequenzen nimmt die Beinkompression zu. Dabei ist das Kniegelenk nicht entscheidend für die Veränderungen der Kraftmuster. Vielmehr zeigt das Sprunggelenk die deutlichsten frequenz- und lastbedingten Veränderungen. Hier sind ebenso deutliche Unterschiede zwischen Springern und ‚normalen’ Personen erkennbar. Die Winkelverläufe sind annähernd parabelförmig, die Winkelgeschwindigkeiten ähneln einem Sinus. Allen Verläufen gemeinsam ist die schon im Kraftmuster auffällige Störung nach ca. einer zehntel Sekunde.

Die elektromyographischen Aufzeichnungen zeigen folgende Ergebnisse: Bei der bevorzugten Sprungfrequenz ist die Muskelkoordination zwischen den Probanden ähnlich, mit leichten individuellen Unterschieden. Die hohen Frequenzen jedoch sind durch starke interindividuelle Unterschiede gekennzeichnet.

Innerhalb der Stoppversuche zeigen sich deutliche Koordinationsstörungen der muskulären Aktivität des M. gastrocnemius und M. tibialis in Zusammenhang mit M. vastii. Springer haben an dieser Stelle eine klare Struktur in den einzelnen Bewegungsphasen und halten diese nahezu konstant über das gesamte Frequenzspektrum. Dabei ist eine eindeutige Aufgabenteilung zwischen dem M. vastus medialis und dem M. rectus femoris zu erkennen. Der Vastus fungiert dabei als ‚Stoßdämpfer’ während der Abfangphase und ist vom Auffangen bis zur tiefsten Beinbeugung aktiv, während der M. rectus femoris die letzte Phase der Kraftübertragung übernimmt. Zwischen der Abfangphase des Vastus und der Streckphase des Rectus sind sehr starke Aktivitäten des M. triceps surae registrierbar, wobei die Hauptkraftwirkung beim M. gastrocnemius medialis liegt. Nach Ertelt wird die Kraftwirkung durch die Fußstrecker eingeleitet und durch den Rectus femoris fortgesetzt. Bei den Nicht – Springern sind weniger optimal strukturierte EMG – Muster feststellbar. Ein optimaler Kraftverlauf und Kraftanstieg ist nicht erkennbar und wird durch ein schlecht bzw. nicht vorhandenes muskuläres Zusammenspiel verhindert. Im Gegensatz zu den Springern kommt die Kraftwirkung hier hauptsächlich vom Vastus medialis und dem Soleus.

1.2.3 Studien zur Muskelaktivität und Muskelkoordination bei Sprungaktivitäten

An dieser Stelle folgen abschließend gezielte Aussagen ausschließlich zur muskulären Aktivität und Koordination der Unterschenkelmuskulatur beim Springen. Es ist dabei nicht vordergründig relevant, ob es sich um so genannte „sledge jumps“ oder ‚freie Sprungexperimente’ handelt. Bedeutender erscheint, im Hinblick auf die Thematik dieser Arbeit, die Differenzierung und Darstellung der Ergebnisse nach den charakteristischen ‚Erscheinungsformen’ der muskulären Merkmale und Aktivitäten, z.B.:

- bei verschiedenen repetitiven Sprungbedingungen (DJ, CMJ, SJ, Beid- bzw. einbeinige Sprünge usw.),
- bei isolierten Startbedingungen („take – off“ Phasen),
- bei isolierten Stoppbedingungen („Landephasen“),
- (Gründe für) Voraktivierungsphasen und ‚Aktivitätsphasen’,
- die Dauer der Muskelaktivitäten und Phaseneinteilungen,
- Qualität der Muskelaktivität und Muskelkoordination.

Wie bereits zahlreich festgestellt werden konnte, zeigt die Beinstreckmuskulatur im Hinblick auf die neuromuskuläre Aktivierungcharakteristik, wie z.B. beim DVZ, kurz vor dem Landen bzw. Aufprall eine deutliche Voraktivität (in Gollhofer, 1992; Gollhofer, 2000; Komi, Gollhofer et al. 1987). Gollhofer beschreibt die Aufgabe der voraktivierten Muskulatur als Bestandteil eines zentralen Bewegungsprogrammes, welches vorrangig zur funktionellen Steifigkeitseinstellung des tendomuskulären Systems dient (Gollhofer, 2000). Hierbei ist die Ausprägung der muskulären Vorinnervation (Dauer und Amplitude) von der Belastung abhängig und auf den Bodenkontakt abgestimmt (Gollhofer, 2000).

Eine weitere wichtige bekannte Untersuchung zur Muskelaktivität und Muskelkoordination ist die von Avela (Avela, Santos et al., 1996), die sich mit den neuromuskulären Merkmalen und der Koordination des M. triceps surae und dem M. vastus lateralis bei verschiedenen DVZ - Bedingungen (verschiedene DJ - Ausführungen) beschäftigt. Hierbei konnte eine eindeutige Voraktivierung der untersuchten Muskeln vor dem Bodenkontakt nachgewiesen werden. Die Dauer der Voraktivierungsphase war dabei von der Art des Verkürzungstypus abhängig (Fallhöhe, Gewichtserhöhung’ des Probanden). Avela geht davon aus, dass der ‚Voraktivierungsmechanismus’ der Muskulatur „pre-programmed“ ist (Avela, Santos et al., 1996), aber von verschiedenen Faktoren abhängt und z.B. von propriorezeptiven, visuellen und vestibulären Einflüssen modifiziert werden kann (Avela, Santos et al., 1996, McKinley und Pedotti, 1992).

Die Frage nach den Aufgaben der ‚Voraktivierungsphase(n)’ wird stark diskutiert, wobei es zahlreiche Erklärungsansätze und Befunde gibt. Nach Kyröläinen (Kyröläinen et al., 1989) bereitet die Voraktivierungsphase die Muskeln auf die einwirkenden Kraftstöße vor. Nach Asmussen - Bonde (Asmussen – Bonde und Petersen, 1974) wird sie genutzt um ‚Energie’ zu speichern, die in der anschließenden Startphase, beispielsweise bei Sprungbewegungen, verwendet werden kann. Gollhofer (Gollhofer, Strojnik et al., 1992) wiederum beschreibt, dass ein effektiver DVZ nur ausgeführt werden kann, wenn eine deutliche Steifigkeit („Stiffness) des Muskel - Sehnen-Komplexes während und vor der Kontaktzeit nachzuweisen ist. Diese kann wiederum nur über eine voraktivierte Muskulatur geleistet werden.

Eine weitere zentrale Arbeit zur Aktivität und Koordination der Muskulatur beim freien Springen ist die von Funase (Funase, Higashi et al. 2001), die sich mit den muskulären Aktivitäten („patterns“) des M. soleus und dem M. gastrocnemius (‚Fußstreckergruppe’) beim rhythmischen beidbeinigen Springen mit variierenden Frequenzen (300 – 600 ms in 20 ms Abständen) beschäftigt. Die elektromyographische Analyse der Aktivitäten der Fußstrecker ergibt wichtige Ergebnisse. Die Muskelaktivitäten sind inter- und intraindividuell komplex und variieren progressiv von einer Sprungfrequenz zur anderen. Funase berichtet weiterhin, dass sich die Dauer der absoluten Muskelaktivierung vom schnellen Sprung bis hin zum langsamen kontinuierlich erhöhte. Das reflektiert die längere Verweildauer des Springers am Boden und der damit verbundenen längeren Kontraktion der Fußstrecker. Des Weiteren ist eine eindeutige Voraktivierung des M. gastrocnemius vor dem eigentlichen Landen (ca. 100 ms früher) in allen Sprungintervallen feststellbar. Beim M. soleus ließ sich eine solche Voraktivität, ausgenommen bei Sprungfrequenzen unterhalb von 360 ms, nicht nachweisen.

In einer anderen Versuchsreihe innerhalb der Studie, bei der die Probanden Einzelsprünge aus einer gebeugten Knieposition heraus durchführen, können ebenso deutliche Voraktivitäten der Fußstrecker nachgewiesen. Bei der Startphase beginnt die EMG – Aktivität der beiden Fußstrecker schon 300 ms vor der Bewegung, bei 120 ms vor dem eigentlichen ‚Abheben’ steigt sie sehr spitz an und fällt anschließend rapide auf null innerhalb der tatsächlichen Startzeit.

Beim Landen ist diese Voraktivität auch beim M. gastrocnemius nachweisbar. Nach Funase kann darauf geschlossen werden, dass es sich hierbei um ein ‚programmiertes Versteifen des Knöchels’ vor einem antizipierten Landen handelt, um den auf den Körper einwirkenden ‚Landekraftstoß’ zu mindern (vgl. Funase, Higashi et al., 2001).

Eine weitere interessante Studie ist die von Minetti (Minetti, Ardigo et al., 1998), in der sich mit experimentellen und theoretisch berechneten Ergebnissen isolierter ‚Drop Jump Landungen’ beschäftigt wird. Dabei geht Minetti grundsätzlich davon aus, dass die Beinmuskulatur bei sportlichen Bewegungen, wie z.B. Ski fahren, als „Schockabsorbierer“ („shock absorber“) genutzt wird (vgl. Minetti, Ardigo et al., 1998). Ein experimenteller Teil der Studie widmete sich dabei den elektromyographischen Aktivitäten der Kniebeuger und -strecker bei unterschiedlichen Fallhöhen (0,4 – 1,10 m, n = 4). Diese Bewegung bzw. Sprungaktivität kann annähernd mit der Auffangbewegung bei einem ‚Schlittenstopp’ verglichen werden. Hierbei konnte nachgewiesen werden, dass die Kniemuskulatur gemeinsam etwa 19 % (+/- 0,8 SD, n = 4) während der Flugdauer vor dem eigentlichen Bodenkontakt aktiviert ist. Die Kraft – Zeit Kurve der Bodenreaktionskräfte zeigte dabei eine sehr charakteristische Ausprägung, bei der zuerst ein starker, nahezu geradliniger Anstieg, gefolgt von einem zweiten, ebenso ausgeprägten Anstieg (Peak) zu beobachten ist. Hierbei sind die Beuge- und speziell die Streckmuskeln des Kniegelenks sehr stark aktiviert. Abbildung 5 zeigt die dabei registrierte vertikale Bodenreaktionskraft mit den dazugehörigen Roh - EMG - Signalen der das Kniegelenk umgebenden Muskulatur.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Vertikale Bodenreaktionskraft und Roh - EMG - Signale der Kniebeuger und -strecker bei einer isolierten Landebewegung (modifiziert nach Minetti, Ardigo et al., 1998, S. 1781).

Ähnliche Ergebnisse lassen sich bei Viitasalos Studien zu den neuromuskulären Funktionsweisen von Athleten und Nicht - Athleten bei Drop Jumps (0,4m und 0,8m) finden (Viitasalo, Salo et al., 1998). Die Analyse der elektromyographischen Signale der Beinmuskulatur des dominanten Beines (M. vastus lateralis, M. rectus femoris, M. biceps femoris und M. gastrocnemius) stand hier im Mittelpunkt. Dafür wurden die EMG - Signale für zwei sukzessive 50 ms dauernde Phasen vor dem Bodenkontakt, sowie für die erste und zweite Hälfte der Brems- und Antriebsphase gemittelt („Braking and Propulsion Phase“) (vgl. Viitasalo, Salo et al., 1998). Hierbei konnte eine signifikant höhere Voraktivierungsdauer des M. gastrocnemius und M. vastus lateralis der Athleten gegenüber den Nicht - Athleten nachgewiesen werden (145,7 ms bzw. 78,1 ms gegenüber 92,1 ms bzw. 45,1 ms). Die vertikalen Bodenreaktionskräfte zeigen in der ersten (Brems)-Phase des Bodenkontakts ähnliche steile Ausprägungen (Kraftspitzen) wie bei Minetti (Minetti, Ardigo et al., 1998), die bei den Springern noch deutlich ausgeprägter sind als bei den Nicht - Springern. Die Abbildung 6 veranschaulicht dies und zeigt ebenso die Roh - Aktivitäten der untersuchten Extremitätenmuskulatur, bei der die deutliche ‚Voraktivität’ des M. gastrocnemius bei den Springern und Nicht - Springern erkennbar ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6 : Bodenreaktionskräfte und Roh - EMG - Signale bei Drop Jump Bedingungen: links Nicht - Springer, rechts Springer (modifiziert nach Viitasalo, Salo et al., 1998).

Die unmittelbaren ‚Post-Landeaktivitäten’ bei Sprungbewegungen sind überwiegend durch Kurzzeit-Spinalreflexe (‚Dehnungsreflexe’, vgl. Enoka, 1994; Thews, 1999) der Fußstreckermuskulatur (M. soleus, M. gastrocnemius medialis) gekennzeichnet. Bei Untersuchungen von Avela und Duncan (vgl. Avela, Santos et al., 1996; Duncan and McDonagh, 2000) konnten diese eindeutig nach ca. 55 ms Latenzzeit nach dem Auftreffen bzw. Landen nachgewiesen werden und gehen somit einher mit den Ergebnisse von Simonsen bei seinen Untersuchungen der dynamischen Kontrolle der Muskelsteifheit (vgl. Dyhre-Poulsen Simonsen et al., 1991).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[...]

---

^[1] In der zugrunde liegenden Literatur wird vom Springen („Jumping“) oder vom Hüpfen („Hopping“) gesprochen. Um das Verständnis zu erleichtern und Missverständnis zu vermeiden, wird in der vorliegenden Arbeit, wenn nicht anders gekennzeichnet, die allgemeine Bezeichnung Springen verwendet.

^[2] In der dieser Arbeit zu Grunde liegenden, meist englischsprachigen Literatur, wird häufig von Peaks, als Bezeichnung für hohe Kraftschläge bzw. Kraftspitzen aufgrund von (Fersen-)Landungen, gesprochen (vgl. auch in Ballreich und Kuhlow, 1992; Schmidtbleicher und Gollhofer 1985; Valiant and Cavanagh, 1985).

^[3] Zum Beispiel auf die Beinsteifigkeit (vgl. in Enoka, 1994; Ferris und Farley, 1997)

^[4] Der DVZ wird in der englischsprachigen Literatur als, „stretch - shortening cycle“ (SSC) bezeichnet.