🧑‍🔧 Biomechanik

Körperschwerpunkt (= KSP) = Massenmittelpunkt

• Im ruhigen Stand mit hängenden Armen befindet sich dieser ca. 4 – 5 cm über der Mitte der Querachse durch die Hüftgelenke, d. h. etwas im Bereich des 3. Sakralwirbels

• Es kann von jedem Körperabschnitt ein Teilschwerpunkt ermittelt werden (Teilschwerpunkt Rumpf mit/ohne Arme, Teilschwerpunkt Kopf, Teilschwerpunkt untere Extremität)

• Da die Muskelmasse der Körperabschnitte in der Regel proximal liegt, sind die Teilschwerpunkte auch etwas nach proximal verlagert

Verkürzung von Teilschwerpunkten

• Durch Annäherung eines Körperteilschwerpunktes an die Umdrehungsachse verringert sich die aufzuwendende Kraft

• Die Fläche, die alle mit den sich auf der Unterlage befindlichen Auflagepunkte verbindet sowie der Bereich zwischen diesen Auflagepunkten

• Die Schwerelinie ist die gedachte Verbindungslinie vom Schwerpunkt des Körpers zum Erdmittelpunkt

• Wenn der Körperschwerpunkt (KSP) nicht über die Unterstützungsfläche (UF) hinausragt, befindet sich ein Körper im Gleichgewicht, so dass er nur durch die Einwirkung einer Kraft aus diesem Gleichgewicht gebracht werden kann

• Ein möglichst tief liegender Schwerpunkt und eine große Unterstützungsfläche sorgen für eine hohe Stabilität

• stabil —> Körpergewicht wird mit jeder Bewegung angehoben

  • Bei einem stabilen Gleichgewicht werden große Kräfte benötigt, um den Schwerpunkt aus seiner Ruhelage zu bringen

• indifferent —> Körpergewicht verschiebt sich in gleicher Höhe

  • Bei einem indifferenten Gleichgewicht bedarf es einer mäßigen Kraft, damit der Schwerpunkt seine Lage verändert

• labil —> Körpergewicht wird mit jeder Bewegung abgesenkt

  • Bei einem labilen Gleichgewicht reicht eine geringe Kraft, um den Schwerpunkt zu verschieben, so dass er nicht mehr in seine ursprüngliche Ausgangsstellung zurückkehren kann

= Kippmoment

• Wenn der Körperschwerpunkt sich über die Unterstützungsfläche hinausbewegt (= Kippmoment), kann der Körper sein Gleichgewicht nicht mehr mit Muskelkraft aufrechterhalten

• ohne neurologisches Defizit (oder eine Intoxikation) versuchen immer, ihren Schwerpunkt über der Unterstützungsfläche einzuordnen, damit sie nicht stürzen

• Patienten, mit den o. g. Defiziten oder Intoxikationen verbreitern oft ihre Unterstützungsfläche oder senken ihren Schwerpunkt, um im Gleichgewicht bleiben zu können

• die von außen objektiv auf einen Körper einwirkenden Kräfte (z. B. Masse x Schwerkraft —> 70 kg Masse oberhalb der Hüftgelenke x 9,81 m/sec = 700 N)

• Die subjektiven Folgen einer Belastung (physisch und psychisch)

Kinematik („Bewegungslehre“)

• Lehre von Bewegungen ohne Berücksichtigung von Masse und Kraft (ohne Ursache)

• Beschreibung der räumlichen Bewegung:

  • Translation = lineare Verschiebung (parallele Bahnen)

  • Rotation = Drehung um einen Mittelpunkt / eine Achse (konzentrische Bahnen)

• Beschreibung der zeitlichen Bewegung:

  • gleichförmige (v = const.)

  • ungleichförmige (v = var.): beschleunigte / verzögerte Bewegungen

Kinetik

• Lehre vom Zusammenhang zwischen Kraft und Bewegung

• untersucht die Wirkung der Kraft als Ursache einer Bewegung

  • Statik = Untersuchung der ruhenden Bedingung des Kräftegleichgewichts

  • Dynamik = Untersuchung der von Kräften hervorgerufenen Bewegungen

Lebende Strukturen können willentlich und aktiv nur angular bewegen

(linear im Wachstum sowie passiv durch exogene Kräfte)

• linear = eine Linie betreffend

• angular = einen Winkel betreffend

  • Bei einer angulären Bewegung dreht sich i. d. R. ein Knochen um eine definierte Drehachse im Raum, so dass es zu einer Winkelveränderung zwischen beiden Knochen kommt

  • Die Drehachse eines Gelenks ist abhängig von der Stellung der Gelenkflächen zueinander

• Athrokinematik: Bewegungsverhalten der Gelenkflächen zueinander

  • In der Regel findet bis auf wenige Ausnahmen (Artt. zygapophyseales, Sacroiliacalgelenke) in fast allen Gelenken eine Kombination des Rollens und des Gleitens statt

  • In den Artt. zygapophyseales finden ausschließlich Gleitbewegungen (= Translation) statt

• Osteokinematik: Bewegung der Knochen im Raum

Arbeit = Kraft * Weg

1 N = 1 kg * m/s2

Newtonsche Gesetze

• 1. Newtonsches Gesetz (Trägheit)

  • Jeder Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder einer geradlinig verlaufenden Bewegung, solange keine äußeren Kräfte auf ihn einwirken

• 2. Newtonsches Gesetz (Dynamik)

  • Kraft als Ursache einer Beschleunigung: Kraft = Masse * Beschleunigung (F = m * a)

• 3. Newtonsches Gesetz (actio = reactio)

  • Jede Kraft bewirkt eine gleichgroße Gegenkraft (sie greifen stets an verschiedenen Körpern an)

• Sonderfall: Kräfte bewirken eine Deformation (elastisch / plastisch: Zug, Druck, ...)

Kraft = Masse x Beschleunigung

F = M x a

Actio = reactio

Die Bodenreaktionskraft ist identisch mit der Abstoßkraft bei der Fortbewegung

s

• Eine Kraft, die an einem Drehpunkt (DP) ansetzt, der fix ist und nicht translatiert werden kann, übt auf diesen Drehpunkt immer ein Drehmoment aus

• Je länger der ansetzende Hebel ist, umso weniger Kraft wird benötigt

Als Hebel bezeichnet man ein starres Objekt, das an einer Stelle auf einer ortsfesten Achse drehbar gelagert ist

Gleichgewichtsbedingung der Drehmomente:

• Kraft * Kraftarm = Last * Lastarm

• FKraft * dKraft = FLast * dLast

• mechanischer Vorteil: mV = Kraftarm / Lastarm

• mV = dKraft / dLast

Zweiseitiger Hebel (1. Klasse)

• Lastarm und Kraftarm liegen auf verschiedenen Seiten einer Achse, Kraft und Last mit gleicher Richtung

• mechanischer Vorteil beliebig

1 Newtonmeter, NM = 1 Joule

Arbeit = Kraft * Weg

Kraft (N) / Fläche (m2) = Pascal

Kraft / Masse oder V / T

Einheit m/s2

Kraft (N) * Geschwindigkeit (m/s) = Watt

Kraft * Zeit = F * t = Ns

Kraft * Kraftarm = F * d

Nm

Lastarm und Kraftarm befinden sich auf derselben Seite einer Achse, Kraft und Last sind entgegengerichtet

• Lastarm < Kraftarm

• mechanischer Vorteil > 1

• Kraftverstärkung

Lastarm und Kraftarm befinden sich auf derselben Seite einer Achse, Kraft und Last sind entgegengerichtet

• Lastarm > Kraftarm

• mechanischer Vorteil < 1

• Geschwindigkeitserhöhung

Kraft x Kraftarm = Last x Lastarm

d

Das Prinzip eines Hebels 1. Ordnung findet man im menschlichen Körper bei Muskulatur, die überwiegend statische Haltearbeit verrichten muss (M. brachialis, M. gluteus medius/minimus, Suboccipitalmuskulatur, M. serratus anterior etc.)

• Last und die bewegende Kraft setzen auf der gleichen Seite des Drehpunktes an

• Allerdings ist der Kraftarm länger als der Lastarm, wodurch die aufzuwendende Kraft deutlich reduziert werden kann

• Dass der Kraftarm länger als der Lastarm ist, findet man bei Muskeln im menschlichen Körper selten, da Muskeln selten distal vom Lastarm Insertionsmöglichkeiten besitzen

• Das Prinzip dieses Hebelgesetz (hohe Kraftentwicklung, geringe Geschwindigkeit) findet man annähernd bei „langsamen“ Haltemuskeln mit vielen slow twitch fibres wie dem M. brachioradialis

—> mV > 1

• Die bewegende Kraft sowie die Last befinden sich auf der gleichen Seite des Drehpunkts

• Ihre Kräfte wirken allerdings entgegengesetzt

• Der Lastarm ist dabei größer als der Kraftarm, wodurch die

  aufzubringende Kraft größer ist (mV < 1)

• Dadurch kann allerdings der längere Hebel durch die einwirkende Kraft sehr stark beschleunigt werden

• Es wird zwar viel Kraft benötigt, aber dafür kann der Lastarm mit hoher Geschwindigkeit beschleunigt werden

• Nach diesem Prinzip arbeiten im menschlichen Körper alle Muskeln, die der Schnellkraft dienen und überwiegend fast twitch fibres besitzen (z. B. M. quadrizeps femoris)

Wirklicher Hebel

• Verläuft entlang der anatomischen Struktur

• Der wirkliche Hebel bleibt immer gleich lang, unabhängig von seiner Stellung im Raum

Wirksamer Hebel

• Projektion auf die Horizontalebene

• Je horizontaler der Hebel eingestellt wird, desto länger ist der wirksame Hebel

h

Liegestütze: wirksamer Hebel und

Schwerkraft

1. Bei Liegestütze im Stand an der Wand ist die einwirkende Schwerkraft gering, da der wirksame Hebel (die Entfernung der Füße zur Wand) gering ist

2. Wenn der Patient mit den Füßen etwas weiter von der Wand weg geht, wird der wirksame Hebel größer und damit hat die Schwerkraft eine stärkere Wirkung

3. Bei Liegestützen auf den Knien („Frauen-Liegestützen“ ) ist der wirksame Hebel noch größer (jeweils von den Händen bis zu den Knien am Boden), so dass die Schwerkraft massiv einwirkt

4. Bei normalen Liegestützen entspricht der wirksame Hebel der Strecke zwischen den Händen und den Fußspitzen, so dass die Schwerkraft eine maximale Wirkung entfalten kann

• Hebel 1. Ordnung werden benötigt, wenn Gelenke durch Aktivität von Agonisten und Antagonisten in einer Ruheposition relativ stabil gehalten werden sollen

• Ein Hebel 2. Ordnung ist nötig, wenn dadurch ein großes Gewicht mit Kraft bewegt werden muss (z. B. das Körpergewicht mit der Muskelkraft des M. triceps surae)

• Mit einem Hebel 3. Ordnung kann man ein Körperteil sehr stark beschleunigen, z. B. den gestreckten Arm inkl. Gegenstand beim Werfen durch Aktivität des M. pectoralis major