Einführung in die Biomechanik des Menschen – Externe Kräfte

Einleitung(edit | edit source)

Der menschliche Körper ist in der Lage, eine Vielzahl von Körperhaltungen und Bewegungen auszuführen, was es uns ermöglicht, uns von einem Ort zum anderen zu bewegen. Diese Lokomotionsfunktion hängt vom muskuloskelettalen System (Bewegungsapparat) ab, das die Lasten unseres Körpers unterstützt und die Bewegungen der Körpersegmente antreibt.⁽¹⁾ All diese Funktionen sind in den Prinzipien der Biomechanik des Menschen verankert.

Die Biomechanik ist eines der Grundkenntnisse in der physiotherapeutischen Praxis und bildet die Grundlage für eine optimale Versorgung bei bewegungsbedingten Verletzungen oder Beschwerden. Die Hauptanwendungsbereiche der Biomechanik sind: die Verbesserung der Bewegungsleistung, die Verringerung von Beeinträchtigungen der Bewegung und die Steuerung von Interventionen bei bewegungsbedingten Verletzungen oder Beschwerden.⁽²⁾

Biomechanische Prinzipien finden Anwendung in einer Reihe von klinischen Bereichen, darunter therapeutische Übungen wie Programme zur Mobilität und zur Kräftigung, ergonomisches Training sowie die Verschreibung von orthopädischen Hilfsmitteln wie modernen Gehhilfen.^(3)(4)(5)

Wie lösen wir Probleme in der Biomechanik? (edit | edit source)

Die Biomechanik bietet Werkzeuge zur Analyse der menschlichen Bewegung, um die Effektivität zu verbessern oder das Verletzungsrisiko zu verringern. Der Ansatz zur Bewegungsanalyse bewegt sich auf einem Kontinuum zwischen qualitativer und quantitativer Analyse.

Bei der quantitativen Analyse werden biomechanische Variablen gemessen. Selbst kurze Bewegungen erzeugen Tausende von Datenproben, die erfasst, skaliert und numerisch verarbeitet werden müssen, was in der Regel eine computergestützte Analyse erfordert.

Knudson und Morrison definieren die qualitative Analyse als „eine systematische Beobachtung und introspektive Beurteilung der Qualität menschlicher Bewegungen mit dem Ziel, die am besten geeignete Intervention zur Leistungsverbesserung zu ermitteln“.⁽⁶⁾

Grundbegriffe der Biomechanik (edit | edit source)

Die Mechanik ist ein Teilgebiet der Wissenschaft, das sich mit Kräften und ihren Wirkungen befasst. Wenn diese Prinzipien auf biologische Systeme angewendet werden, bezeichnet man dieses Fachgebiet als Biomechanik. Die menschliche Biomechanik konzentriert sich speziell darauf, wie Kräfte auf das muskuloskelettale System wirken und wie das Körpergewebe auf diese Kräfte reagiert.⁽⁷⁾

Die Biomechanik lässt sich anhand des Ursprungs der beteiligten Kräfte in zwei Kategorien unterteilen: die interne (innere) und die externe (äußere) Biomechanik.⁽⁸⁾

Die externe Biomechanik beschreibt äußere Kräfte, die von außerhalb des Körpers auf Körpersegmente einwirken, und ihre Wirkung auf die Bewegung.⁽⁸⁾

Die interne Biomechanik beschreibt Kräfte, die vom körpereigenen Gewebe erzeugt werden, und ihre Wirkung auf die Bewegung,⁽⁸⁾ einschließlich „der Muskelkräfte und der Kräfte in Knochen und Gelenken, die aus der Übertragung der Muskelkräfte durch das Skelett resultieren“.⁽⁹⁾

Externe Kräfte (Äußere Biomechanik) (edit | edit source)

Domänen der Mechanik (edit|edit source)

Es gibt zwei Domänen der Mechanik (Biomechanik):

• Statik: Die Analyse eines Körpers in Ruhe oder in gleichförmiger Bewegung.
• Dynamik: Die Untersuchung der Bedingungen, unter denen sich ein Objekt bewegt.⁽¹⁾

Die Dynamik lässt sich wiederum in Kinematik und Kinetik unterteilen.

• Kinetik: Befasst sich mit der Körperbewegung und den Kräften, die diese verursachen.⁽¹⁾
• Kinematik: Beschreibt die Körperbewegung, ohne die Kräfte zu berücksichtigen, die diese Bewegung erzeugen.

Kinematische Variablen (edit | edit source)

In der Kinematik sind fünf Variablen von Interesse: die Art der Bewegung oder Verschiebung, ihre Lage (Position), ihre Richtung, ihr Ausmaß und ihre Geschwindigkeit.⁽¹⁾

1. Art der Bewegung

Die menschliche Bewegung wird als allgemeine Bewegung beschrieben – eine komplexe Kombination aus linearen und angulären Bewegungskomponenten.⁽¹⁰⁾ Meistens wird die menschliche Bewegung entweder als lineare oder als anguläre Bewegung analysiert, da diese beiden Bewegungsarten als „reine“ Bewegung betrachtet werden.

• Eine lineare Bewegung (oder translatorische Bewegung) liegt vor, wenn sich alle Körperteile in dieselbe Richtung und mit derselben Geschwindigkeit bewegen. Erfolgt dies entlang einer geraden Linie, spricht man von einer geradlinigen Bewegung. Erfolgt sie entlang einer gekrümmten Bahn, wird sie als kurvenförmig bezeichnet.^{(10) (9)}
• Eine anguläre Bewegung (Winkelbewegung) ist eine Rotation um eine imaginäre Mittellinie, die als Drehachse bezeichnet wird.⁽¹⁰⁾

Reine lineare Bewegungen kommen bei menschlichen Bewegungen selten vor. Beim Gehen, Laufen und Schwimmen verändert sich die Orientierung der Körpersegmente zueinander kontinuierlich.⁽⁹⁾ Kurze Momente nahezu reiner linearer Bewegung können bei Aktivitäten wie Eiskunstlauf oder Skispringen auftreten.⁽⁹⁾

Die Bewegung eines multisegmentaren Körpers wie des menschlichen Körpers, die gleichzeitig lineare und anguläre Bewegungen beinhaltet, wird gewöhnlich als allgemeine Bewegung bezeichnet.⁽⁹⁾ In der Praxis werden die meisten Ganzkörperbewegungen als allgemeine Bewegung beschrieben.

• Beim Gehen bewegen sich Kopf und Rumpf recht linear, während sich Arme und Beine gleichzeitig in linearer und angulärer Bewegung bewegen, während der Körper nach vorne verschiebt.
• Beim Radfahren bewegen sich Kopf, Rumpf und Arme relativ linear, die Beine bewegen sich jedoch gleichzeitig in linearer und angulärer Bewegung.

⁽¹¹⁾

2. Ausmaß der Bewegung

Das Ausmaß angulärer Bewegungen kann in Radianten oder Grad mit einem Goniometer (Winkelmesser) gemessen werden. Bei linearen Bewegungen wird das Ausmaß durch die zurückgelegte lineare Strecke gemessen. Dies kann mit Assessment-Tools wie dem Sechs-Minuten-Gehtest (6MWT) beurteilt werden.⁽¹⁰⁾

3. Bewegungsgeschwindigkeit (edit | edit source)

Die Bewegungsgeschwindigkeit wird als Geschwindigkeit oder Schnelligkeit gemessen. Eine Änderung der Geschwindigkeit bezeichnet man als Beschleunigung.⁽¹⁾

4. Lage der Gelenkbewegung im Raum (edit | edit source)

Gelenkbewegungen werden üblicherweise anhand von anatomischen Ebenen und Achsen beschrieben. Eine Ebene ist eine imaginäre ebene Fläche, die durch den Körper verläuft. Eine Achse ist eine imaginäre Linie, um die sich ein Körpersegment dreht.⁽¹⁾ Es gibt drei Bewegungsebenen im Körper:

• Die Sagittalebene mit einer Transversalachse (mediolateralen Achse).
• Die Frontalebene (Koronalebene) mit einer anteroposterioren Achse.
• Die Transversalebene mit einer longitudinalen Achse.⁽¹⁾⁽⁷⁾

5. Bewegungsrichtung (edit | edit source)

Die Bewegungsrichtung beschreibt, wie eine Bewegung entlang der Ebene und Achse verläuft.⁽¹⁾

• In der Sagittalebene ist eine Bewegung, die den Gelenkwinkel verkleinert, eine Flexion; eine Bewegung, die ihn vergrößert, eine Extension.⁽⁷⁾ Dorsalextension und Plantarflexion treten ebenfalls in dieser Ebene auf. Bewegungen bis an die Extreme des Bewegungsausmaßes werden oft mit dem Präfix „Hyper-“ versehen (z. B. Hyperextension).
• In der Frontalebene ist die Bewegung weg von der Mittellinie eine Abduktion und die Bewegung zur Mittellinie hin eine Adduktion. Eversion und Inversion treten ebenfalls in der Frontalebene auf.
• Häufige Bewegungen in der Transversalebene umfassen Innen- und Außenrotation sowie Pronation und Supination.⁽¹⁰⁾

Weitere Richtungsbegriffe werden verwendet, um die Position eines Körpersegments relativ zur anatomischen Position zu beschreiben:

• Superior bezieht sich auf eine Position zum Kopf hin; inferior zu den Füßen hin.
• Anterior bezieht sich auf die Vorderseite des Körpers; posterior auf die Rückseite.
• Medial bezieht sich auf eine Position zur Körpermittellinie hin; lateral von ihr weg.⁽⁷⁾

Kinematische Kette (edit|edit source)

Die kinematische Kette (auch als kinetische Kette bezeichnet) beschreibt, wie Gelenke und Segmente miteinander verbunden sind. Eine kinematische Kette kann offen oder geschlossen sein.

1. In einer offenen kinematischen Kette (OKK) kann sich ein Gelenk unabhängig von anderen Gelenken in dieser Kette bewegen.^(1)(12)
2. In einer geschlossenen kinematischen Kette (GKK) erzeugt die Bewegung an einem Gelenk eine Bewegung an den anderen Gelenken der Kette.

Das Konzept der offenen und geschlossenen kinematischen Kette hilft, Bewegungen zu beschreiben, die unter Belastung und ohne Belastung stattfinden. Es ist klinisch relevant bei der Planung von Übungen sowie bei der gezielten Beeinflussung einzelner oder mehrerer Gelenke.⁽¹⁾

Kinematische Ketten der oberen und unteren Extremitäten beinhalten eine integrierte Bewegungsabfolge, die bei einer Beeinträchtigung zu Schmerzen und/oder Verletzungen führen kann.^{(12)(13) (14)}

So können Probleme am Glenohumeralgelenk beispielsweise durch Störungen in den vorgeschalteten Gliedern der kinematischen Kette wie dem Schultergürtel und dem Rumpf verursacht werden.^(14)(15)(16) Bei der Behandlung von Schulterdysfunktionen sollten Therapeuten daher darauf abzielen, alle Defizite der kinematischen Kette, einschließlich der Brustwirbelsäule und der Scapula, zu beheben.^(17)(18)(19)

Kräfte bei menschlichen Bewegungen (edit|edit source)

Kraft ist eine einfache Möglichkeit, Belastungen (Last) in der Biomechanik darzustellen, und kann als eine Wirkung eines Objekts auf ein anderes definiert werden.⁽²⁰⁾ Kräfte können extern oder intern sein.

• Externe Kräfte sind Zug- oder Druckkräfte, die von außerhalb des Körpers auf den Körper einwirken.
• Innere Kräfte werden vom Körper selbst erzeugt und wirken auf die körpereigenen Strukturen.^(21)(22)

Kräfte können die Form und den Bewegungszustand eines Objekts verändern. Sie werden durch ihr Ausmaß, ihre Richtung und ihren Angriffspunkt charakterisiert, die alle die Wirkung der Kraft auf ein Objekt bestimmen.⁽²¹⁾ Wenn mehrere Kräfte auf ein Objekt einwirken, können sie in eine einzige resultierende Kraft (Gesamtkraft) aufgelöst werden, die die gleiche Wirkung hat wie alle zusammenwirkenden Kräfte. Dieser Prozess wird als Kräftezusammensetzung bezeichnet.⁽²¹⁾

Es gibt drei Grundregeln für Kräfte:⁽²¹⁾

1. Jede Kraft, die auf ein Segment wirkt, muss von etwas ausgehen.
2. Alles, was mit einem Segment in Kontakt steht, muss eine Kraft auf dieses Segment ausüben.
3. Man geht davon aus, dass die Schwerkraft auf alle Objekte einwirkt

Die Newtonschen Bewegungsgesetze (edit|edit source)

Die Newtonschen Gesetze beschreiben die Beziehung zwischen Kraft und Bewegung.

1. Erstes Newtonsches Bewegungsgesetz (Trägheitsgesetz)

Trägheit ist der Widerstand eines Körpers gegen die Änderung seines Bewegungszustands. Das erste Gesetz besagt, dass ein Körper in Ruhe oder in gleichförmiger Bewegung verbleibt, solange keine unausgeglichene resultierende Kraft auf ihn einwirkt. Je höher die Masse eines Objekts ist, desto größer ist die Kraft, die erforderlich ist, um es zu bewegen.⁽²¹⁾ Das bedeutet, dass eine Änderung der resultierenden Kraft erforderlich ist, um eine Bewegungsänderung zu erzeugen.⁽²³⁾

Beispiele:

• Das Schieben eines Menschen mit einer größeren Körpermasse in einem Rollstuhl erfordert mehr Kraft als das Schieben einer leichteren Person.⁽²¹⁾
• Wenn ein Fußballspieler einen Fußball schießt, verändert der Tritt die resultierende Kraft auf den Ball und bringt ihn in Bewegung.⁽²³⁾
• Ein Insasse eines Autos bewegt sich mit derselben Geschwindigkeit wie das Auto. Bremst das Auto plötzlich ab und der Insasse trägt keinen Sicherheitsgurt, bewegt er sich mit der ursprünglichen Geschwindigkeit des Autos weiter nach vorne.⁽²³⁾
• Um einen schweren Gegenstand anzuheben, muss eine Person eine nach oben gerichtete Kraft erzeugen, die größer ist als das Gewicht des Gegenstands, sonst bewegt er sich nicht.⁽²³⁾

Das erste Gesetz bildet auch die Grundlage für die statische Analyse – eine ingenieurwissenschaftliche Methode zur Analyse von Kräften und Momenten bei der Wechselwirkung von Objekten.⁽²⁰⁾ In der Biomechanik wird dies angewendet, um unbekannte Muskelkräfte und Gelenkreaktionskräfte im muskuloskelettalen System abzuschätzen.

2. Zweites Newtonsches Bewegungsgesetz (Aktionsprinzip)

Das zweite Newtonsche Gesetz besagt, dass eine auf ein Objekt einwirkende resultierende Kraft dessen Impuls verändert und somit zu einer Beschleunigung oder Verzögerung führt.⁽²⁰⁾ Dieses Prinzip findet breite Anwendung im Sport, wo die Leistung oft davon abhängt, wie viel Kraft und über welchen Zeitraum diese ausgeübt werden kann. Beim Kugelstoßen liegt der Fokus beispielsweise darauf, die Kraft über eine längere Dauer auszuüben, um die Weite zu maximieren.⁽²³⁾

3. Drittes Newtonsches Bewegungsgesetz (Reaktionsprinzip)

Das dritte Newtonsche Gesetz besagt, dass auf jede Aktion eine gleich große und entgegengesetzte Reaktion folgt. Ein Sportler kann beispielsweise auf einem Betonboden schneller laufen als auf einem sandigen Boden, da die starre Oberfläche höhere Bodenreaktionskräfte zurückgibt, um den Körper nach vorne zu treiben.⁽²⁰⁾

Kontaktkraft (edit | edit source)

Kontaktkräfte entstehen, wenn zwei Objekte in physischem Kontakt miteinander stehen. Die zwischen ihnen auftretenden Kräfte können in zwei Komponenten aufgelöst werden:

• Normalkraft: wirkt senkrecht zur Kontaktoberfläche.
• Reibung: wirkt parallel zur Kontaktoberfläche.

Ein Verständnis der Kontaktkräfte ist für Anwendungen wie die Entwicklung von Sportschuhen von entscheidender Bedeutung, bei denen die Reibungseigenschaften gezielt entwickelt werden, um die Bodenreaktionskräfte zu verbessern.⁽⁷⁾

Kraftmoment oder Drehmoment (edit | edit source)

Das Kraft- oder Drehmoment ist eine Kraft, die auf einen Körper wirkt und ihn in Drehung (Rotation) versetzen kann. Es ist das Produkt aus der Kraft und dem senkrechten Abstand von der Wirkungslinie der Kraft zur Drehachse. Dieses Konzept ist klinisch relevant, da ausreichende Kraftmomente für eine effektive Funktion der Muskeln bei Belastung erforderlich sind. So vergrößert die Patella beispielsweise den Lastarm des M. quadriceps femoris um die Drehachse des Knies, was die Effizienz der Knieextension bei Belastung verbessert.⁽⁷⁾

Einfache Maschinen(edit|edit source)

Eine Maschine wandelt Energie von einer Form in eine andere um, indem sie Arbeit verrichtet (d. h. Bewegungen erzeugt).⁽⁷⁾ Das muskuloskelettale System besteht aus einer Reihe einfacher Maschinen, die zusammenarbeiten, um Lasten zu stützen und Bewegungen zu erzeugen.

Es gibt drei einfache Maschinen im menschlichen muskuloskelettalen System: den Hebel, das Wellrad und die Umlenkrolle. Diese dienen drei Funktionen: Verstärkung der Kraft, Verstärkung der Bewegung und Änderung der Richtung der ausgeübten Kraft. Die meisten einfachen Maschinen im muskuloskelettalen System sind jedoch eher zur Verstärkung der Bewegung (Erleichterung der Arbeit) als zur Verstärkung der Kraft ausgelegt.⁽⁷⁾

Hebelsystem (edit | edit source)

Wenn ein Muskel Spannung aufbaut, zieht er am Knochen, um entweder eine Last zu stützen oder ein Körpersegment gegen einen Widerstand zu bewegen.⁽⁷⁾⁽⁸⁾ Muskel und Knochen funktionieren mechanisch wie ein Hebel.

• Ein Hebel ist ein starres Segment, das sich um einen Drehpunkt dreht.
• Ein Drehpunkt ist ein Stützpunkt oder eine Achse, um die sich ein Hebel dreht.
• Ein Hebelsystem liegt vor, wenn zwei Kräfte entgegengesetzte Momente erzeugen.
• Die Muskelkraft (Kraft) ist die Kraft, die das resultierende Moment erzeugt.
• Die Widerstandskraft (Last) ist die Kraft, die das entgegengesetzte Moment erzeugt.

Hebel werden basierend auf der Anordnung von Drehpunkt, Kraft und Last in Hebel erster, zweiter oder dritter Ordnung eingeteilt. Hebel der dritten Ordnung kommen im menschlichen Körper am häufigsten vor, da Muskeln in der Regel nahe am Gelenk ansetzen. Dadurch liegt die Kraft zwischen dem Drehpunkt und der Last.⁽²⁵⁾ Diese Anordnung begünstigt Geschwindigkeit und Bewegungsausmaß auf Kosten der Kraft.^(7)(26)

Wellrad (edit | edit source)

Im muskuloskelettalen System sorgt die Anordnung des Wellrads für die Verstärkung sowohl der Kraft als auch der Bewegung. Ein Beispiel ist die Innen- und Außenrotation des Schultergelenks. Das gleiche Konzept findet Anwendung bei der Entwicklung von Rollstühlen und deren manuellem Antrieb.^(27)(28)(29)

Umlenkrolle
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Die anatomische Umlenkrolle ist eine modifizierte Form des Wellrads. Ihre Hauptfunktion besteht darin, eine Kraft umzuleiten, um eine Aufgabe zu erleichtern. Bei menschlichen Bewegungen besteht diese „Aufgabe“ darin, ein Körpersegment zu drehen. Anatomische Umlenkrollen erreichen dies, indem sie die Wirkungslinie des Muskels von der Gelenkachse weg lenken und so den mechanischen Vorteil der Muskelkraft erhöhen. Der mechanische Vorteil ist ein Maß für die mechanische Effizienz eines Hebels und spiegelt das Verhältnis zwischen Kraft und Last wider.⁽⁷⁾⁽⁸⁾

Es gibt vier Klassen anatomischer Umlenkrollen, die für Physiotherapeuten von Interesse sein könnten:⁽⁷⁾

• Klasse I: Eine externe Struktur fungiert als Umlenkrolle, um die Muskelaktion zu verbessern. Beispielsweise wirkt die Patella am Knie als Umlenkrolle, um die Funktion des Quadrizeps zu verbessern.
• Klasse II: Die Umlenkrolle wird durch Knochen, Knorpel und Sehne gebildet. Beispielsweise wirkt der Malleolus lateralis fibulae als Umlenkrolle für den M. peroneus longus.
• Klasse III: Ein Gelenk bildet die Umlenkrolle. Beispielsweise geben die Epikondylen des Femurs der Sehne des M. gracilis einen günstigen Ansatzwinkel an der Tibia.
• Klasse IV: Der Muskel selbst wirkt als Umlenkrolle.

Fazit(edit | edit source)

Die auf dieser Seite besprochenen kinetischen und kinematischen Konzepte sind grundlegend für das Verständnis menschlicher Bewegungen und der Wirkungen von Kräften auf Körpersegmente. Bei der Entwicklung unterstützender und adaptiver Hilfsmittel ist es wichtig, die biomechanischen Prinzipien von Kraft, Reibung und einfachen Maschinen zu berücksichtigen, um sicherzustellen, dass das Hilfsmittel die menschliche Bewegung unterstützt bzw. verbessert.

Referenzen(edit | edit source)