Thea Waldleben, Sportmittelschule Engelberg: Kniebelastungen

Kniebelastungen während
des Skifahrens
Z-Achse
X-Achse
Y-Achse
Maturaarbeit
Thea Waldleben
Sportmittelschule Engelberg 2016
Betreut durch Yves Rohner
Kniebelastungen während des Skifahrens
Inhaltsverzeichnis
1 Vorwort........................................................................................................................3
1.1 Danksagung.......................................................................................................................3
2 Abstract.......................................................................................................................3
3 Einleitung.....................................................................................................................4
3.1 Zielsetzung.........................................................................................................................4
3.2 MaterialundMethode.......................................................................................................4
3.2.1 MSR-Datenlogger................................................................................................................4
3.2.2 BefestigungderDatenlogger..............................................................................................5
3.2.3 AusführungderMessungenaufdemSchnee.....................................................................6
3.2.4 AusführungderMessungenimLabor.................................................................................6
3.2.5 AufbereitungderMessdaten..............................................................................................7
4 GrundlageSkiAlpin......................................................................................................7
4.1 Slalom................................................................................................................................7
4.2 Riesenslalom......................................................................................................................7
5 PhysikalischeGrundlagen.............................................................................................8
5.1 DieSchrägfahrt..................................................................................................................8
5.2 DieKurvenfahrt................................................................................................................10
5.3 g-Kraft..............................................................................................................................11
6 AnatomiedesKniegelenkes........................................................................................12
7 Messergebnisse..........................................................................................................13
7.1 Graphikanalyse................................................................................................................13
7.2 MessungenaufSchlägesimulator.....................................................................................14
7.3 FreifahrenbeihartenundweichenPistenverhältnissen-Slalom......................................18
7.3.1 WeichePistenverhältnisse................................................................................................18
7.3.2 HartePistenverhältnisse...................................................................................................20
7.4 MessungenimFreifahren-Riesenslalom.........................................................................21
7.5 MessungenamKnieundSkischuh....................................................................................22
7.5.1 GeschlosseneSkischuhschnallen......................................................................................23
7.5.2 OffeneSkischuhschnallen.................................................................................................24
7.6 MessungeninvorgegebenenRadien-Riesenslalom.........................................................26
1
Kniebelastungen während des Skifahrens
8 Diskussion..................................................................................................................30
8.1 UntersuchungbeiverschiedenenSchwungradien.............................................................30
8.2 UntersuchungbeiunterschiedlicherPistenbeschaffenheit...............................................30
8.3 UntersuchungzumEinflussdesSkischuhs........................................................................31
8.4 UntersuchungbeivorgegebenenSchwungradien.............................................................32
8.5 VerletzungsrisikodesKnieswährenddesSkifahrens........................................................33
9 Schlusswort................................................................................................................35
10 Literaturverzeichnis..................................................................................................36
11 Abbildungsverzeichnis..............................................................................................37
12 Glossar.....................................................................................................................38
13 Redlichkeitserklärung...............................................................................................39
Abbildung 1: Titelbild; Position der Messsensoren am Bein
2
Kniebelastungen während des Skifahrens
1 Vorwort
Schon früh haben mich meine Eltern auf den Schnee mitgenommen und mir das Skifahren
beigebracht. Bald wurde ich Mitglied eines Skiclubs und trainiere seit dem regelmässig. Da
war es für mich naheliegend, meine Maturaarbeit mit dem Sport zu verbinden. Der Fokus lag
von Anfang an auf Messungen, die mit dem Skifahren in Verbindung gebracht werden können. Mein Vater vermittelte mir den Kontakt zu der Firma MSR, welche mir Messgeräte für
Messungen der Beschleunigungskräfte zur Verfügung stellte. Dadurch bin ich dann zur Physik des Skisportes gelangt.
Schon von Anfang an habe ich mich für das Verhalten des Skis interessiert, da ich diesen im
Winter ja fast täglich gebrauche. Nach einem Gespräch mit Mathieu Fauve, dem Entwicklungsleiter der Skifirma Stöckli und mit Fabian Wolfsperger vom Lawinenforschungsinstitut in
Davos ist mehr das Knie in den Fokus meiner Arbeit gerückt. Herr Wolfsperger hat schon
einige Untersuchungen am Ski durchgeführt.
Da ich schon selber einen Unterschenkelbruch erlitt und einige meiner Kollegen Knieverletzungen hatten, habe ich mich für die Kräfte, welche dort wirken und deren Grössen interessiert. Zuerst wollte ich anhand von Messungen das Verhalten des Knies und des Skis aufzeigen. Nach weiteren Überlegungen und ersten Testversuchen während des Skifahrens
habe ich den Ski vernachlässigt und mich auf das Knie konzentriert.
1.1
Danksagung
Ein grosses Dankeschön gilt Yves Rohner, der mich durch meine ganze Arbeit hinweg begleitet und mir bei der Erfassung der physikalischen Zusammenhänge geholfen hat. Weiterhin möchte ich mich bei Wendelin und Erwin Egli bedanken für das zur Verfügung stellen der
MSR-Datenlogger, die die Grundlage meiner Arbeit bildeten. Mein Dank geht auch an Mathieu Fauve und Fabian Wolfsperger für die Inputs im Bereich Messungen im Skisport und
ihre Anregungen für meine eigenen Untersuchungen. Ralf Kredel gab mir die Möglichkeit
während seiner Versuche im Rahmen einer Studie der Universität Bern meine eigenen Messungen durchzuführen. Nicht zuletzt möchte ich meinem Vater danken, der mich in meinem
Vorhaben bestärkt hat und sich die Zeit genommen hat, Korrektur zu lesen.
2 Abstract
In der Maturaarbeit habe ich das Verhalten des Knies während des Skifahrens mithilfe von
MSR Datenloggern untersucht. Diese Beschleunigungsmessgeräte sind sehr vielseitig einsetzbar und werden unteranderem bei Transportüberwachungen eingesetzt. Mit diesen
konnte ich die Belastungen auf das Knie in allen drei Achsen aufzeichnen.
3
Kniebelastungen während des Skifahrens
Bei verschiedenen Einflussfaktoren wurde das Verhalten des Knies in der X-, Y- und ZAchse, sowie dem Mittelwert gemessen und ausgewertet. In Versuchen wurde das Knie
während dem Skifahren mit unterschiedlichem Ski, veränderten Pistenverhältnissen und dem
Einfluss der Skischuhhärte analysiert. Die Messergebnisse zeigen grosse g-Kräfte auf, vor
allem in der Y-Achse. Je kleiner der Härteflex des Skischuhes ist und je weicher und unruhiger die Pistenverhältnisse sind, desto unruhiger verhält sich das Knie in allen Achsen. Das
Risiko einer Knieverletzung ist in jedem Schwung gegeben und kann durch dreidimensionales Training am Knie gemindert werden. Aufgrund der Messergebnisse wird auf eine mögliche Verletzungsprophylaxe eingegangen.
3 Einleitung
3.1
Zielsetzung
Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Belastung und das Verhalten des Knies während des Skifahrens unter verschiedenen Einflüssen zu analysieren. Es soll eine allgemeine Aussage des
Knieverhaltens bei kontrollierten Veränderungen wie Material, Schnee- und Pistenverhältnissen getroffen werden.
Jeder Skifahrer hat einen anderen Fahrstil, was die Messergebnisse zusätzlich beeinflusst
und in dieser Arbeit nicht berücksichtigt wird.
3.2
3.2.1
Material und Methode
MSR-Datenlogger
Von der Firma MSR wurden mir vier Datenlogger für Schock- und
Vibrationsmessungen zur Verfügung gestellt. Diese Messgeräte ha-
Y-Achse
ben einen hochauflösenden 3-Achsen-Beschleunigungssensor mit
einem Messbereich von ±15g oder ±200g. Es können bis zu 1600
Z-Achse
X-Achse
Messungen pro Sekunde über eine maximale Zeitspanne von fünf
Jahren aufgezeichnet werden. Die Messgeräte sind wasserdicht und
werden mit einem blauen Knopf auf der Oberseite des Geräts eingeschaltet. Durch eine Computer-Software von MSR kann der Datenlogger über ein UBS-Kabel eingestellt, aufgeladen und die Messun- Abbildung 2: Datenlogger
gen ausgelesen werden. Er wird mit einem Akku betrieben und durch
mit Messachsen
Anschliessen mit dem Computer geladen.1
1
MSR (2016). MSR165. Datenlogger für Schock und Vibration. http://www.msr.ch/de/produkt/msr165.php (letzter
Besuchstag.10.16)
4
Kniebelastungen während des Skifahrens
Bei meinen Messungen habe ich allerdings nur Datenlogger mit dem niedrigeren Messbereich verwendet (±15g). In einer Sekunde wurden 100 Messungen gemacht. Bei der Auswertung wurden die Beschleunigungsmessungen in den drei Achsen benutzt.
3.2.2
Befestigung der Datenlogger
Befestigt wurden die Messgeräte durch Klettbänder an unterschiedlichen Orten. Mit Ausnahme von einem Versuch wurden beide Datenlogger jeweils mit dem Gerät senkrecht unterhalb der linken und rechten Kniescheibe am Tibiakopf (Schienbeinkopf) positioniert. Eine
Befestigung am Oberschenkel hätte durch die Muskelkraft Verfälschungen ergeben. Am
Tibiakopf liegen die Messgeräte direkt auf dem Knochen an. Dabei musste darauf geachtet
werde, das die Position des Messgerätes (der Einschaltknopf oben) immer gleich ist, damit
die verschiedenen Achsen bei der Auswertung nicht vertauscht wurden.
Bei einem Versuch wurde eines der Messgeräte am Skischuhrand angebracht. Das Gerät
wurde dabei parallel unterhalb des oberen Messgeräts positioniert und identisch ausgerichtet. Diese Methode wurde nur einseitig am rechten Bein durchgeführt.
Y-Achse
Z-Achse
X-Achse
MSRDatenlogger
Abbildung 3: Position der Messsensoren am Knie beidseitig
Abbildung 4: Detailansicht Position Datenlogger
5
Kniebelastungen während des Skifahrens
3.2.3
Ausführung der Messungen auf dem Schnee
Alle Messungen sind während des Skifahrens beim Freifahren ohne Kurvenvorgabe oder in
den Toren mit Kurvenvorgabe durchgeführt worden. Die verschiedenen Messblöcke erfolgten jeweils am gleichen Tag in einer möglichst kurzgehaltenen Zeitspanne. So konnten die
äusseren Einflüsse wie Schneeverhältnisse oder Wetter minimiert werden. Die Piste wurde
nach Beschaffenheit hinsichtlich Neigung und Gleichmässigkeit ausgewählt, auch hier um
eine Vergleichbarkeit der Schwünge zu erreichen. Die meisten Messdaten wurden am Morgen erfasst, da die Pistenverhältnisse dann am Besten sind und weniger Skifahrer meine
Testfahrten kreuzten. Durchgeführt wurden die Messungen am Jochpass in Engelberg, am
Wasserngrat in Gstaad und im Hasliberg auf flachen und mittelsteilen Pisten. Erste Testmessungen habe ich an der Klostermatt in Engelberg und in Zinal im Wallis gemacht, um
das Gerät und dessen Befestigung kennenzulernen und zu optimieren. Gemessen wurde,
ausser bei den zusätzlichen Skischuh-Knie-Messungen, gleichzeitig am linken und am rechten Unterschenkel. Variiert wurde zwischen Riesenslalom und Slalom Ski. Es wurden immer
3-6 Messungen mit 6-14 Schwüngen pro Messblock durchgeführt. Dazu habe ich jeweils
zwischen ein und zwei Stunden gebraucht. Alle Messungen habe ich bei mir selber durchgeführt, um die äusseren Einflüsse und damit auch die Verfälschung möglichst gering zu halten. Dabei habe ich versucht bei allen Messungen den Versuchsablauf soweit es ging identisch zu gestalten.
3.2.4
Ausführung der Messungen im Labor
Ich hatte zusätzlich die Möglichkeit Daten
während einer Studie der Universität Bern zu
erfassen. Ziel der Studie war es, die Dämpfungskompetenz
verschiedener
Personen-
gruppen zu ermitteln. Dabei mussten Probanden einen Sehtest ausführen, während sie
sich mit Skischuhen auf einem Schlägesimulator befanden. Die simulierten Schläge konnten
in drei verschiedenen Geschwindigkeiten (1.2
Hz, 2.4 Hz und 3.6 Hz) eingestellt werden und
waren regelmässig oder unregelmässig. Insgesamt wurden zwölf Messreihen durchgeführt, sodass jede Geschwindigkeit bei prädi- Abbildung 5 Schlägesimulator mit Versuchsperson
zierbaren und nicht prädizierbaren Voraussetzungen ausgewertet werden konnte. Ein Messdurchgang dauerte solange an, bis der Sehtest abgeschlossen wurde. Während den Versuchsdurchgängen gab es einzelne Ver6
Kniebelastungen während des Skifahrens
suchsabbrüche, die durch die verlorene Kontaktfläche des Skischuhes mit dem Untergrund
entstanden. Dies passierte vor allem bei höheren Geschwindigkeiten.
3.2.5
Aufbereitung der Messdaten
Am Ende jeder Messeinheit wurden die Datenlogger über einen USB-Anschluss mit dem
Laptop verbunden. Mithilfe der MSR- Software konnten die Daten direkt eingelesen und graphisch dargestellt werden. Um die Ergebnisse zu bearbeiten und zusätzliche Durchschnittswerte zu berechnen, mussten die Daten in Excel exportiert werden. Dabei gab es anfänglich
einige Probleme, die aber schnell behoben werden konnten. Um die durch das Messgerät
erstellten Daten weiter zu bearbeiten, musste eine .csv Datei erstellt werden. Diese liessen
sich anfangs nicht korrekt im Excel weiterbearbeiten und es fehlten Daten. Deshalb wurde
die .csv Datei in eine .txt Datei umbenannt und diese beim Öffnen im ExcelTextkonvertierungsassistenten geändert.
4 Grundlage Ski Alpin
„Beim alpinen Skirennen (kurz Ski Alpin) befahren die Rennläufer einen durch Tore abgesteckten Kurs auf einer Skipiste.“2
Ich habe mich bei meinen Experimenten nur mit den Bereichen Riesenslalom und Slalom
befasst. Es gäbe noch zwei weitere Disziplinen im Skirennsport, Super-G und Abfahrt. Bei
diesen ist die Schwungdauer jedoch wesentlich länger. Die Durchführbarkeit der Messungen
wäre daher eher schwierig gewesen, da dafür eine Piste mit gleichmässiger Hangneigung
über eine längere Strecke in der Umgebung notwendig gewesen wäre.
4.1
Slalom
Diese Disziplin hat die kürzesten Torabstände. Sie betragen zwischen 6 und 13 Metern auf
der Junioren- und Elite-Stufe. Gefahren wird mit einem kurzen und stark taillierten Ski, der
das Fahren dieser engen Radien möglich macht.3
4.2
Riesenslalom
Die Distanz zwischen den Toren ist mittellang und variiert ab der Stufe Junioren zwischen 18
und 35 Metern. Die Skier haben eine weniger taillierte Form als im Slalom und sind länger.
So haben sie eine optimale Form um bei diesen Torabständen eine Kurvenfahrt zu ermöglichen und gleichzeitig eine Beschleunigung des Fahrers zu ermöglichen.3
2
3
Wikipedia (2016). Ski Alpin. https://de.wikipedia.org/wiki/Ski_Alpin (letzter Besuchstag.10.2016)
Läuppi, Peter / Spörri, Jörg (2014): Swiss-Ski: Ski-Alpin Racing-Konzept, S. 61-62
7
Kniebelastungen während des Skifahrens
5 Physikalische Grundlagen
Ein Skischwung wird in drei Phasen unterteilt: die Auslösephase, die Steuerphase 1 und die
Steuerphase 2. In der Auslösephase findet ein Belastungswechsel zwischen beiden Skiern
statt. Der alte Aussenski wird entlastet und der Neue belastet. Während der ganzen
Schwungdauer erfolgt die Hauptbelastung auf dem Aussenski. Die Bewegung wird nach vorne ausgerichtet, damit mehr Belastung auf der Skispitze erzeugt werden kann und der Radius des Skis wirkt. In der Steuerphase 1 orientiert sich die Hüfte langsam Richtung Schwunginnenseite und es wird versucht, einen möglichst grossen Aufkantwinkel des Skis zu erzeugen. Sobald der Fahrer sich in der Falllinie befindet, beginnt die Steuerphase 2. Durch das
Einknicken der Hüfte bei zentraler Oberkörperposition und waagerechten Schultern, wird der
Aufkantwinkel verstärkt. Während des ganzen Schwungs findet ein progressiver Belastungsaufbau statt, der seinen Höhepunkt in der Steuerphase 2 erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wirkt
die grösste Kraft. Im Folgenden werden die wirkenden Kräfte im Schwung erläutert.
5.1
Die Schrägfahrt
Als Schrägfahrt bezeichnet man die Phase zwischen dem Ende des bereits gefahrenen
Schwunges und dem neuen, noch nicht getätigten Schwung. Der Skifahrer bewegt sich dabei schräg zum Hang. Die Hangabtriebskraft Fh, welche eine Teilkraft der Gewichtskraft FG
ist, wirkt parallel zur Hangneigung α.
Abbildung 7: Kräftedreieck am Hang
Abbildung 6: Kräftedreieck in der Schrägfahrt
(nach Müller et al., 2008)
8
Kniebelastungen während des Skifahrens
In diesem Fall wird sie in zwei Komponenten aufgeteilt,
die Vortriebskraft Fv und die Querkraft Fq. Die Vortriebskraft trägt alleine zur Beschleunigung des Skifahrers in Fahrtrichtung bei. Ihre Grösse wird durch den
Hangneigungswinkel α und den Fahrtrichtungswinkel β
beeinflusst. Der Fahrtrichtungswinkel β wird horizontal
zum Hang gemessen.
Die Querkraft Fq versucht den Skifahrer senkrecht zur Abbildung 8: Hangneigungswinkel 𝛼 und
Fahrtrichtungswinkel 𝛽 bei der Schrägfahrt
Fahrtrichtung talabwärts zu bewegen. Der Querkraft Fq (Müller et al., 2008)
entgegengesetzt wirkt die Kantengriffkraft Fkant, welche
durch das Aufkanten der Ski vom Skifahrer erzeugt werden muss. Ohne diese würde die
Querkraft Fq ein talwärts orientiertes Rutschen bewirken.
Zusätzlich wirken natürlich auch noch die Gewichtskraft FG senkrecht nach unten und die
Normalkraft FN, senkrecht zum Boden. Fload steht für die resultierende Kraft, welche immer
durch die Unterstützungsfläche wirkt.4
Gewichtskraft:
Normalkraft:
Hangabtriebskraft:
FG=m∗g
FN=FG∗ cos α
Fh=FG∗ sin α
Vortriebskraft:
Fv=Fh∗ sin β
mit: Fh=FG∗ sin α
Fv=FG∗ sin α ∗ sin β
Für Winkel α, β kleiner als 90o: je grösser α, β
→
desto grösser sin β , sin α
→
desto grösser Fv
Querkraft:
Fq=Fh∗ cos β
mit: Fh= sin α ∗FG
Fq=FG∗ cos β ∗ sin α
Für Winkel α, β kleiner als 90o : je grösser α, je kleiner β →
→
desto grösser sin β , sin α
desto grösser Fv
4
Gollhofer, Albert / Müller, Erich (2009): Handbuch Sportbiomechanik. Fortbewegung auf Schnee. Ski Alpin,
S.436-439
9
Kniebelastungen während des Skifahrens
5.2
Die Kurvenfahrt
Wegen den ständigen Richtungsänderungen des Körperschwerpunktes, welche während der
Kurvenfahrt auftreten, wirken zu den oben besprochenen Kräften noch
Trägheitskräfte auf den Körper wirkt.
Die Zentrifugalkraft FZf wirkt senkrecht zur Bodentangente nach aussen
und hat ihren Ursprung im Schwerpunkt des Körpers. Entgegengesetzt
zur Zentrifugalkraft muss der Skifahrer durch das Aufkanten der Ski
eine gleich grosse Zentripetalkraft FZp erzeugen um den vorgesehenen
Kurvenradius fahren zu können. Durch den unterschiedlichen Ansatz
beider Kräfte am Körper entsteht ein Drehmoment. Dieses würde ein
kippen des Skifahrers bewirkt. Um im dynamischen Gleichgewicht zu Abbildung 9: DynamiGleichgewicht
bleiben, wird der Skifahrer gezwungen einen bestimmten Kurvenla- sches
5
beim Schwingen
genwinkel ε einzunehmen. Dadurch verläuft die Resultierende der
Zentrifugalkraft FZf und der Gewichtskraft FG durch die Unterstützungsfläche.
Die Querkraft Fq wirkt je nach Schwungphase in die gleiche Richtung, oder gegensätzlich zur Zentrifugalkraft FZf. Beide
Kräfte beeinflussen die Grösse des Innenlagewinkels ϕ. Vom Anfang bis zur
Falllinie des Schwunges wirken beide
Kräfte entgegengesetzt, wobei die Querkraft Fq immer kleiner wird. Genau in der
Falllinie beträgt sie 0. Von diesem Zeitpunkt an nimmt die Querkraft Fq bis zum
Schwungende wieder zu und wirkt in die
gleiche Richtung wie die Zentrifugalkraft
FZf. Der Kurveninnenlagewinkel ϕ muss
daher bei der Einfahrt in die Falllinie
kleiner als bei der Ausfahrt sein, weil
ohne eine Vergrösserung dieses Winkels
der Skifahrer das dynamische Gleichge- Abbildung 10: Auf den Skifahrer einwirkende Kräfte wähwicht verlieren würde.5
rend der Kurvenfahrt (Müller et al., 2008)
5
Gollhofer, Albert / Müller, Erich (2009): Handbuch Sportbiomechanik. Fortbewegung auf Schnee. Ski Alpin,
S.439-441
10
Kniebelastungen während des Skifahrens
ε = arccos
12 ∗345 6
178 ±12 ∗59: 6 345 ; < = 12 ∗345 6 <
ε:Kurveninnenlagewinkel
F G:
Gewichtskraft
FZf:
Zentrifugalkraft
α:
Hangneigungswinkel
β:Fahrtrichtungswinkel
Der Zähler zeigt die Normalkraft und der Nenner zeigt die resultierende Kraft auf. Die Normalkraft verändert sich nicht während der Kurvenfahrt. Der Kurveninnenlagewinkel nimmt bis
zum Schwungende zu, also muss sich die resultierende Kraft auch vergrössern. Demnach
müssen die grössten Kräfte am Ende der Kurve auftreten, was meine Messergebnisse bestätigen. Alle oben beschriebenen Kräfte setzten am Körperschwerpunkt an.
Das Knie führt jedoch eine mehrdimensionale Bewegung im Raum aus, die nur sehr schwer
mathematisch zu beschreiben ist, weshalb auch in Lehrbüchern nur statische Betrachtungen
ausgeführt sind.6
5.3
g-Kraft
„G-Kräfte werden Belastungen genannt, die aufgrund starker Änderung von Grösse und/oder
Richtung der Geschwindigkeit auf den menschlichen Körper, einen Gebrauchsgegenstand
oder ein Fahrzeug einwirken.“7
Ein Körper bewegt sich nach dem Prinzip des Trägheitsgesetzes. Wenn keine äussere Kraft
auf den Körper wirkt, findet keine Bewegung statt. Daher muss bei der Beschleunigung eines
Körpers die Trägheitskraft überwunden werden, da sie entgegengesetzt zu dieser wirken.
Die Grundgleichung der Mechanik besagt, das F=m∗a ist. Die Beschleunigung a ist deshalb
ein Mass für die Trägheit und kann als Vielfaches der Erdbeschleunigung g angegeben werden. Der Basiswert ist: g ≈ 9,81 m/s2.7
Auch während dem Skifahren tritt die g-Kraft auf. Durch äussere Krafteinwirkung während
einer Kurvenfahrt vergrössert sich diese auf den Körper. Je grösser die Geschwindigkeit eines Skifahrers ist, desto grösser ist die g-Kraft. In meinen Messungen wird die resultierende
Kraft Fload gleichgestellt mit der g-Kraft oder dem g-Wert. Das ergibt für diese:
Fload=m∗g∗ x
mit: x=Faktor der g-Kraft
6
Richard, Albert Hans / Kullmer, Gunter (2013): Biomechanik. Grundlagen und Anwendungen auf den menschlichen Bewegungsapparat, S. 179-189
7
Wikipedia (2016). g-Kraft. https://de.wikipedia.org/wiki/G-Kraft (letzter Besuchstag.10.16)
11
Kniebelastungen während des Skifahrens
6 Anatomie des Kniegelenkes
Das Knie ist das grösste Gelenk des menschlichen Körpers. Es verbindet den Oberschenkelknochen (Femur) mit dem Schienbein (Tibia), welches ein Scharniergelenk bildet. Durch
den komplexen Bandapparat wird im gebeugten Zustand eine Rotation des Unterschenkels
ermöglicht. Damit gehört es zu den Drehscharniergelenken. Die Kniescheibe (Patella) ist
ebenfalls am Gelenk beteiligt. Diese bildet
ein zusätzliches Gleitgelenk an der Vorderseite. Zusammengehalten wird das Kniegelenk vor allem durch folgende Bänder:
- die Patellarsehne, welche als Endsehne
des Quatrizepsmuskels (Oberschenkelmuskel) letztendlich vom Hüftknochen und vom
oberen Ende des Femurs über das Kniegelenk
zur
Vorderseite
des
Tibiakopfes
(Schienbeinkopf) führt. In der Patellarsehne
ist die Patella eingelassen, welche dadurch
den Gelenkspalt vor der Sehne schützt und
als Umlenkpunkt die Wirkung des Quatrizepsmuskels unterstützt.
- Das Innenband (mediales Kollateralband) Abbildung 11: Knie von vorn mit transparentem Kniezieht vom inneren Femurkondylus zur Tibia
scheibenband. (© axel kock, Fotolia.com)
und ist fest mit der Gelenkkapsel und dem Innenmeniskus verbunden.
- Das Aussenband (laterales Kollateralband) zieht vom äusseren Femurkondylus zum Fibulaköpfchen (Wadenbeinkopf) ohne Verbindung zur Gelenkkapsel. Im gestreckten Zustand
sind beide Bänder maximal gespannt und es kommt zusätzlich zu einer minimalen Drehbewegung der Tibia, was eine Art Verriegelung und damit knöchernen Stabilisierung in diesem
Zustand bewirkt.
- Das vordere und hintere Kreuzband zieht jeweils von der Innenseite der Femurkondylen
schräg zur Gegenseite am Tibiakopf. Beide Kreuzbänder bilden eine X-Form, egal aus welchem Winkel betrachtet. Bei Beugung des Knies erschlaffen die Kollateralbänder und die
Kreuzbänder übernehmen die Führung und ermöglichen so die Rotation. Der zusätzlichen
dynamischen Stabilisierung des Kniegelenks durch die umgebende Muskulatur zum Schutz
der Kreuzbänder vor Verletzung kommt dabei besondere Bedeutung zu.
Innerhalb der Gelenkkapsel befinden sich noch die beiden Menisken (Aussen- und Innenmeniskus), welche man sich als seitliche Unterlegscheiben zwischen Femur und Tibia vorstellen kann. Sie dienen zur Angleichung der Gelenkflächen und zur Pufferung als bewegli-
12
Kniebelastungen während des Skifahrens
che bindegewebig-faserknorpelige Gebilde. Der Innenmeniskus ist mit dem Innenband verbunden und ist so bei Verletzungen des Bandapparates öfter mitbeteiligt.8
7 Messergebnisse
Alle Messungen wurden mit Slalom- und Riesenslalomski der Marke Stöckli durchgeführt.
Auf dem LASER GS und dem SL FIS Ski befand sich eine Salomonbindung. Der benutzte
Skischuh war ein Salomon XLAB+ für Rennfahrer mit einem Flex von 130. Der Flex gibt die
Härte eines Skischuhs an und wird durch die Temperatur beeinflusst. Er beträgt bei einem
durchschnittlichen Touristenskischuh maximal 100. Die Messungen habe ich alle an mir
selbst durchgeführt. Als Skirennfahrerin treten bei meinem Fahrstil höhere Kräfte auf als bei
Hobbyskifahrern.
7.1
Graphikanalyse
Das folgende Diagramm zeigt anhand welcher Merkmale der einzelnen Achsen eine
Schwungperiode definiert wird und wo sich die drei Schwungphasen in dieser befinden. Die
Dauer eines Schwunges kann abgegrenzt werden durch den Kurvenanstieg und die Kurvenabnahme. Dies hängen von den verschiedenen Achsen ab. Die Y-Achse und Z-Achse zeigt
einen Kurvenanstieg auf und die X-Achse eine Kurvenabnahme am Schwunganfang. Normalerweise würde die X-Achse ein gleiches Verhalten wie die anderen beiden Achsen aufweisen. Die X-Achse bei den Messungen am linken Knie macht dies auch. Die Ausnahme sind
die Messungen am rechten Knie in dieser Achse, was an der Positionierung des Datenloggers liegt. Die Achsen der Messgeräte sind bei beiden Knien in die gleiche Richtung ausgerichtet. Am linken Knie sind diese richtig positioniert und zeigt Richtung Knieaussenseite.
Beim rechten Knie zeigt die X-Achse zur Knieinnenseite, was den Anstieg der Achse ausmacht. Ausserdem sind alle Achsenwerte spiegelverkehrt dargestellt, da die Messgeräte
umgedreht befestigt wurden. Die Nulllinie bei gebeugtem Knie wurde mit einem Winkel von
135° festgelegt. Das heisst, dass die verschiedenen Achsen nicht horizontal und vertikal definiert werden können.
Das Koordinatensystem befindet sich dementsprechend in einer
schrägen Position, wie in Abbildung 3 erkennbar ist.
Die X-Achse zeigt die seitliche Kniebeschleunigung an, die Y-Achse diese nach oben und
die Z-Achse nach vorne. Die Y-Achse zeigt in allen Abbildungen eine grössere g-Kraft im
Minusbereich des Diagrammes an, was eine Beschleunigung nach oben bedeutet. Die Xund Z-Achse haben ähnliche g-Werte. Der Mittelwert Verhält sich immer analog zur Z-Achse.
8
Richard, Hans Albert / Kullmer, Gunter (2013): Biomechanik. Grundlagen und Anwendungen auf den menschlichen Bewegungsapparat, S. 175-179
13
Kniebelastungen während des Skifahrens
X-AchseKnie
Y-AchseKnie
Z-AchseKnie
MittelwertKnie
4
2
Auslösephase
Anzahlg
0
-2
Steuerphase I
-4
-6
-8
Steuerphase II
-10
-12
0
0,25
0,5
0,75
1
Zeit(s)
Abbildung 12: Unterteilung einer Kurve in die verschiedenen Schwungphasen
Während des Skifahrens besteht meistens eine ungleichmässige Kraftverteilung auf beide
Beine. Der Aussenski eines Schwungs wird dabei immer stärker belastet, weshalb jede zweite Kurve des Knies niedrigere Amplituden in allen Achsen hat. Die Aussen- und Innenskibelastung lässt sich anhand der höheren Auslenkungen der G-Werte erkennen.
7.2
Messungen auf Schlägesimulator
Dieser Versuch wurde im Labor durchgeführt. Ausgangslange der Messungen war ein
Schlägesimulator, welcher von der Uni Bern für eine Studie über das Dämpfungsverhalten
verschiedener Personengruppen gebraucht wurde, an der ich auch teilgenommen habe. Die
Teilnehmer mussten in Skischuhen Schläge dämpfen die vorgegeben wurden und währenddessen einen Sehtest ausführen. Die Apparatur erzeugt Schläge in der X-Y-Ebene. Ich montierte meine Datenlogger jeweils links und rechts unterhalb des Knies und konnte so bei der
Durchführung eigene Daten aufnehmen. Die Schläge wurden in drei verschiedenen Geschwindigkeiten vorgegeben und variierten zwischen regelmässigen und unregelmässigen.
Bei der X-Achse ist die Schlagdauer von Tiefpunkt zu Tiefpunkt, da es sich um Messungen
am rechten Bein handelt. Bei den restlichen beiden Achsen und dem Mittelwert ist die
Schlagdauer von Hochpunkt zu Hochpunkt.
Insgesamt konnte ich zwei Messungen in drei verschiedenen Geschwindigkeiten bei regelmässigen und unregelmässigen Schlägen durchführen. Ausgewertet habe ich nur die verschiedenen Geschwindigkeitsstufen bei prädizierbaren Schlägen. Die folgenden Diagramme
zeigen einen zehn-Sekunden-Ausschnitt der etwa 50 Sekunden dauernden Messungen in
drei Geschwindigkeiten (1.2 Hz, 2.4 Hz, 3.6 Hz) bei gleichmässigen Schlägen. Die einzelnen
Schläge sind gut erkennbar. Es ist ein regelmässiges Wellenmuster in den drei Achsen in
14
Kniebelastungen während des Skifahrens
allen Diagrammen sichtbar. Je schneller die Geschwindigkeit ist, desto grösser werden die
Amplituden der einzelnen Achsen. Dies kann anhand des Mittelwertes deutlich abgelesen
werden. Die Amplituden variieren von einer Auslenkung von 0.3g bis 2.5g. Auch ist erkennbar, dass die Y-Achse durchgehend das grösste Ausschlagmaximum hat. Das lässt sich
dadurch erklären, dass das Knie versucht die Schläge mit einer Vorwärtsbewegung abzufedern.
Das folgende Diagramm zeigt eine Messung mit 14 kompletten Schlägen bei langsamer Geschwindigkeit (1.2 Hz) auf. Die Y-Achse hat dabei die grösste Amplitude, darauf folgt die XAchse und zuletzt die Z-Achse. Das lässt sich damit erklären, dass der Simulator das Knie
zu einem bestimmten Dämpfungsverhalten zwingt. Bei dieser Geschwindigkeit erfolgt die
Dämpfung durch Vorwärts- und Aufwärtsbewegungen. Trotz unstabiler Unterlage kann bei
diesem Tempo das Knie soweit kontrolliert stabilisiert werden, dass die Seitwärtsauslenkung
des Knies minimal gehalten werden kann. Der Mittelwert hat eine ähnliche Amplitude wie die
Z-Achse.
X-Achse
2
Y-Achse
Z-Achse
Mittelwert
1,5
1
Anzahlg
0,5
0
-0,5
-1
-1,5
-2
-2,5
10
9,5
9
8,5
8
7,5
7
6,5
6
5,5
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
-3
Zeit(s)
Abbildung 13: Messungen auf Schlägesimulatur mit 1.2 Hz
Bei der mittleren Geschwindigkeit (2.4 Hz) ist ein ähnliches Verhalten des Knies wie in der
Abbildung 12 erkennbar. Es liegt ein gleichmässiges Muster vor. Im Gesamten sind 21 komplette Schläge auf dem Diagramm dargestellt. Das sind 1.5 Mal so viele Schläge wie bei der
tieferen Geschwindigkeit. Die Y-Achse dominiert durchgängig. Die X-Achsen Amplitude ist
ebenfalls grösser geworden und zeigt am Anfang des Schlages einen starken Anstieg der
sich aber schnell wieder zurückbildet. Das erklärt sich durch die schnelle Beschleunigung
des Knies, was ein Reaktionsverzug der Muskulatur bei zunehmender Geschwindigkeit her15
Kniebelastungen während des Skifahrens
vorruft. Die Z-Achse hat im Durchschnitt ein deutlich grösseres Ausschlagmaximum als bei
niedrigerem Tempo und übertrifft damit die X-Achse. Der kurze Anstieg der Z-Kurve am Anfang des Schlages zeigt, dass der Körper versucht, die Schläge zuerst durch eine Vorwärtsbewegung des Knies zu dämpfen und erst danach die Muskelkraft diese Aufgabe übernimmt.
Der Mittelwert verhält sich entsprechend der Messung zuvor ähnlich wie die Z-Achse.
X- Achse
2
Y- Achse
Z- Achse
Mittelwert
1,5
1
0,5
Anzahl g
0
-0,5
-1
-1,5
-2
-2,5
10
9,5
9
8,5
8
7,5
7
6,5
6
5,5
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
-3
Zeit (s)
Abbildung 14: Messungen auf Schlägesimulator mit 2.4 Hz
Das folgende Diagramm zeigt die grösste Geschwindigkeit (3.6 Hz), was deutlich erkennbar
ist mit der hohen Anzahl simulierter Schläge, insgesamt 27 in 10 Sekunden. Die Amplituden
aller Achsen haben sich vergrössert. Am auffälligsten ist die Y-Achse mit ihrer Auslenkung.
Sie sticht sowohl im oberen als auch im unteren Bereich des Diagrammes klar hervor. Auffällig ist das obere Ausschlagmaximum der Achse, welches vorher nicht vorhanden war. Die ZAchse hat weiterhin ein grösseres Ausschlagmaximum als die X-Achse. Durch die Geschwindigkeit nimmt die Trägheit des Körpers weiterhin zu und die Reaktion ab. Der Mittelwert verhält sich wie zuvor analog der Z-Achse.
16
Kniebelastungen während des Skifahrens
X-Achse
2
Y-Achse
Z-Achse
Mittelwert
1,5
1
Anzahl g
0,5
0
-0,5
-1
-1,5
-2
-2,5
10
9,5
9
8,5
8
7,5
7
6,5
6
5,5
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
-3
Zeit (s)
Abbildung 15: Messungen auf Schlägesimulator mit 3.6 Hz
Die Messergebniss der durch den Schlägesimulator erzeugten kontrollierten Bewegungen
zeigen, dass mit den Datenloggern reproduzierbare Messungen durchgeführt werden können. Damit konnte erwartet werden, dass das Messprinzip und die Position der Datenlogger
am Bein auch zu sinnvollen Messergebnissen während des Skifahrens führt. Allerdings können die Schwungbewegung auf dem Simulator und beim Skifahren nur bedingt verglichen
werden, da die Dreidimensionalität beim Skifahren (Bewegung in allen drei Achsen) wesentlich ist. Mit dem Simulator wird in der Z-Achse keine relevante Beschleunigung erfahren.
Maximale Auslenkung:
1.2 Hz
2.4 Hz
3.6 Hz
X-Achse:
0.4g
0.6g
1.4g
Y-Achse:
0.7g
1.7g
3.5g
Z-Achse:
0.3g
0.9g
2.0g
Mittelwert:
0.3g
0.5g
1.8g
17
Kniebelastungen während des Skifahrens
7.3
Freifahren bei harten und weichen Pistenverhältnissen - Slalom
Bei diesem Versuch wurden Messungen während des Freifahrens gemacht. Dabei hat ein
Datenlogger unterhalb des linken und rechten Kniegelenks mit einer Messrate von 100 Hertz
während 8-14 Schwüngen Daten aufgezeichnet. Die Hangneigung der Piste war steil (>40°).
Während zwei Tagen wurden auf der gleichen Piste bei verschiedenen Verhältnissen Daten
erfasst. Am ersten Tag war die Piste eher weich mit einer angefrorenen oberen Schicht, welche aber während des Fahrens immer wieder eingebrochen ist. Am darauffolgenden Tag war
die Pistenbeschaffenheit hart. Definiert wurden die Pistenverhältnissen mit einem Bleistift,
welcher in den Schnee gesteckt wurde. Lies er sich in den Untergrund drücken war die Piste
weich, blieb die Piste jedoch unverändert war sie hart.
Ausgewertet wurden je vier Schwünge am linken und rechten Knie bei weichen und harten
Verhältnisse. Die einzelnen Schwünge sind dabei deutlich abgebildet und verlaufen in der Yund Z-Achse von Kurvenaufschwung zu Kurvenaufschwung und halten eine Periode zwischen zwei Anstiegen an. Durch äussere Einflüsse, die während dem Fahren wirken, sind
die Abbildungen teilweise etwas verfälscht und können Ausreisser beinhalten. Die Abweichungen sind hauptsächlich auf die Pistenverhältnisse und die technischen Fehler des Probanden während des Fahrens zurück zu führen. Die grössten g-Werte sind deshalb nicht
immer am Ende eines Schwunges anzutreffen, sondern auch während dem Belastungsaufbau in der Steuerphase 1. Dadurch unterscheiden sich die Schwünge in der Graphik untereinander. In beiden Diagrammen wird mit einem Rechtsschwung begonnen.
7.3.1
Weiche Pistenverhältnisse
Auf den Abbildungen 16 und 17 sind vier Schwünge bei weichen Verhältnissen mit dem
rechten und linken Knie abgebildet. Die Schwungdauer beträgt etwas mehr als eine Sekunde. Beidseitig ist eine Regelmässigkeit in Form von Wellenlinien erkennbar. Zwischen den
drei Achsen X, Y und Z ist am linken und am rechten Schwung die Amplitude der Y-Achse
deutlich grösser als bei den beiden anderen Achsen. Die Z-Achse hat im Durchschnitt eine
ähnliche Auslenkung wie die X-Achse und ist analog zum Mittelwert. Es gibt jedoch bei der
Z-Achse einige grössere Auslenkungen.
Maximale Auslenkung:
Rechtes Knie
Linkes Knie
X-Achse:
-1.0g bis 3.2g
-2.1g bis 1.8g
Y-Achse:
-15.3g bis 3.0g
-8.3g bis 2.3g
Z-Achse:
-1.0g bis 3.0g
-3.0g bis 1.8g
Mittelwert:
-6.7g bis 1.8g
-4.2g bis 0.9g
18
Kniebelastungen während des Skifahrens
X- Achse re
Y- Achse re
Z-Achse re
Mittelwert re
4
2
0
Anzahl g
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
Zeit (s)
Abbildung 16: Messungen am rechten Knie bei weichen Pistenverhältnissen
X- Achse li
4
Y- Achse li
Z- Achse li
Mittelwert li
2
0
Anzahl g
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
Zeit (s)
Abbildung 17: Messungen am linken Knie bei weichen Pistenverhältnissen
19
Kniebelastungen während des Skifahrens
7.3.2
Harte Pistenverhältnisse
Die folgenden zwei Diagramme zeigen vier Schwünge bei harten Pistenverhältnissen. Es
sind identische Merkmale wie bei weichem Untergrund vorhanden. Die Schwungdauer beträgt ca. eine Sekunde. Die Y-Achse ist im Durchschnitt am dominantesten in ihrer Auslenkung. Darauf folgen die Z-Achse und X-Achse, wobei die der Z-Achse minimal etwas grösser
ist. Der Mittelwert hat eine ähnliche Auslenkung wie die Z-Achse, abgesehen von einigen
Ausnahmen. Während der ganzen Messung ist das Amplitudenmaximum deutlich kleiner als
bei weicher Pistenbeschaffenheit. Auch die Anzahl höherer Amplituden ist kleiner bei harten
Verhältnissen. Durch den harten Untergrund sind weniger Unebenheiten vorhanden und damit auch ein geringere Beeinflussungen der Messungen mit höherer Amplitude möglich.
Maximale Auslenkung:
Rechtes Knie
Linkes Knie
X-Achse:
-1.4g bis 2.1g
-2.0g bis 1.5g
Y-Achse:
-7.6g bis 2.4g
-7.8g bis 2.2g
Z-Achse:
-3.9g bis 3.6g
-3.4g bis 2.7g
Mittelwert:
-2.7g bis 0.6g
-3.0g bis 0.3g
Es zeigt sich, dass die Messwerte des rechten und linken Knies der einzelnen Achsen vergleichbar sind.
X-Achse re
4
Y- Achse re
Z- Achse re
Mittelwert re
2
0
Anzahl g
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
Zeit (s)
Abbildung 18: Messungen am rechten Knie bei harten Pistenverhältnissen
20
Kniebelastungen während des Skifahrens
X- Achse li
4
Y- Achse li
Z- Achse li
Mittelwert li
2
0
Anzahl g
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Zeit (s)
3
3,5
4
4,5
Abbildung 19: Messungen am linken Knie bei harten Pistenverhältnissen
7.4
Messungen im Freifahren - Riesenslalom
Die Messungen wurden bei harten Pistenverhältnissen in Engelberg am Jochpass gemacht.
Der befahrene Hang hatte eine geringe Neigung (<40°). Erfasst wurden Messungen während
des Freifahrens am rechten Skischuh und dem rechten Knie. Ausgewertet wurden allerdings
nur die Messungen am Knie da die anderen keine Bedeutung haben. Die gemessenen
Schwünge zeigen sechs Kurven mit Riesenslalomski auf. Angefangen wurde mit einem links
Schwung, dementsprechend sind die Werte des gemessenen Knies auf dem Aussenski positioniert. Befestigt wurde der Datenlogger direkt unter dem Knie am Tibiakopf. Eine Schwungperiode hält von Kurvenaufschwung zu Kurvenaufschwung in der Y- und Z-Achse an. Bei der
X-Achse wird die Schwungdauer von Abschwung zu Abschwung begrenzt, da es sich um
das rechte Knie handelt. Verfälschungen sind im Diagramm vorhanden und stärker ausgeprägt im Riesenslalom als im Slalom da die Kurvendauer länger ist.
Deutlich ersichtlich ist die grössere Auslenkung der Y-Achsen Amplitude im Vergleich zur XAchse und Z-Achse. Die Schwungdauer beträgt ca. 1.5 Sekunden. Die Schwungabgrenzung
ist nicht so deutlich wie in der Slalomdisziplin erkennbar. Durch die längere Schwungzeit wird
auch der Schwungaufbau in die Länge gezogen und damit auch der Belastungsaufbau der
Kurve. Der Übergang von Schwung zu Schwung ist deswegen von der Amplitudenhöhe her
fliessender. Die Y-Achse hat im Vergleich durchschnittlich die grösste Auslenkung, danach
folgt die Z-Achse, der Mittelwert und zuletzt die X-Achse. Der Mittelwert ist in seinem Verhalten ähnlich wie die Z-Achse. Auffallend ist, dass die Auslenkung in der X-Achse in den grösseren Schwüngen relativ klein ist.
21
Kniebelastungen während des Skifahrens
Maximale Auslenkung:
Rechtes Knie
Y-Achse:
-14.9g bis 6.9g
X-Achse:
-2.0g bis 3.7g
Z-Achse:
-3.8g bis 3.6g
Mittelwert:
-5.8g bis 2.4g
X-Achse re
12
Y-Achse re
Z-Achse re
Mittelwert re
10
8
6
4
Anzahl g
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Zeit (s)
4,5
5
5,5
6
6,5
7
7,5
Abbildung 20: Messungen am rechten Knie
7.5
Messungen am Knie und Skischuh
Dieser Versuch fand auf einer Piste mit geringer Hangneigung (<40°) bei harten Verhältnissen auf dem Jochpass in Engelberg statt. Dabei wurden Messungen während der Fahrt mit
offenen und geschlossenen Skischuhschnallen durchgeführt. Die Schwunganzahl betrug im
Durchschnitt 6-14 aneinandergereihte Schwünge. Dies wurde mit Riesenslalom und Slalom
Skiern auf zwei verschiedenen Pisten umgesetzt. Zwei Datenlogger wurden dabei am rechten Bein angebracht. Ein Messgerät wurde unterhalb des Knies und das zweite über dem
Booster des Skischuhes befestigt. Ausgewertet wurden nur die Slalomfahrten. Die Fahrten
mit den Riesenslalom Skiern wurden zu sehr durch äussere Einflüsse beeinflusst, um eine
klare Aussage zu machen.
Die einzelnen Kurven mit Slalom Ski sind klar erkennbar. Ein Schwung verläuft in der Y- und
Z-Achse von Kurvenaufschwung zu Kurvenaufschwung. In der X-Achse dauert eine Kurvenperiode von Kurvenabnahme zu Kurvenabnahme an, weil es sich um Messungen am rech22
Kniebelastungen während des Skifahrens
ten Knie handelt. Durch Unebenheiten der Piste und der Fahrweise der Versuchsperson traten bei den Schwüngen vereinzelt grosse Auslenkungen auf, die das Gesamtbild verfälschen. Die Graphik beginnt jeweils mit einem Rechtsschwung an, wobei bei der ersten Kurve
dementsprechend die Datenlogger am Innen Ski befestigt waren.
7.5.1
Geschlossene Skischuhschnallen
Die Diagramme zeigen vier Schwünge bei geschlossenen Skischuhschnallen je am Schuh
und am Knie mit Slalomski auf. Die Schwungdauer betrug durchschnittlich eine Sekunde. Es
sind deutliche Unterschiede erkennbar.
Die Y-Achse hat während der Kurvenfahrt am Knie ein viel grösseres Ausschlagmaximum
als die anderen beiden Achsen. Die X- und Z-Achsen sind in ihrem Medianwert der Amplituden ähnlich. Der Mittelwert ist niedrig. Er ist analog zur Z-Achse.
12
X-Achse Knie
Y-Achse Knie
Z-Achse Knie
Mittelwert Knie
0,5
1,5
2,5
3,5
10
8
6
4
Anzahl g
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
0
1
2
Zeit (s)
3
4
Abbildung 21: Messungen am Knie mit geschlossenen Skischuhschnallen
Am Ski Schuh ist der Unterschied zwischen den Amplituden der verschiedenen Achsen weniger extrem ausgeprägt. Das liegt daran, dass der Fuss in einer festen Schale steckt und
bei geschlossenen Schnallen in allen drei Achsen eine ähnliche Bewegungsfreiheit hat. Auffällig ist die Auslenkungsdichte der grösseren Amplituden, welche beim Skischuh deutlich
grösser ist. Im Durchschnitt hat die Y-Achse das grösste Ausschlagmaximum, danach die ZAchse und die X-Achse und zuletzt folgt der Mittelwert, welcher ähnlich der Z-Achse verläuft.
Das sind deutlich grössere gemessene Werte der seitlichen und vertikalen Bewegung des
Skischuhes verglichen mit dem Knie.
23
Kniebelastungen während des Skifahrens
Maximale Auslenkung:
Knie
Skischuh
X-Achse:
-4.5g bis 3.4g
-15.5g bis 8.2g
Y-Achse:
-15.5g bis 5.8g
-15.5g bis 8.2g
Z-Achse:
-4.4g bis 2.3g
-10.0g bis 7.1g
Mittelwert:
-5.4g bis 1.8g
-7.0g bis 4.3g
X-Achse Schuh
12
Y-Achse Schuh
Z-Achse Schuh
Mittelwert Schuh
2,5
3,5
10
8
6
4
2
Anzahl g
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
0
0,5
1
1,5
2
Zeit (s)
3
4
Abbildung 22: Messungen am Skischuh mit geschlossenen Skischuhschnallen
7.5.2
Offene Skischuhschnallen
Die folgenden zwei Diagramme zeigen vier Schwünge bei offenen Skischuhen am Skischuh
und Knie bei der Fahrt mit Slalom Skiern. Die vier Schwünge sind wieder klar erkennbar anhand des regelmässigen Wellenmusters. Beide Graphiken unterschieden sich deutlich voneinander. Die Schwungdauer am Knie beträgt ca. 1.25 Sekunden und die des Skischuhes
nur etwa eine Sekunde.
Am dominantesten sind die Unterschiede in der Y-Achse. Die anderen Werte haben im
Durchschnitt eine deutlich kleinere Amplitude. Die Z-Achse ist im Durchschnitt der Auslenkung der X-Achse und dem Mittelwert sehr ähnlich. Bei den Kurven zwei und vier ist das
gemessene Knie das des Aussenskis. Die Y-Achse hat dabei eine deutlich höhere Auslenkung als die anderen beiden Achsen, was sich auch am Mittelwert erkennt lässt.
24
Anzahl g
Kniebelastungen während des Skifahrens
X-Achse Knie
Y-Achse Knie
Z-Achse Knie
Mittelwert Knie
0,5
1,5
2,5
3,5
12
10
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
0
1
2
3
4
Zeit (s)
Abbildung 23: Messungen am Knie mit offenen Skischuhschnallen
Das Ausschlagmaximum ist beim Skischuh über alle Achsen ähnlicher als bei der Messung
am Knie. Es sind mehr Amplituden mit grösserer Auslenkung vorhanden. Die grössten
Amplituden hat im Durchschnitt die Y-Achse, danach folgen die andere Achsen. Der Mittelwert ist analog zur Z-Achse.
X-Achse Schuh
12
Y-Achse Schuh
Z-Achse Schuh
Mittelwert Schuh
2,5
3,5
10
8
6
4
Anzahl g
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
0
0,5
1
1,5
2
3
4
Zeit (s)
Abbildung 24: Messungen am Skischuh mit offenen Skischuhschnallen
25
Kniebelastungen während des Skifahrens
Maximale Auslenkung:
Knie
Skischuh
X-Achse:
-3.6g bis 4.6g
-10.1g bis 11.2g
Y-Achse:
-15.4g bis 6.8g
-13.1g bis 9.1g
Z-Achse:
-3.3g bis 3.1g
-11.7g bis 7.3g
Mittelwert:
-5.6g bis 2.1g
-7.8g bis 8.8g
7.6
Messungen in vorgegebenen Radien - Riesenslalom
Durchgeführt wurden die Messungen in vorgegebenen Radien mit Richtungswechsel und
unterschiedlichen Hangneigungen (>40°) mit Riesenslalomskiern. Die Datenlogger wurden
unterhalb beider Knie angebracht. Die folgenden Diagramme zeigen die Auswertungen der
Messungen in Gstaadt im Gebiet Wasserngrat. Während zwei Trainingseinheiten an zwei
nacheinander folgenden Tagen konnten bei drei der fünf Läufe an beiden Knien Daten aufgezeichnet werden. Ausgewertet wurden die Messungen des zweiten Tages.
Die zwei Diagramme zeigen den Unterschied zwischen dem linken und rechten Bein anhand
von insgesamt 32 Schwünge. Ein Schwung kann von Kurvenanstieg zu Kurvenanstieg abgegrenzt werden, ausser bei der X-Achse des rechten Knies von Kurvenabnahme zu Kurvenabnahme. Ein regelmässiges Muster ist vorhanden. Die Schwungdauer beträgt um die
1.5 Sekunden. Anhand beider Graphiken ist die Hangbeschaffenheit erkennbar. Die Strecke
kann in vier Abschnitte aufgeteilt werden. Der Start befindet sich an einer der steilsten Stellen des Laufes (t= 0 bis 12), weshalb auch die grossen Amplituden aller Achsen, vor allem
der Y-Achse, auftreten. Danach verläuft die Strecke in ein flacheres Teilstück (t= 12 bis 22),
was durch die Abnahme der Auslenkung erkennbar ist. Es folgte der Übergang in ein kurzes
Steilstück (t= 22 bis 34), was der Anstieg der Amplitudenwerte deutlich aufzeigt. Das steile
Gelände leitete in ein Flachstück über (t=34 bis 50). Die erneute Abnahme der G-Kraft zeigt
dies auf. Über die ganze Strecke hinweg ist erkennbar, dass der Hang leicht nach rechts
abfällt, vor allem am Start und das zweite Steilstück mit dem Übergang in das letzte Teilstück. Dies erklärt die grosse Auslenkung der Linksschwünge beim rechten Knie. Aber auch
auf dem linken Knie ist dies bemerkbar, jedoch weniger ausgeprägt, da es sich dann jeweils
um den Innenski handelt. Insgesamt erkennt man im Lauf eine klare Ausprägung der YAchse. Die restlichen Werte haben eine sichtbar kleinere Amplitude, wobei die der Z-Achse
grösser ist als die der X-Achse. Der Mittelwert verhält sich von seiner Auslenkung her vergleichbar wie die Z-Achse.
26
Kniebelastungen während des Skifahrens
Maximale Auslenkung:
Rechtes Knie
Linkes Knie
X-Achse:
-10.8g bis 11.2g
-6.4g bis 6.7g
Y-Achse:
-15.4g bis 15.0g
-15.7g bis 14.9g
Z-Achse:
-9.0g bis 8.9g
-10.7g bis 6.7g
Mittelwert:
-8.8g bis 5.9g
-8.6g bis 6.5g
16
X- Achse re
Y- Achse re
Z-Achse re
Mittelwert re
12
8
Anzahl g
4
0
-4
-8
-12
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
-16
Zeit (s)
Abbildung 25: Messungen in vorgegebenen Riesenslalomradien am rechten Knie
27
Kniebelastungen während des Skifahrens
X- Achse li
16
Y- Achse li
Z- Achse li
Mittelwert li
12
8
Anzahl g
4
0
-4
-8
-12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
-16
Zeit (s)
Abbildung 26: Messungen in vorgegebenen Riesenslalomradien am linken Knie
Die folgenden Abbildungen 27 und 28 zeigen den Unterschied zwischen dem ersten und
dem vierten Lauf am linken Knie auf. Gefahren wurden diese mit einer Zeitdifferenz von einer
Stunde. In dieser Zeitperiode wurde der Lauf von mehreren Fahrern befahren, was im
Durchschnitt zu ca. 35 Durchfahrten führte. Anhand der unteren Diagramme kann man erkennen, welche Auswirkungen die Pistenverhältnisse auf den Körper, insbesondere das Knie
haben. Es ist eine deutliche Vergrösserung der Amplituden aller Achsen erkennbar, vor allem die der Y-Achse. Die Anzahl der grösseren Auslenkung ist gestiegen. Während die maximal gemessenen Werte der Y-Achse nicht wesentlich voneinander abweichen, zeigt sich,
dass die unruhigere Piste einen grösseren Einfluss auf die Maximalwerte der X- und Z-Achse
hat. Auch ist kein progressiver Anstieg der Amplituden im vierten Lauf erkennbar, der durch
einen gleichmässigen Belastungsaufbau entsteht. Anhand der maximalen Auslenkung ist der
Unterschied zwischen beiden Läufen nur leicht erkennbar, da vor allem die Messungen der
Y-Achse beim ersten Lauf durch unkontrollierte äussere Einflüsse beeinflusst wurde.
Maximale Auslenkung:
Erster Lauf
Vierter Lauf (+1 Stunde)
X-Achse:
-6.5g bis 8.8g
-10.9g bis 7.9g
Y-Achse:
-15.8g bis 14.0g
-15.8 g bis 14.8g
Z-Achse:
-8.9g bis 6.4g
-10.6g bis 8.0g
Mittelwert:
-7.9g bis 3.7g
-8.5g bis 5.5g
28
Kniebelastungen während des Skifahrens
16
X-Achse 1. Lauf
Y-Achse 1. Lauf
Z-Achse 1. Lauf
Mittelwert 1. Lauf
12
8
Anzahl g
4
0
-4
-8
-12
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
-16
Zeit (s)
Abbildung 27: Messungen des 1. Laufs in vorgegebenen Riesenslalomradien am Knie
16
X-Achse 4. Lauf
Y-Achse 4. Lauf
Z-Achse 4. Lauf
Mittelwert 4. Lauf
12
8
Anzahl g
4
0
-4
-8
-12
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
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Zeit (s)
Abbildung 28: Messungen des 4. Laufs in vorgegebenen Riesenslalomradien am Knie
29
Kniebelastungen während des Skifahrens
8 Diskussion
Die Ergebnisse meiner Messungen zeigen grosse g-Kräfte in allen Achsen auf. Es ist ausserdem erkennbar, wie die G-Kräfte durch die verschiedenen Einflussfaktoren beeinflusst
werden.
8.1
Untersuchung bei verschiedenen Schwungradien
Die Differenz der g-Werte bei Riesenslalom- und bei Slalomschwüngen ist nur minimal. Die
Summe der maximalen Ausschläge des negativen und positiven Bereiches der Abbildung 20
und 21, ergibt im Vergleich grössere g-Werte im Riesenslalom, die zwischen 0.5g und 2.2g
variieren. Diese sind allerdings nur minimal. Einzige Ausnahme ist die X-Achse in ihrer negativen Auslenkung. Diese hebt sich von diesem Schema ab, allerdings nur wegen einer deutlich höheren Amplitude, die sich von der zweithöchsten Amplitude der Achse um 2.7g abweicht. Wahrscheinlich entstand diese Unregelmässigkeit der Messung durch die äusseren
Einflüsse des Pistenuntergrundes. Ohne diese Amplitude wäre die Summendifferenz nur bei
maximal 1g. Ausserdem sind die g-Werte aller Achsen über der Null-Achse im Riesenslalom
grösser. Die Auslenkungen verhalten sich in den Riesenslalomschwüngen also gleichmässiger um den Null-Punkt herum.
Die kleinen Unterschiede können durch verschiedene Schwungdauern erklärt werden.
Dadurch wird der gleiche Bewegungsablauf mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausgeführt. Es wird also in kürzerer Zeit eine grössere Beschleunigung, die auf den Körper und
das Knie wirkt, erzeugt. Man muss allerdings beachten, dass der Fahrer auf den Riesenslalomski wesentlich schneller unterwegs ist als auf den Slalomskiern. So gesehen sind die gKräfte beachtlich hoch, die während eines Slalomschwungs wirken.
Das die Beschleunigung des Knies in alle Achsen im Riesenslalom immer grösser ist, wäre
aber eine gewagte Aussage. Der Unterschied war bei den Messungen nur minimal, zur Bestätigung müssten mehr Messungen analysiert werden.
8.2
Untersuchung bei unterschiedlicher Pistenbeschaffenheit
Die verschiedenen Messungen bei weichen und harten Pistenverhältnissen zeigen klare Unterschiede der g-Werte der drei Achsen auf. Auffallend ist, dass bei der härteren Pistenbeschaffenheit die maximalen g-Werte des linken und rechten Knies im positiven und negativen
Bereich der Diagramme summiert zu den exakt gleichen Ergebnissen führt, mit einziger
Ausnahme der Z-Achse. Diese weisst eine Differenz von 1.4g auf. Bei den weichen Verhältnissen variiert der Unterschied der Summe zwischen links und rechts von 0.8 bis 7.7g. Auch
ist bei diesen Verhältnissen die erfasste Beschleunigung des rechten Knies grösser als beim
linken, mit Ausnahme der Z-Achse.
30
Kniebelastungen während des Skifahrens
Die g-Werte bei weicher Piste sind insgesamt deutlich grösser. Einzige Abweichung bildet
die Z-Achse. Sie erfasst Beschleunigungsbewegung des Knies nach vorne. Bei harten Verhältnissen ist diese bis zu 2g grösser im negativen Bereich des rechten Knies und ca. 1g
grösser als im positiven Bereich des linken Knies. Mit Ausnahme der Z-Achse sind die gKräfte in den beiden anderen Achsen bei weicher Pistenbeschaffenheit deutlich grösser. Die
Amplituden zeigen dabei in beiden Richtungen grössere Werte auf.
Erklären lässt sich das Ganze durch die zunehmend unruhigere Beschaffenheit der Piste,
hervorgerufen durch weicher werdenden Schnee. Die äusseren Einflüsse nehmen zu und
führen zu unkontrollierbaren Beschleunigungen. Dabei kommt es zu grösseren maximalen
Ausschlägen und einer grösseren Dichte der höheren Amplituden bei weichen Pistenverhältnissen als bei harten. Dies trifft in der Y-Achse zu, welche die Verlängerung des Unterschenkels darstellt und in der X-Achse, welche die Seitwärtsauslenkung darstellt. Die Vorwärtsbeschleunigung des Knies wird durch die Z-Achse dargestellt und ist bei härteren Verhältnissen
grösser. Diese Aussage kann anhand der Messergebnisse bestätigt werden. Man kann annehmen, dass dies durch die grössere Kraftaufwendung und Einwirkung entsteht, welche
das Knie durch einen extremeren Winkel erreichen muss um die gleichen Kurvenradien fahren zu können. Es ist annehmbar, dass die g-Werte in vorgegebenen Radien weiter zunehmen würden und sich das Knie bei gleichen Verhältnissen ähnlich verhalten würde.
8.3
Untersuchung zum Einfluss des Skischuhs
Die Messungen wurden bei offenen und geschlossenen Skischuhschnallen durchgeführt.
Der geöffnete Skischuh soll einen Skischuh mit weichem Härteflex simulieren, der normalerweise im Breitensport getragen wird. Der geschlossene Skischuh zeigt die Beschleunigung
bei einem Rennschuh an. Die g-Werte, welche dabei auf den Skischuh wirken, sind bei dem
Versuchen mit geöffneten Schnallen im negativen Bereich der Diagramme minimal grösser.
Das trifft auf die X- und Z-Achse zu, die vom rechten Knie aus betrachtet einer Auslenkung
nach innen und hinten entspricht. Sie erreichen einen grösseren g-Wert von 0.9g und 1.7g.
Die Y-Achse ist bei geschlossenem Skischuh um 2.4g grösser als bei geöffnetem über und
unter der Null-Achse. Die maximale Auslenkung im positiven Bereich der Graphiken ist bei
allen Achsen grösser und variiert zwischen 0.2g und 1.9g.
Die Beschleunigung an beiden Knien verglichen verhält sich ähnlich wie die der Skischuhe.
Im negativen Bereich der Diagramme haben alle Achsen bei geöffneten Schnallen eine
grössere Auslenkung von 0.1g und 1.1g. Eine grössere Auslenkung über alle Achsen verteilt
ist auch im positiven Bereich der Diagramme sichtbar und beträgt zwischen 0.8g und 1g.
Das bedeutet für einen Hobbyskifahrer, welcher in Bezug auf die im Skifahren gebrauchte
Muskulatur eine niedrigere Ausprägung hat als ein trainierter Rennfahrer, ein erhöhtes Verletzungsrisiko allein durch die höher wirkenden Kräfte bei einem flexibleren Skischuh.
31
Kniebelastungen während des Skifahrens
Die Beschleunigung des Knies und des Skischuhs in geschlossenem Zustand ergeben grosse Differenzen. Der Skischuh weisst dabei über alle Achsen eine grössere Beschleunigung
auf, ausser im negativen Bereich der Y-Achse, diese ist identisch. Ansonsten variiert der
Wert im minus Bereich maximal bis 6.6g und im positiven Bereich bis 4.9g. Im positiven Bereich ist die maximale Auslenkung in der Y-Achse am kleinsten.
Im offenen Zustand verhält sich das Knie und der Skischuh ähnlich wie im geschlossenen
Zustand. Es sind wieder grosse Differenzen der X- und Z-Achse vorzufinden von bis zu -8.4g
und +6.6g vom Skischuh zum Knie. Die Unterschiede der Y-Achse fallen mit 0.9g etwas
geringer im positiven Bereich der Graphiken aus. Erstaunlich ist allerdings, dass das Knie im
negativen Bereich grössere Beschleunigungen von bis zu 2.3g aufweisst. Wahrscheinlich
entsteht diese Beschleunigung durch den kleineren Halt der Ferse. Dadurch ist die Bewegungsfreiheit des Knies nach oben viel grösser.
Klar sichtbar ist, dass bei offenen Skischuhschnallen die Stabilität des Knies in der seitwärts
und vertikalen Achse reduziert wird und dadurch die Beweglichkeit dessen zunimmt. Die
Bewegungen des Knies sind unkontrollierter. Ein komfortabler weicher Skischuh ist zwar
angenehmer zu tragen, birgt aber gleichzeitig das Risiko der Destabilisierung des Knies und
damit höherer wirkender Kräfte. Warum das Knie eine kleinere Beschleunigung als der Skischuh aufweisst lässt sich durch die nähere Position zur Piste erklären. Der Abstand zwischen Ski und Skischuh wird im Rennsport möglichst geringgehalten, um eine bessere
Kraftübertragung des Körpers zum Material zu ermöglichen. Da meine Versuche mit Material
gemessen wurden, welches im alpinen Rennsport gebraucht wird, trifft dies zu. Die Kräfte,
welche durch die Bewegungen des Körpers und der Piste auf das Knie wirken, werden teils
vom Skischuh absorbiert.
8.4
Untersuchung bei vorgegebenen Schwungradien
Verschiedene Neigungen des Hanges wirken sich auch auf den Körper aus, sei es durch
eine unterschiedliche Neigung nach unten oder seitwärts. Der Einfluss beider Merkmale ist
deutlich anhand der Messungen im Lauf ersichtlich.
Im Vergleich der rechten und linken g-Werte sind trotz einem leicht nach rechts hängenden
Hang keine grossen Differenzen ersichtlich, ausser die der X-Achse. Die Unterschiede zwischen der Y- und Z-Achse sind entweder identisch oder haben eine Differenz der Summe
des positiven und negativen maximalen Ausschlages von 0.5g. Es ist dabei keine Verschiedenartigkeit des linken und rechten Knies erkennbar, ausser das die Frequenz der Schwingungen mit den höheren Amplituden bei Rechtsschwüngen deutlich grösser ist. Die X-Achse
hingegen zeigt eine Abweichung der beiden Summen an beiden Knien von 8.9g gleichmässig in beide Richtungen des Diagrammes verteilt. 4.4g grösser ist die Beschleunigung nach
oben hin und 4.5g nach unten in Richtung des Bodens. Das sind erhebliche Unterschiede,
32
Kniebelastungen während des Skifahrens
die sich nur durch die Hangneigung erklären lassen. Da der Linksschwung bei abfallender
Neigung gefahren wurde, ist das rechte Knie über dem Aussenski. Bei gleichem Kurvenradius, aber grösserer Hangneigung muss der Aufkantwinkel vergrössert und mehr Kraft aufgewendet werden. Um eine Vergrösserung des Aufkantwinkels zu erreichen wird der Winkel
zwischen dem Knie und der Pistenunterlage verkleinert, siehe Kapitel 5.1.
Unruhige Pistenverhältnisse bewirken eine klare Vergrösserung der g-Kräfte. Die Schläge
auf das Knie, welche beispielsweise durch Gräben bei vorgegebenen Radien entstehen,
haben auf alle Achsen Wirkung. Dies zeigen die Abbildungen 27 und 28 auf. Die maximale
Amplitude im minus und plus Bereich ist in der Y-Achse fast identisch. Unterschiede sind in
der X- und Z-Achse zu erkennen, bei denen im vierten Lauf die Summe der maximalen Ausschläge im positiven und negativen Bereich der Diagramme um mehr als 3g grösser ist. Dabei haben sich die g-Werte der Z-Achse in beiden Bereichen um mehr als 3g vergrössert. In
der X-Achse ist die Zunahme vorwiegend im negativen Bereich aufgetreten. Das heisst, das
eine grössere Beschleunigung vom linken Knie aus betrachtet nach aussen wirkt. Die gWerte sind grösser, wenn sich das gemessene Knie über dem Aussenski des Schwungs
befindet. In diesem Fall währe dies ein rechts Schwung. Die grosse Auslenkung der X-Achse
im
negativen
Bereich
zeigt also
eine
erhöhte
Beschleunigung
in
Richtung
des
Schwungäusseren. Die Messungen zeigen, dass sich bei vielbefahrener Piste die g-Werte
nach vorn und hinten, sowie die Seitwärtsauslenkungen deutlich vergrössert haben. Der Einfluss der Piste ist daher sehr gross. Unkontrollierbare Beschleunigungen der X- und Z-Achse
können nur anhand der Muskulatur abgefedert und stabilisiert werden.
8.5
Verletzungsrisiko des Knies während des Skifahrens
Im Skisport ist die Verletzungsgefahr am Knie sehr hoch sobald gleichzeitig bei hoher
Krafteinwirkung eine Rotation des Kniegelenkes vorliegt. Die Wirkung der Rotation konnte
ich mit meinen Messungen natürlich nicht aufzeigen. Eine Studie des Oslo Sports Trauma
Research Center hat anhand von Videoaufnahmen aus mehreren Winkeln herausgefunden,
dass die meisten vorderen Kreuzbandverletzungen durch Kniekompression, Knierotationen
und durch die Wegführung des Drehmomentes entstehen. Durch eine Vergrösserung des
Bewegungswinkels des Knies in sehr kurzer Zeit und eine Rotation des Knies ist die Muskulatur nicht mehr fähig, die Kräfte aufzunehmen.9 Meine Messungen zeigen diese Krafteinwirkung anhand der Beschleunigungsmessungen auf. Eine grosse Krafteinwirkung auf das Knie
ist in allen Achsen immer vorhanden, ausser am Beginn der Kurvenfahrt. Das Risiko einer
9
Bere, Tone et. all (2013). Oslo: Oslo Sports Trauma Research Center, Kinematics of Anterior Cruciate Ligament
Ruptures in World Cup Alpine Skiing.
http://www.klokavskade.no/upload/Publication/Bere_2013_AJSM_Kinematics%20of%20ACL%20ruptures%20in%
20World%20Cup%20skiing.pdf
33
Kniebelastungen während des Skifahrens
Verletzung am Knie ist also in jeder Kurve vorhanden. Durch gezieltes Muskeltraining kann
versucht werden, dem hohen Verletzungsrisiko entgegen zu wirken.
Bei eindimensionalen Bewegungen können alle Bänder grosse Kräfte aushalten. Vor allem
die Y-Achse zeigt dort beachtliche Werte auf, was alleine jedoch zu keiner Verletzung führt.
Auch die Y-Achse hat keinen grossen Einfluss auf Verletzungen. Die X-Achse, welche durch
die Seitenbänder stabilisiert wird, kann durch Beeinflussung unkontrollierter Beschleunigungen eine Rotationsbewegung zustande kommen. Die Seitenbänder sind in gebeugten Zustand nicht gespannt, was eine Rotation des Kniegelenkes ermöglicht. Wenn die Bewegung
eine Mehrdimensionalität erhält, wird die fehlende Stabilität der Bänder zusätzlich durch die
Muskelkraft kompensiert. Das ist aber nur bis zu einem gewissen Grad möglich ist. Die
Muskeln schützen und stärken das Knie hinsichtlich der Stabilität. Im Skisport ist das Krafttraining deshalb ein wichtiger Faktor, um das Verletzungsrisiko des Knies zu minimieren. Ein
wichtiger Aspekt ist aber, eine Dreidimensionalität in das Training des Muskelaufbaus am
Knie einzubauen. Während des Skifahrens finden keine eindimensionalen Belastungen statt.
Was würde es also für einen Sinn machen, nur statische Übungen zu trainieren? Natürlich
muss eine gewisse Muskelkraft vorhanden sein, um der Belastung während des Fahrens
standzuhalten. Genau so wichtig ist es die Kniestabilität durch gezielte Übungen in allen Bewegungsrichtungen zu verbessern, wie beispielsweise durch Training auf unstabilen Unterlagen oder Joggen im Sand. Dadurch werden die Muskeln in allen Dimensionen trainiert.
Da dieses spezifische Training im Breitensport praktisch nicht stattfindet, treten Verletzungen
des Knies, bezogen auf die Anzahl Skifahrer bzw. Skistunden, dort häufiger auf. Es ist sicher, dass die Kräfte, welche auf den Rennsportler während des Skifahrens wirken, deutlich
höher sind, als die, welche auf einen Hobbyskifahrer wirken. Alleine der Fahrstil eines wettkampforientierten Skifahrers verursacht einen grösseren Kurveninnenlagewinkel und eine
höhere Geschwindigkeit, was zu grösseren Belastungen führt, siehe Kapitel 5.2.
Was ich nicht erklären konnte, ist die Verzögerung des am linken Knie befestigten Datenloggers zum rechten. Die Differenz beträgt ca. 0.5 Sekunden. Meine Vermutung wäre, dass
diese durch meinen Fahrstil zustande kommt. Da ich Ende 2012 eine offene Schienbein- und
Wadenbeinfraktur am linken Unterschenkel hatte, könnte dies ein möglicher Grund der Abweichungen sein. Dies würde auch zeigen, wie lange der Körper braucht um sich von einer
Verletzung vollständig zu erholen. Möglichkeiten um dieses Thema noch weiter zu analysieren wären Messungen an ehemaligen verletzten und unverletzten Rennsportlern. Wären
Unterschiede vorhanden könnte man solche Messungen auch zur Optimierung des Fahrstils
benutzen? Weiterhin wären Messungen bei Rennsportlern im Vergleich zu Hobbyskifahrern
interessant um die Unterschiede der Belastungskräfte genauer zu ermitteln.
34
Kniebelastungen während des Skifahrens
9 Schlusswort
Mit den Messungen konnte gezeigt werden, welche Kräfte in die verschiedenen Bewegungsrichtungen des Knies wirken. Im freien Fahren werden Belastungen im Mittel am Knie vom
bis zum Dreifachen des Körpergewichts gemessen. In vorgegebenen Radien treten noch
grössere Kräfte auf, die bis zum Zwei- bis Dreifachen dieses Wertes gemessen wurden. Um
präventiv zu trainieren, ist es äusserst wichtig die Kniestabilität in allen Bewegungsrichtungen zu trainieren. Reines Krafttraining alleine reicht nicht. Es muss spezifisch auf diese sich
schnell ändernden hohen Kräfte hin trainiert werden.
35
Kniebelastungen während des Skifahrens
10 Literaturverzeichnis
Bere, Tone et. all (2013): Oslo. Oslo Sports Trauma Research Center, Kinematics of Anterior
Cruciate Ligament Ruptures in World Cup Alpine Skiing.
http://www.klokavskade.no/upload/Publication/Bere_2013_AJSM_Kinematics%20of%20ACL
%20ruptures%20in%20World%20Cup%20skiing.pdf
Gollhofer, Albert / Müller, Erich (2009): Handbuch Sportbiomechanik. Fortbewegung auf
Schnee: Ski Alpin, S.436-441
MSR (2016). MSR165: Datenlogger für Schock und Vibration.
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Läuppi, Peter / Spörri, Jörg (2014): Swiss-Ski: Ski-Alpin Racing-Konzept. Anhang: Methoden
im Techniktraining, S. 61-62
Richard, Hans Albert / Kullmer, Gunter (2013): Biomechanik. Grundlagen und Anwendungen
auf den menschlichen Bewegungsapparat, S. 175-189
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Wikipedia (2016). Hertz (Einheit). https://de.wikipedia.org/wiki/Hertz_(Einheit) (letzter Besuchstag.10.2016)
36
Kniebelastungen während des Skifahrens
11 Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Titelbild; Position der Messsensoren am Bein .................................................... 2
Abbildung 2: Datenlogger mit Messachsen .............................................................................. 4
Abbildung 3: Position der Messsensoren am Knie beidseitig ................................................... 5
Abbildung 4: Detailansicht Position Datenlogger ..................................................................... 5
Abbildung 5 Schlägesimulator mit Versuchsperson ................................................................. 6
Abbildung 6: Kräftedreieck in der Schrägfahrt .......................................................................... 8
Abbildung 7: Kräftedreieck am Hang ....................................................................................... 8
Abbildung 8: Hangneigungswinkel α und Fahrtrichtungswinkel β bei der Schrägfahrt............. 9
Abbildung 9: Dynamisches Gleichgewicht beim Schwingen .................................................. 10
Abbildung 10: Auf den Skifahrer einwirkende Kräfte während der Kurvenfahrt ..................... 10
Abbildung 11: Knie von vorn mit transparentem Kniescheibenband ...................................... 12
Abbildung 12: Unterteilung einer Kurve in die verschiedenen Schwungphasen .................... 14
Abbildung 13: Messungen auf Schlägesimulatur mit 1.2 Hz .................................................. 15
Abbildung 14: Messungen auf Schlägesimulator mit 2.4 Hz .................................................. 16
Abbildung 15: Messungen auf Schlägesimulator mit 3.6 Hz .................................................. 17
Abbildung 16: Messungen am rechten Knie bei weichen Pistenverhältnissen ...................... 19
Abbildung 17: Messungen am linken Knie bei weichen Pistenverhältnissen ......................... 19
Abbildung 18: Messungen am rechten Knie bei harten Pistenverhältnissen ......................... 20
Abbildung 19: Messungen am linken Knie bei harten Pistenverhältnissen ............................ 21
Abbildung 20: Messungen am rechten Knie ........................................................................... 22
Abbildung 21: Messungen am Knie mit geschlossenen Skischuhschnallen .......................... 23
Abbildung 22: Messungen am Skischuh mit geschlossenen Skischuhschnallen ................... 24
Abbildung 23: Messungen am Knie mit offenen Skischuhschnallen ...................................... 25
Abbildung 24: Messungen am Skischuh mit offenen Skischuhschnallen ............................... 25
Abbildung 25: Messungen in vorgegebenen Riesenslalomradien am rechten Knie .............. 27
Abbildung 26: Messungen in vorgegebenen Riesenslalomradien am linken Knie ................. 28
Abbildung 27: Messungen des 1. Laufs in vorgegebenen Riesenslalomradien am Knie ....... 29
Abbildung 28: Messungen des 4. Laufs in vorgegebenen Riesenslalomradien am Knie ....... 29
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Kniebelastungen während des Skifahrens
12 Glossar
Amplitude:
„Amplitude ist ein Begriff aus der Mathematik, sowie aus der Physik und Technik zur Beschreibung von Schwingungen. Er ist anwendbar bei Größen wie beispielsweise einer
Wechselspannung und deren Verlauf über der Zeit. Dabei wird er definiert als die maximale
Auslenkung einer sinusförmigen Wechselgröße aus der Lage des arithmetischen Mittelwertes.“10
Datenlogger:
„Ein Datenlogger ist eine prozessorgesteuerte Speichereinheit, welche Daten in einem bestimmten Rhythmus über eine Schnittstelle aufnimmt und auf einem Speichermedium ablegt.“11
Hertz:
„Das Hertz (mit dem Einheitenzeichen Hz) ist die abgeleitete SI-Einheit für die Frequenz. Sie
gibt die Anzahl sich wiederholender Vorgänge pro Sekunde in einem periodischen Signal
an.“12
10
11
12
Wikipedia (2016). Amplitude. https://de.wikipedia.org/wiki/Amplitude (letzter Besuchstag.10.16)
Wikipedia (2016). Datenlogger. https://de.wikipedia.org/wiki/Datenlogger (letzter Besuchstag.10.16)
Wikipedia (2016). Hertz (Einheit). https://de.wikipedia.org/wiki/Hertz_(Einheit) (letzter Besuchstag.10.16)
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Kniebelastungen während des Skifahrens
13 Redlichkeitserklärung
„Ich erkläre hiermit, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig und nur unter Benutzung
angegebener Quellen verfasst habe, dass ich auf eventuelle Mithilfe Dritter in der Arbeit
ausdrücklich hinweise, dass ich vorgängig die Schulleitung und die betreuende Lehrperson
informiere,wennichdieseMaturaarbeitbzw.TeileoderZusammenfassungendavonveröffentlichenwerdesowieKopiendieserArbeitzurVerbreitunganDritteaushändigenwerde.“
Datum
TheaWaldleben
39

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