Biomechanik des menschlichen Bewegungsapparates

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5
Biomechanik des
menschlichen
Bewegungsapparates
Aus mechanischer Betrachtungsweise kann
der menschliche Bewegungsapparat in zwei
große Komplexe gegliedert werden: den passiven und den aktiven Teil.1
Als passiv werden alle Bausteine gewertet,
die eine Stütz-, Bewegungs- und/oder Kraftübertragungsfunktion haben. Der aktive Teil
wird ausschließlich durch die Bewegung erzeugenden Muskeln gebildet. In dieser Betrachtung werden die inneren Organe, das
Herz-Kreislauf-System sowie das Nervensys-
tem ausgeblendet, obwohl sie durchaus eine
wesentliche Bedeutung für Bewegungen haben.
Donskoi (1975, S. 32) schreibt dem Bewegungsapparat nachfolgende Funktionen zu:
ü Energieursprung
ü Mechanismus der Übertragung von
Kräften
ü Bewegungsobjekt
ü Steuerungssystem
Teilsystem
Funktion
Mechanische
Eigenschaften
Material in der
Technik
Knochen
Stützelemente
druck-, zug-, biegeund scherfest
Hartholz
Faserknorpel
Stützelemente
druckfest, elastisch,
stoßdämpfend
Hartgummi
hyaliner Knorpel
Gelenke
minimale Reibung
Kugellager
Synovialflüssigkeit
Schmierung
minimale Reibung
Öl
Bänder
Gelenkführung
zugfest
Seil
Sehnen
Kraftüberträger
zugfest
Seil
Muskeln
Motor
kontraktil
nicht bekannt
Nervensystem
Kontroll- und
Steuerorgane
Gefäßsystem
Versorgung
feine Vernetzung,
Kapillarisierung
nur in lebenden
Systemen
Haut
Schutz
zugfest
Leder
Regelsysteme,
Computer
Tab. 5.1: Teilsysteme des Menschen, ihre Funktion und mechanischen Eigenschaften
1
Donskoi (1975) unterscheidet aktive (der ganze Körper, der Bewegungsapparat) und passive (innere Organe, weiche und flüssige Gewebe)
Systeme.
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Biomechanik des menschlichen Bewegungsapparates
5.1
den Knochen seine große Festigkeit und Härte, die organischen Anteile (etwa 27 %) seine
Elastizität.
Passiver Bewegungsapparat
Zum passiven Bewegungsapparat zählen das
axiale Knochensystem, das Knorpelgewebe,
Sehnen und Bänder. In der anatomischen
Verbindung bilden sie die kinematischen Ketten, die unter Wirkung der Muskulatur statische (Halte-) und dynamische (Bewegungs-)
Funktionen zu erfüllen haben. Auf diese
Systeme wirken zum einen von außen und
zum anderen von innen, von den Muskeln
selbst, Belastungen, die entsprechende Beanspruchungen hervorrufen. Unter dem Aspekt
der Bewegung bilden die langen Röhrenknochen mit ihren gelenkigen Verbindungen Hebelsysteme, die die Muskelzugkraft übertragen.
5.1.1
Axiales Knochenskelett
Um ihre Aufgabe als Stütz-, Halte- und Bewegungssystem zu erfüllen, sind die Knochen
aus zwei Bausteinen zusammengesetzt, die
scheinbar gegensätzliche mechanische Eigenschaften repräsentieren. Die anorganischen
Bestandteile (etwa 56 % sind Salze) geben
Knochenmineralgehalt
Knochen besitzen die gleiche Elastizität wie
Eichenholz (130.000 kg/cm2), dieselbe Zugfestigkeit wie Kupfer oder Duraluminium
(1.700 kg/cm2), ihre Druckfestigkeit ist mit
1.500 kg/cm2 größer als die des Baumaterials
unserer höchsten Dome, Sand- bzw. Kalkstein, und ihre statische Biegefestigkeit entspricht sogar der des besten Flussstahls
2
(1.800 kg/cm ). Trotz dieser hohen Werte für
die verschiedenen mechanischen Eigenschaften können deutlich geringere Werte bei ungünstigen Belastungsrichtungen bzw. in
Kombinationen zur Zerstörung der Knochen
führen.
Die Abbildung 5.2 zeigt eine typische Verletzung beim Skifahren, wenn bei einem
Schwung die Ski in eine Schneewehe rutschen. Es entstehen Biege- und Torsionsbelastungen, die zu einem Spiralbruch des
Schienbeins (Tibia) führen können.
Entsprechend der Lage und der Funktion der
Knochen variiert die Zusammensetzung der
Menopause
100%
Altersatrophie (alterüblich)
50%
postklimakterische
Osteoporose (pathologisch)
20
74
30
40
50
60
70
80
Lebensjahre
Abb. 5.1:
Der Knochenmineralgehalt im Altersgang
(nach Weineck 2007)
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Passiver Bewegungsapparat
Abb. 5.2:
Richtungsänderung
beim alpinen Skifahren
und typischer Spiralbruch der Tibia
organischen und anorganischen Bestandteile.
Grob lassen sich zwei Typen bilden: die platten Knochen und die Röhrenknochen.2
Aus mechanischer Sicht haben die platten
Knochen vor allem Schutz-, Halte- und Tragefunktion. Typisches Beispiel dafür ist das
Becken. Es schützt die Eingeweide, trägt den
Torso mit Kopf, Wirbelsäule, Armen usw.
und bietet große Flächen für Muskelansätze
(u.a. für den Musculus gluteus maximus, den
Gesäßmuskel) (Abb. 5.3).
Dieser Knochen hat eine hohe Dichte mit einer festen kompakten Struktur (hoher Anteil
an Salzen), um den statischen Kraftwirkungen zu widerstehen.
Von den 206 bis 212 Knochen des Skelettsystems des Menschen sind etwa 180 direkt an
Bewegungen beteiligt. Dabei sind besonders
die Röhrenknochen für die Kraftübertragung
und als Bewegungsorgane tätig. Für diese
Funktion sollten sie nicht zu träge sein, also
nur eine geringe Masse besitzen, und dabei
doch fest und elastisch sein. Diese Anforderungen werden durch ihren Aufbau und ihre
Zusammensetzung erfüllt. Der Röhrenaufbau
Kreuzbein
Darmbein
Sitzbein
Abb. 5.3: Das Becken
Oberschenkelbein
Kniescheibe
Wadenbein
Schienbein
2 Daneben
werden noch kurze (z.B. Fingerknochen) und unregelmäßige (z.B. Wirbelkörper) Knochen unterschieden.
Abb. 5.4: Knochen der unteren Extremität
75
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Biomechanik des menschlichen Bewegungsapparates
garantiert eine geringe Dichte (geringe Trägheit) und die Konstruktion der Knochenbälkchen (Spongiosa), verbunden mit höheren
Anteilen organischer Substanzen, ist die
Grundlage für die Festigkeit und die Elastizität.
Knochen sind entwicklungsgeschichtlich
(phylogenetisch) durch Anpassung optimierte
Gebilde. Das äußert sich in einem optimalen
Verhältnis der Masse zu ihrer Festigkeit (siehe Abb. 5.5: Trajektorien der Röhrenknochen). Kräften gegenüber sind sie bis zu
einem bestimmten altersabhängigen und individuell variierenden Grenzbereich widerstandsfähig. Der aktuelle Bereich der Widerstandsfähigkeit ist ontogenetisch geprägt.
Schon Ende des 19. Jahrhunderts haben u.a.
Meyer und Culmann, Wolff sowie Roux auf
das Bauprizip der Spongiosa entsprechend
der Beanspruchung und auf die funktionelle
Anpassung der Knochen hingewiesen.
Pauwels (1965) konnte nachweisen, dass sich
die Spongiosastruktur entsprechend den
Spannungslinien ausrichtet und dass sich
ebenfalls die Dicke der Kortikalis bzw. Kom-
Abb. 5.5: Schematische Darstellung der dreidimensionalen Anordnung der belastungstragenden Spongiosastruktur (Trajektorien) am Beispiel des Femurkopfes
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pakte anpasst. Die Belastbarkeit der Knochen
erweitert sich mit zunehmendem Alter bis zu
einem Maximalwert und nimmt danach durch
chemische und hormonelle Prozesse bedingt
wieder ab. Individuell und durch aktuelle Anpassungen (u.a. Sport, Krankheiten) können
Schwankungen auftreten. Ganz allgemein
reagieret ein Knochen auf optimale Trainingsreize durch Dickenzunahme, Verbreiterung seines Schaftes (Diaphyse) sowie Verdickung seiner inneren Bälkchenstruktur
(Spongiosa).
In Abbildung 5.6 sind zwei Beispiele für die
Adaptation des Knochengewebes an Belastungen dargestellt. Im Fall der Unterschenkelknochen weisen das Schienbein wie auch das
Wadenbein des trainierten Sportlers einen
größeren Querschnitt auf. Die schematische
Wirbelsäule auf der rechten Seite stellt einen
Entwicklungsprozess eines Athleten dar, der
sehr viel mit Hanteln trainierte. Die Wirbelkörper wurden dadurch breiter, aber gleichzeitig wurden sie auch gestaucht. Eine größere Querschnittsfläche kann höhere Druckkräfte kompensieren. Die Stauchung kann jedoch
im Alter ein Problem darstellen, wenn die
Muskulatur schwächer wird und die Wirbelsäule nicht mehr optimal stützen kann.
Für einen normalen Bau sowie für die Gesunderhaltung des axialen Skeletts sind
Druck- und Zugbelastungen ausschlaggebend. Das Überschreiten der aktuellen Grenzwerte der Widerstandsfähigkeit führt spontan
oder prozesshaft zu Schädigungen des Knochens (Abb. 5.7).
Die verschiedenen Kraftwirkungen ergeben
folgende mechanische Belastungsmöglichkeiten:
ü Zugbelastungen
ü Druckbelastungen
ü Biegebelastungen
ü Torsionsbelastungen
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Passiver Bewegungsapparat
beim Untrainierten
durch
langjähriges
Training
Kortikalisdicke
beim Untrainierten
Kortikalisdicke
beim langjährig
trainierten Sportler
Abb. 5.6:
Adaptation der
Unterschenkelknochen
und der Wirbelsäule an
sportliche Belastungen
Kraft
Biegung
unbelastet
Abb. 5.7:
Schematische Darstellung von mechanischen
Belastungen
Torsion
(Windung)
Kompression
(Druck)
Traktion
(Zug)
Diese Belastungen treten vorwiegend in gemischter Form auf und wirken auf den Bewegungsapparat in seiner Gesamtheit (Knochen,
Knorpel, Sehnen, Bänder, Muskeln). Sie gehen mit elastischen Deformationen der in die
Belastung einbezogenen Systeme einher.
wirken. Ihre grundlegenden mechanischen
Eigenschaften, Festigkeit und Länge, sind die
Voraussetzung zur Übertragung von Kräften
(F) über Hebel (l), d.h. zur Bildung von
Kraftmomenten (M), konkret von Muskelkraftmomenten.
Knochen als Hebel
MM = F · l · sin(F; l)
Bewegungen des Menschen werden durch die
Extremitäten (Beine, Arme) realisiert, wobei
die Röhrenknochen als mechanische Hebel
Die langen Röhrenknochen der Extremitäten
bilden durch ihre Verbindungen, die Gelenke,
(Nm)
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Biomechanik des menschlichen Bewegungsapparates
Hebelsysteme. Je nachdem, auf welcher Seite
der Drehachse innere oder äußere Kräfte angreifen, entstehen einarmige oder zweiarmige
Hebel (Abb. 5.8 und 5.9).
Aus den Zeichnungen in Abbildung 5.8 ist ersichtlich, dass der Kraftarm (Ansatz der Muskelsehne bis Gelenkdrehpunkt) im Verhältnis
zum Lastarm relativ klein ist.
Daraus kann die Aussage getroffen werden,
dass das menschliche Bewegungssystem
mit Kraftverlust, aber mit Weggewinn arbeitet.
Am menschlichen Skelettsystem wirkt das
klassische Hebelgesetz, die »Goldene Regel
der Mechanik«:
FM · Ka = L · La
F1 · s1 = F2 · s2
Wenn zum Beispiel der Bizeps sich um 1 cm
verkürzt, legt die Hand einen Weg von ca. 10
cm zurück. Gleichzeit muss der Bizeps zum
Zweiarmiger
Hebel
Halten von 50 N eine Muskelspannung von
500 N entwickeln!
Als ein unter täglichen Bedingungen ständig
auftretendes Beispiel können die unterschiedlichen Belastungen zwischen Zweibein- und
Einbeinstand betrachtet werden. Dobner und
Perry (2001) analysierten für die Hüftgelenke
beim Zweibeinstand (siehe Abb. 5.9 links) eine Belastung von je 270 N bei einer 810 N
schweren Person. Beim Einbeinstand der
gleichen Person werden Kräfte von 2700 N
im Gelenk wirksam! Hierbei müssen die ausgleichend arbeitenden Muskeln eine Spannung von 2025 N erzeugen (siehe Abb. 5.9
rechts). Diese nahezu zehnfache Belastung
im Einbeinstand resultiert aus dem Wirken eines zweiarmigen Hebels, dessen Lastarm
dreimal länger ist als der Kraftarm. Hinzu
kommt noch die Spannung der Hüftmuskeln.
Die relativ hohe Mobilität ist für das tägliche
Leben eine grundlegende Notwendigkeit. Die
individuellen Ausprägungen der Knochenhebellängen und der Sehnenansätze der Muskeln bilden eine Grundlage für die unter-
Einarmiger
Hebel
Kraftarm
Kraftarm
Trizeps
Drehachse
Kraftarm
Bizeps
78
Abb. 5.8:
Einarmiges Hebelsystem
am Beispiel des Ellenbogengelenkes
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Passiver Bewegungsapparat
FT
FH
FH
FH
FT
FM
La
FT = 540 N
FT = 540 N+
FTB = 135 N
Ka
FH = 270 N
FM ~ 0
FH
TT
FM
FTB
Abb. 5.9:
Belastungen in den
Hüftgelenken beim
Zweibein- (links) und
Einbeinstand (rechts)
FM = 2025 N
A
B
Fm
Fm
Lastarm
Abb. 5.10:
Unterschiedliche
Längen der Kraftarme
des M. brachialis
FH = 2700 N
Gelenkkraft
Ka Kraftarm
Teilkörpergewicht
La Lastarm
Muskelzugkraft
Teilkörpergewicht Bein
Kraftarm
schiedlichen Kraftübertragungen und damit
auch für die sportliche Eignung in bestimmten Disziplinen.
In Abbildung 5.10 sind zwei mögliche Kraftarmlängen bei gleichen Lastarmlängen dargestellt. Bei gleicher Muskelkraft ist das
Muskelkraftmoment bei B um 50 % größer
als bei A.
Lastarm
Kraftarm
A ➝ MM = 1.000 · 0,04 = 40 Nm
B ➝ MM = 1.000 · 0,06 = 60 Nm
Wenn sich der Muskel bei beiden Personen
um 3 cm verkürzt, bewegt sich der Unterarm
bei A innerhalb eines größeren Winkels als
bei B (Abb. 5.11).
79
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Biomechanik des menschlichen Bewegungsapparates
A
B
Abb. 5.11: Bewegungsamplitude bei verschiedenen
Muskelansätzen
Mechanische Eigenschaften der Gelenke
Gelenke sind Verbindungselemente, die Rotationsbewegungen der Knochen bzw. der mit
den Gelenkteilen verbundenen Glieder zueinander gewährleisten. Die Drehungen in den
Gelenken erfolgen auf den gekrümmten
Oberflächen der verbundenen Knochenenden.
Das eine Knochenende ist in der Regel als
Kopf und das andere als Pfanne ausgebildet.
Je nach Oberflächengestalt dieser zwei
Hauptbestandteile einschließlich der Anordnung und Beschaffenheit des Bandapparates
sind Drehbewegungen im Gelenk um eine
oder mehrere Achsen möglich (Freiheitsgrade).
a
80
b
c
Betrachtet man die Oberflächengestalt der
Gelenkköpfe, so erkennt man eine Ähnlichkeit mit Rotationskörpern wie Kugel, Ellipse
oder Zylinder. Dementsprechend werden Gelenke auch als Kugelgelenk (Hüftgelenk),
Ellipsoidgelenk (Handgrundgelenk) oder
Zapfengelenk (Ellenbogengelenk) gekennzeichnet (Abb. 5.12). Neben der Anzahl der
Drehachsen interessiert die mögliche Bewegungsamplitude der Gelenkdrehung. Die Problematik der Beweglichkeit oder Gelenkigkeit beeinflusst nicht nur die sportliche Leistung, sondern hat auch Auswirkungen auf
Alltags- und Arbeitsbewegungen (vgl. Abb.
5.13).
Unter Bewegungsamplitude versteht man den
Winkelbereich, in dem die Bewegung der
Körperteile in einer bestimmten Ebene erfolgen kann. Der Winkelbereich wird durch folgende Faktoren bestimmt:
ü Aufbau der Knochenteile (Kopf und Pfanne)
ü Anordnung, Spannung und Dehnbarkeit
der Bänder und der Kapsel
ü Dehnbarkeit der Muskeln
ü Kraft der Muskeln bzw. äußerer Belastungen
ü Konturen des umgebenden Muskel- und
Fettgewebes
d
e
Abb. 5.12:
Schematische Darstellung der Gelenktypen:
a = Kugelgelenk,
b = Scharniergelenk,
c = Zapfengelenk,
d = Ei- oder
Ellipsoidgelenk,
e = Sattelgelenk
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Passiver Bewegungsapparat
Insbesondere geeignetes Muskeltraining
(Kräftigung und/oder Stretching) vergrößert
die Bewegungsamplitude der Gelenke bzw.
verringert ihre Einschränkung.
ü
ü
ü
ü
Abb. 5.13: Hypermobilität in der Hals- und Lendenwirbelsäule (nach Tittel 1994)
Merke
ü Knochen bilden das innere Stützsystem
des Körpers (axiales Skelett).
ü Knochen entwickeln ein optimales Verhältnis zwischen ihren Masse- und entsprechenden Festigkeitseigenschaften,
dabei entspricht der jeweilige Aufbau ihrer Funktion.
ü Knochen sind aus mechanischer Sicht
Elemente zur Kraftübertragung. Insbesondere die langen Röhrenknochen werden als einarmige oder zweiarmige Hebel wirksam.
ü Knochen sind widerstandsfähig gegenüber Belastungen (Zug, Druck, Biegung,
Torsion), unter denen sie eine elastische
Deformation erfahren. Bei Überbelas-
ü
tungen kann die Knochenstruktur zerstört werden.
Knochen können kurzzeitig Energie
speichern, sie besitzen im beschränkten
Maße Federeigenschaften.
Gelenke verbinden die Knochen zu
Gliedersystemen, die Rotationsbewegungen beteiligter Knochen ermöglichen.
Entsprechend dem Aufbau der Gelenke
ergeben sich ein bis drei rotatorische
Freiheitsgrade, die ein-, zwei- oder dreiachsige Gelenke ergeben.
Die Bewegungsweite oder -amplitude
der Gelenke wird durch folgende Faktoren beeinflusst:
1. knöcherner Aufbau von Gelenkkopf
und -pfanne
2. Anordnung, Spannung und Dehnbarkeit der Bänder und der Gelenkkapsel
3. Dehnbarkeit des Sehnen-Muskel-Apparates
4. Kraft des Muskelzuges bzw. des Betrages von äußeren Kräften
5. Konturen des umgebenden Muskelund Fettgewebes
Dehnungs- und Krafttraining beeinflussen im Wesentlichen die Bewegungsamplitude der Gelenke.
Kontrollfragen
1. Beschreiben Sie die Zusammensetzung
der Knochen sowie davon abhängige mechanische Eigenschaften.
2. Weisen Sie den Zusammenhang zwischen
Form bzw. Aufbau der Knochen und den
mechanischen Funktionen nach!
3. Welche Aufgaben müssen die Knochen
des axialen Skelettes für die Haltung und
Bewegung des Menschen realisieren? Gehen Sie näher auf die Gruppen der platten
Knochen und der Röhrenknochen ein.
81

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