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Inhaltsverzeichnis
GM 4 Kinematische KSP-Berechnung
Modul | GM 4 Kinematische KSP-Berechnung |
---|---|
Veranstaltung | S Biomechanik (Justus-Liebig-Universität Gießen) |
Autor | Filip Cengic |
Voraussetzung | DYN1, DYN5 |
Bearbeitungsdauer | 45 min |
Zuletzt geändert | 4.5.2016 |
Status | in Bearbeitung |
<note important>
Achtung:
Dieses Wiki ist noch nicht freigegeben!
INFO:
Der entsprechende Datensatz zur dynamometrischen KSP-Bestimmung wird aus institutseigenen Messungen gewonnen und den Seminarteilnehmern im Laufe des Semesters zur Verfügung gestellt.
</note>
Lernziele für die Lehre
Dieses Wiki wird in der Lehre angewendet. Je nach Veranstaltung sollen nach dem Erarbeiten des Wikis unterschiedliche Kenntnisse erworben werden:
Lehrveranstaltung | Lernziel |
---|---|
S Biomechanik (Gießen) | - Einblicke in die mathematischen/kinematischen Grundlagen der KSP-Berechnung |
Einleitung
Sowohl für biomechanische Studien über die Fortbewegung von Mensch und Tier, als auch für die klinische Ganganalyse ist eine genaue Bestimmung des Körperschwerpunktes sehr wichtig. Um den Körperschwerpunkt (nachfolgend KSP) ermitteln zu können, muss zunächst eine klare Definition (nach Hillebrecht, 1998) dieses Begriffes vorliegen:
Der Körperschwerpunkt (KSP) ist ein fiktiver Punkt in dem die Masse des gesamten Körpers gedacht werden kann.
Für den Sport hat dieser fiktive Punkt eine besondere Bedeutung, weil er als Angriffspunkt für die Schwerkraft bei jeder Bewegung wichtig ist. Ein umfassenderes Verständnis zum Körperschwerpunkt bietet das DYN5 Wiki.
Einführendes Beispiel
In der Bewegungsanalyse ist die Kenntnis über die Lage des KSP bei verschiedenen Körperkonfigurationen sehr wichtig. Je nach Konfiguration kann sich der KSP außerhalb des Körpers befinden, wie z.B. beim Hochsprung (S. Abb. 1). Zwar ändern sich die Segmentgewichte während des Bewegungsablaufs nicht, jedoch die Positionen der Segmente in Bezug zueinander. Diese relativen Segmentänderungen verursachen eine Verschiebung des KSP.
Gemäß Newton's 2. Axiom kann der Körperschwerpunkt durch vier Faktoren beschrieben werden:
- Körpermasse (m)
- Äußere Kräfte (F)
- Anfangsgeschwindigkeit (v_0)
- Anfangsposition (x_0)
<spoiler |Frage: Übertrage Newton's 4 Faktoren auf ein praktischen Beispiel aus dem Sport.>
Beispiel Hochsprung:
Körpermasse → Gewicht des Athleten (~80 kg)
Äußere Kräfte → Gravitation, Zentrifugalkraft
Anfangsgeschwindigkeit → Absprunggeschwindigkeit (~5 m/s)
Anfangsposition → ~1m
</spoiler>
Grundbegriffe
Bei der Beschreibung der einzelnen Körpersegmente in Bezug zueinander sind anatomische Fachbegriffe von Nöten, die im Folgenden erläutert werden (vgl. Kreighbaum & Barthels, 1985, S. 71):
- distal → vom Rumpf entfernt gelegen
- proximal → näher dem Rumpf gelegen
- lateral → von der Körermitte entfernt gelegen
- medial → näher der Körpermitte gelegen
Ein bildhaftes Verständnis der vier Fachbegriffe liefert Abb. 2.
Körperschwerpunktsberechnung
Üblicherweise wird der Körperschwerpunkt aus dynamometrischen Daten (z.B. KISTLER Kraftmessplatte) bzw. kinemetrischen Daten berechnet. Im den nächsten Abschnitten beschäftigen wir uns mit dem nachfolgenden exemplarischen Datensatz der University of Southern California (USC, 2013, S. 3).
Segment | KSP [%proximal] | Masse [%] | Proximal | Distal |
---|---|---|---|---|
Fuß | 44,15 | 1,37 | Verse | Fußspitze |
Unterschenkel | 44,59 | 4,33 | Knie | Fußgelenk |
Oberschenkel | 40,95 | 14,16 | Hüfte | Knie |
Hand | 36,91 | 0,61 | Handgelenk | Fingerspitze |
Unterarm | 46,08 | 1,62 | Ellenbogen | Handgelenk |
Oberarm | 57,72 | 2,71 | Schulter | Ellenbogen |
Kopf | 50,02 | 6,94 | Vertex | C7 |
Rumpf | 51,38 | 43,46 | C7 | Hüfte |
<spoiler |Frage: Berechne den Segmentschwerpunkt für den Oberschenkel (Hüfte: [0,45|0,78], Knie: [0,41|0,47]). Beziehe dich dabei auf den exemplarischen Datensatz.?>
test
</spoiler>
Dynamometrische Berechnung
In diesem Fall werden gemessenen Beschleunigungen aus der Bodenreaktionskraft zweifach über die Zeit integriert.
Kinemetrische Berechnung (2d)
Kinemetrische Methoden beziehen sich auf ein anthropometrisches Segmentmodell des menschlichen Körpers. Der Einfachheit halber wird im Nachfolgenden eine Formel für die 2-dimensionale Berechnung des Körperschwerpunktes aufgezeigt.
$$m y_{KSP} = m_1 y_1 + m_2 y_2 + \ldots + m_{12} y_{12}$$
$$m x_{KSP} = m_1 x_1 + m_2 x_2 + \ldots + m_{12} x_{12}$$
$$y_{KSP} = \frac{1}{m} * (m_1 y_1 + m_2 y_2 + \ldots + m_{12} y_{12})$$
$$x_{KSP} = \frac{1}{m} * (m_1 x_1 + m_2 x_2 + \ldots + m_{12} x_{12})$$
$$y_{KSP} = \frac{1}{m} * \sum_{i=1}^{12}m_i y_i$$ $$x_{KSP} = \frac{1}{m} * \sum_{i=1}^{12}m_i x_i$$
Optische Schwerpunktsermittlung
Es besteht die Möglichkeit den KSP aus Film- oder Videoaufnahmen bzw. Fotografien von dynamischen Bewegungsabläufen zu ermitteln. Bei diesem Verfahren wird zunächst die gefilmte Bewegung als Abbild in ein Koordinatensystem übertragen.
Dieses Verfahren zählt zu den herkömmlichen Methoden und wurde zu Zeiten verwendet, wo dynamometrische bzw. kinemetrische Methoden noch nicht verbreitet waren (Hillebrecht, 1998, S. 22).
Zusammenfassung
Fragen
- Wenn man den KSP berechnen würde, würde sich dieser Wert mit einer veränderten Lage/Stellung des Körpers ändern?
- Berechne den Segmentschwerpunkt für den Oberarm. Beziehe dich auf die Tabelle zur Körperschwerpunktsberechnung!
- Von welchen Faktoren ist die Lage des KSP abhängig?
Literatur
- Ballreich, R. & Baumann, W. (1988). Grundlagen der Biomechanik des Sports. Stuttgart: Enke.
- Kreighbaum, E. & Barthels, K. M. (1985). Biomechanics - A qualitative approach for studying human movement (2nd ed.). Burgess, Minneapolis: 585-616.
- Nigg, B., Macintosh, B. R. & Mester, J. (2000). Biomechanics and Biology of Movement. Stanningley, Leeds: Human Kinetics Pub Inc.
- Zatsiorsky, V. M. (2002). Kinetics of Human Motion. Stanningley, Leeds: Human Kinetics Pub Inc.