WPG1604 Grenzen im Sport

Veranstaltung Seminar Biomechanik (Justus-Liebig-Universität Gießen)
Autoren Marie Elisabeth Hartmann, Christoph Lenk, Max Mylo, Sven Schwippert
Bearbeitungsdauer 60 Minuten
Präsentationstermin 11.7.2016
Zuletzt geändert 04.7.2016

1. Einführung

Die im Sport auftretenden Grenzen können vielfältigster Natur sein und durch verschiedeste Aspekte bedingt sein. Der folgende Wiki-Eintrag versucht einige dieser Grenzen aufzuzeigen und diese anhand von einigen sportpraktischen Beispielen zu verdeutlichen. Neben den klar definierten und (zum Teil) messbaren Grenzen, beispielsweise auf biomechanischer, physiologischer oder anatomischer Ebene, werden auch die durch und Menschen festgelegte Grenzen behandelt. Letztere werden im Wiki unter der Thematik der ethischen Grenzen geführt und behandeln unter anderem die stats aktuelle Dopingthematik. Aufgrund des großen Umfangs der Thematik soll dieses Wiki erste Einblicke geben und stellt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Das Lernziel des Wikis ist es einen Überblick über die verschiedensten Dimensionen der Grenzen im Sport zu erhalten. Nach Bearbeitung dieses Wikis soll der Student in der Lage sein, die Grundprinzipien biomechanischer und anatomischen Belastungsgrenzen zu verstehen, die Physiologe der Taucherkrankheit nachvollziehen zu können und sich kritisch mit den ethischen Grenzen des Sports ausseinanderzusetzen.

verfasst von Christoph Lenk & Max Mylo


2. Grenzen im Spitzensport

Bevor es in den weiteren Abschnitten um die verschiedenen Ausprägungen der Grenzen gehen soll, behandelt dieser Abschnitt die Entwicklung der Leistungen im Spitzensport, die als Indikator für das Erreichen von sportlichen Grenzen herangezogen werden können.

Sport spielt im Leben vieler Menschen eine entscheidende Rolle, neben dem Breiten- und Amateursport begeistert besonders der Spitzensport die Massen. Bei den großen internationalen Wettbewerben wie der Fußball-Weltmeisterschaft, den großen Tennisturnieren und natürlich dem Highlight eines jeden Sportfans, den Olympischen Spielen, messen sich Athleten aus Ländern der ganzen Welt und kämpfen darum, der Beste in ihrer Disziplin zu sein. „Citius, altius, fortius“ (Latein für „schneller, höher, stärker“) ist seit Ende des 19 Jhdt. das weltberühmte Motto der Olympischen Spiele. Betrachtet man jedoch die Entwicklung der Weltrekorde, so zeigten die letzten Jahrzehnte, dass das Motto überholt ist, denn die Leistung der Athleten stagniert (Berthelot et al., 2008, Berthelot et al., 2010, Desgorces et al., 2008). Es stellt sich daher die Frage, ob die Grenzen im Leistungssport bereits erreicht sind, beziehungsweise wann dies der Fall sein könnte.

Entwicklung der Weltrekorde

Gibt es einen Möglichkeit die Leistungsstagnation wissenschaftlich zu ergründen? Seit Beginn des 21. Jahrhunderts versuchen Wissenschaftler sich dieser Fragestellung anhand von mathematischen Modellen zu nähern. Dabei wird versucht, auf Grundlage der bisherigen Weltrekorde, eine Voraussage für die Zukunft zu treffen. Der Ansatz einer linearen Entwicklung der Rekorde von Tatem und Kollegen aus dem Jahre 2004 stellte die gewagte These auf, dass bei einem gleichbleibenden Trend die weiblichen Sprinterinnen bei der Olympiade 2156 erstmals schneller seien könnten als ihre männlichen Pendants. Auf die rasche Kritik an der Studie (Reinboud, 2004) folgten weitere Studien, die stattdessen von einer (stückweisen) exponentiellen Entwicklung der Rekorde ausgehen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass dies neben den Sprintwettbewerben auch für eine große Anzahl anderer olympischer Disziplinen (Berthelot et al., 2010), aber auch für die weltbekannten Traditionswettbewerbe, wie die Streif-Abfahrt in Kitzbühel, das Ruderduell zwischen Oxford und Cambridge oder den Ironman auf Hawaii gilt (Desgorces et al., 2008). Beispielhaft ist eine solche dreigegliederte exponentielle Entwicklung über die Jahre in Abbildung 1 für den weltbekannten Hochschul-Ruderwettkampf zwischen Oxford und Cambridge dargestellt.

Abbildung 1:Entwicklung der Leistungen beim Oxford-Cambridge Ruderwettkampf modelliert mit einer stückweisen exponentiellen Regression (verändert nach Desgorces et al., 2008)

In der Studie von Bertholet und seinen Kollegen aus dem Jahr 2008 flossen insgesamt 3263 Weltrekorde aus 147 olympischen Disziplinen in die mathematische Voraussage der Leistungsentwicklung ein. Für jede Sportart wurde berechnet, wann die Leistungen 99,95 % des Wertes der angenommenen Asymptote erreicht hat. Dieser Wert gilt als Schwelle dafür, dass die trainierbaren, (physiologische, psychologische, biomechanische und taktische) und untrainierbaren (genetische, umweltbedingte und klimatische) Grenzen (Desgorces et al., 2008) der jeweiligen Sportart erreicht sind. Dabei zeigte sich, dass bereits im Jahre 2007 knapp 13 % der Sportarten an ihre Leistungsgrenze stießen. Dies ist beispielsweise beim Hochsprung der Damen oder beim Hammerwurf der Männer der Fall und wird nach den Berechnungen bis 2017 für die Hälfte aller Sportarten gelten. Beeinflusst wird die Entwicklung der Weltrekorde durch den Einsatz von technischen Hilfsmitteln und die starke Auswirkung von Umwelteinflüssen, beispielsweise bei Outdoorsportarten. Die davon betroffenen Disziplinen wie zum Beispiel das Skifahren oder der Stundenweltrekord beim Radfahren zeigen eine langsamere Entwicklung hin zum Leistungsmaximum. Es sind jedoch dieselben exponentiellen Tendenzen zu erkennen (Desgorces et al., 2008). Am Beispiel des Schwimmsports und den kurz vor der Jahrtausendwende eingeführten neuen Schwimmanzügen wird deutlich, welchen Einfluss die verwendeten Materialien im Spitzensport haben und wie schnell neue Innovationen helfen können die Leistungsgrenzen zu verschieben. In diesem Fall brachte die neue Technologie einen direkten Leistungszuwachs von etwa 3 % (Berthelot et al., 2015). Deutlich zu erkennen sind auch die negativen Effekte der beiden Weltkriege auf die Entwicklung der sportlichen Höchstleistungen, sowie der positive Einfluss während des Kalten Kriegs als die Weltmächte den Sport als Machtinstrument instrumentalisierten (Berthelot et al., 2010).

verfasst von Max Mylo


3. Biomechanische Grenzen

Im Folgenden werden die Grenzen aus zwei Bereichen des Spitzensports, dem Sprinten und den technisch-kompositorischen Disziplinen, bezüglich der Biomechanik und der Belastung des muskoskelletalen Systems analysiert.

Grenzen der erreichbaren Leistung beim Sprinten

Das Sprinten mit konstanter Geschwindigkeit ist für den Menschen eine einfache mechanische Aufgabe. In Formeln lässt es sich ebenfalls einfach ausdrücken (Chapman et al., 2008):

$\int_\! F_H \, \mathrm{d}t + \int_\! R \, \mathrm{d}t = 0 $

$\int_\! F_V \, \mathrm{d}t + \int_\! W \, \mathrm{d}t = 0 $

Dabei muss die vom Körper erbrachte horizontale Kraft ($F_H$) gleich der extern entgegengesetzt wirkenden Kräfte ($R$) wie Reibung und Luftwiderstand sein. Die vertikale Kraftkomponente ($F_V$) ist in ihrem Betrag gleich, wirkt aber entgegengesetzt der Gewichtskraft ($W$), erzeugt durch die Erdanziehung. Die vom Athleten erreichten Beschleunigungen sind der Quotient aus der wirkenden Kraft und seiner Körpermasse (nach dem Grundgesetz der Dynamik, näher beschrieben im Wiki Bewegungsgesetze). Da die Körpermasse während des Laufs konstant bleibt, sind die erreichbaren Beschleunigungen vor allem von der erzeugten Muskelkraft abhängig. Daraus ergibt sich die logische Schlussfolgerung, dass der Athlet durch maximale Kraftaufbringung einen maximalen Beschleunigungsertrag erreicht (Chapman et al., 2008; Weyand et al., 2010). Um zu beschleunigen muss der Athlet einen vertikalen Impuls erzeugen, der größer ist, als die entgegengesetzten Kräfte. Diese Kraft wird durch Muskelarbeit erzeugt. Zum Ausführen von schnellen, kraftvollen Bewegungen über eine begrenzte Zeitspanne werden die sogenannten „Fast-Twitch“-Fasern kontrahiert (vgl. MUS 1). Ihre Energieversorgung geschieht über einen anaeroben Zyklus, gespeist durch Reserven im Körper und ist damit begrenzt. Denn im Laufe der Zeit werden die Depots zunehmend entleert und die gewonnen Energie nimmt ab. Demzufolge verringert sich auch die vom Körper verrichtbare Arbeit und die Sprintgeschwindigkeit nimmt ab. (Chapman et al., 2008) Neben der begrenzten Zeitdauer der Beschleunigungsphase ist die maximal erreichbare Sprintgeschwindigkeit abhängig vom Vektor der beschleunigenden Kraft. Dieser Kraftvektor ist maßgeblich durch mechanische Eigenschaften der kontrahierenden Muskeln beeinflusst. Dabei ist vor allem der im Modul MUS 3 Kraftrelationen gezeigte zeitliche Verlauf der Kraftproduktion der menschlichen Skelettmuskeln und die maximalen Kontraktionsgeschwindigkeiten der ausschlaggebende Faktor. Mit steigender Sprintgeschwindigkeit nimmt die Schrittfrequenz zu und die Kontaktzeit des Fußes mit dem Boden ab. Das hat zur Folge, dass die Muskeln schneller kontrahieren müssen und ihnen zusätzlich eine mit steigender Laufgeschwindigkeit abnehmende Zeitspanne zur Verfügung steht, um diese Kraft effektiv zu nutzen. Der Zeitraum des Fuß-Boden-Kraftübertrags während eines Sprints ist zu kurz, um eine maximale Kontraktionskraft der unteren Extremitäten zu erreichen. Der zeitliche Verlauf der Entwicklung und des Übertrags muskulärer Kräfte als Reaktion auf einen einzelnen elektrischen Impuls der Knie- und Sprunggelenksextensoren beträgt 81 beziehungsweise 120 ms bei jungen Erwachsenen. Wie Weyand und Kollegen (2010) zeigten ist dies etwa doppelt so lang, wie die dafür zur Verfügung stehende Zeit bei maximaler Sprintgeschwindigkeit (Weyand et al., 2010; Rabita et al., 2015).

Die entscheidende Richtung der beschleunigenden Kraft beim Sprinten ist horizontal. Die Kombination aus vertikaler Kraft (Stützkraft gegen die Erdanziehung) und der hohen horizontalen Kraft bei dem Abdrücken aus dem Startblock (siehe Abb. 2 links), ergibt in Summe einen Kraftvektor (orange dargestellt), der weniger steil geneigt ist, als während des Sprintens mit konstanter Geschwindigkeit (siehe Abb. 2 rechts).

Abbildung 2: Kraftvektoren im Sprint

Zum Startzeitpunkt beträgt die Kontraktionsgeschwindigkeit von Hüft-, Knie- und Fußgelenksextensoren null. Dies bietet den Muskeln das Potential ihrer höchsten Kraftentfaltung (vgl. MUS 3 Kraftrelationen). Mit Zunahme der horizontalen Geschwindigkeit und der damit verbunden Zunahme der Schrittfrequenz, steigt auch die Kontraktionsgeschwindigkeit der Muskeln. Aufgrund der bereits beschriebenen Kraftrelation, nimmt das Krafterzeugungspotenzial in horizontaler Richtung ab. Daraus resultiert ein zunehmend vertikal geneigter Kraftvektor. Um ein Überkippen nach vorne zu vermeiden, muss der resultierende Kraftvektor vor dem Körperschwerpunkt verlaufen. Dazu verringert der Sprinter seine vorwärtslehnende Haltung allmählich. Die Gesamtwirkung ist die Reduzierung des horizontalen Impulses mit jedem folgenden Schritt, was auch eine Abnahme der Beschleunigung bewirkt (Chapman et al., 2008).

Zusammengefasst lässt sich festhalten, dass sowohl die maximal erreichbare Beschleunigung und Geschwindigkeit, als auch die maximale Durchschnittsgeschwindigkeit beim Sprinten durch folgende Hauptfaktoren begrenzt sind:

  * begrenzte Energiereserven 
  * mechanische Eigenschaften der beteiligten Muskelfasern

Eine genauere Betrachtung der mechanischen Muskeleigenschaften ist im Wiki Muskelmodelle beschrieben.

verfasst von Marie Hartmann


Biomechanische Grenzen der technisch-kompositorischen Sportarten

Zu den technisch-kompositorischen Sportarten gehören beispielsweise das Eiskunstlaufen, das Wasserspringen, das Kunstturnen (vlg. Turn-Wiki), die Rhythmische Sportgymnastik, die Sportakrobatik und das Trampolinturnen (vgl. Trampolin-Wiki). In diesen Sportarten definiert sich die Bewertung einer Übung neben deren Ausführung vor allem über deren Schwierigkeit. Ein Großteil dieser wird über die auszuführende Anzahl der Drehungen, in der Längs- und der Breitenachse des Sportlers, definiert (Knoll et al., 2000). Beim Streben nach immer besseren Leistungen versuchen die Athleten Übungen mit immer mehr Drehungen auszuführen. Um dies zu erreichen kann während der Ausführung entweder der Drehimpuls (vgl. DYN 4) vergrößert werden, die Sprunghöhe erhöht werden oder die Zeit für den Landevorgang verkürzt werden. Beim Eiskunstlaufen wurden dadurch kurz vor der Jahrtausendwende erstmals Sprünge mit Vierfachdrehungen möglich. Dabei treten Drehungen um die Längsachse von bis zu 2100 °/s auf, die größten von Menschen selbst erzeugten Drehgeschwindigkeiten überhaupt. Vor dem Beginn der Ära dieser Vierfachsprünge lagen die Höchstwerte für Längsachsendrehungen noch bei 1800 °/s. Zum Realisieren der neuen Sprünge scheint es sowohl Athleten zu geben, die dies über eine gesteigerte Flugzeit erreichen, aber auch solche die nicht die Flugzeiten, sondern ihre Drehimpulse erhöhten. Es kann davon ausgegangen werden, dass bei den Eiskunstläufern damit bereits die maximal mögliche Anzahl an Drehungen in einem Sprung erreicht sind und weitere Leistungssteigerungen nur über schwerere Sprungverbindungen realisiert werden können (Knoll et al., 2000).

Beim Wasserspringen werden die höchsten Drehgeschwindigkeiten um die Breitenachse ausgeführt. Sie werden beim 4 ½ Salto vorwärts (siehe Youtubevideo „3m Wasserspringen“ ab Minute 1:10) erreicht und betragen bis zu 1300 °/s. Weitere Werte für Drehgeschwindigkeiten sind in Tabelle 1 nachzulesen. Die Entwicklung der Schwierigkeiten bei internationalen Wettkämpfen stagniert jedoch im Wasserspringen seit Jahren, was darauf schließen lässt, dass auch hier die maximal möglichen Sprungvariationen erreicht sind.

Tabelle 1: Maximale Drehgeschwindigkeiten um die Breiten- und Längsachse; verändert nach Knoll et al., 2000)
maximale Winkelgeschwindigkeit [°/s]
Sportart Breitenachse Längsachse
Wasserspringen 1300 (4 1/2 Salto vorwärts)
Kunstturnen 1200 (Handstützüberschlag und Doppelsalto)
Eiskunstlaufen 2100 (4fach-Salchow)
Sportakrobatik 1000 (3fach-Salto rückwärts)

verfasst von Max Mylo


4. Muskuloskelettale Grenzen

Allgemeine Muskoskelettale Grenzen

Körperliche Belastung initiiert Anpassungsprozesse des muskuloskelletalen Systems und bildet somit die Grundlage der Leistungssteigerung der sportlichen Performance. Die selbstregulierenden Mechanismen des menschlichen Körpers sind jedoch unter anderem durch Belastungslimits des muskuloskelletalen Systems begrenzt. Innerhalb dieser Grenzen existieren Prozesse um in Interaktion mit einer sich verändernden Umwelt Leistungsstärke zu garantieren. Bei optimalen biomechanischen Bedingungen, kann höchste Leistung erzielt werden, da dies mit einer guten Koordination von Muskeln und Gelenken einhergeht. Kriterien die auf Grund der Überschreitung der Belastungsgrenzen des muskuloskelettalen Systems zur Schädigung führen lassen sich in zwei Kategorien unterteilen:

  * monotone Dauerbelastung → wiederholte Mikrotraumata → Überlastungsschäden
  * extreme Belastungsspitze → einzelnes Makrotrauma → Akutverletzung

Monotone Dauerbelastungen über einen längeren Zeitraum durch zu hohe Trainingsintensität und variationsarme Trainingsgestaltung in Verbindung mit zu geringen Ruhephasen bewirken eine Vielzahl an Mikrotraumen, also geringfügige Schäden an verschiedenen Komponenten des Bewegungsapparates. Übersteigt die Summe der Mirkotraumata die Selbstheilungskompetenz, können degenerative Veränderungen und chronischen Verletzungen von Muskeln, Sehnen und Knochen resultieren. Die als Folge einer Überbelastung diagnostizierten Schäden machen etwa 50% der Verletzungsrate im Sport aus (Göttsche, 2006; Schmitt et al., 2014). So kommt es beispielsweise in Sportarten mit extremen axialen Belastungen zu Schädigungen der Wirbelsäule. Zu den Risikosportarten zählen hier unter anderem Gewichtheben, Fußball, Wrestling, Tanzen, Rudern und Turnen. Vor allem im Turnen gehört das leistungsorientierte Training bereits im frühen Kindesalter mit hoher Trainingsintensität und –häufigkeit zur Tagesordnung, wodurch sich bereits erste Symptome und damit verbundene Leistungsausfälle im jungen Alter zeigen können. Auch körperinterne Gegebenheiten und Defizite, wie beispielsweise eine Beinlängendifferenzen oder muskuläre Dysbalancen, können zu chronischen Schäden führen. Was vor allem im Breitensport durch den Mangel an kompetenter Betreuung durch einen ausgebildeten Trainer und somit mangelhaft konzipierter Trainingskonzepte ein schmerzhaftes Ende der „Freizeitsportkarriere“ bedeuten kann (Barile et al., 2007; Bradshaw et al., 2010; Göttsche, 2006).

Neben andauernden Überbelastungen führen einzelne Belastungsspitzen verbunden mit hohen mechanischen Kräften, die die Belastungsgrenzen des muskuloskelettalen überschreiten zu direkten Schäden am Bewegungsapparat. Vor allem in Kontaktsportarten sind häufig externe Kräfte, wie ein Schlag oder Tritt des Gegners, Verletzungsursache. Aber auch das krafterzeugende Potenzial der Muskulatur selbst kann ein Verletzungsrisiko darstellen. So wirken bereits bei leichtem Stolpern durch das reflexartige Kontrahieren der stabilisierenden Muskeln Kräfte auf das Hüftgelenk, welche einen Wert von 800 % des Körpergewichts überschreiten können (Tschauner, 2004). Das Resultat sind Kraftspitzen, die die Belastungsgrenzen einzelner Strukturen des muskuloskelettalen Systems überschreiten können und somit zu Bandrupturen, Dislokationen oder Frakturen führen (Göttsche, 2006; Schmitt et al., 2014).

Der Verletzungsmechanismus und die dazugehörige Belastungsform bestimmen dabei die resultierende Art der Läsion: (nach Göttsche, 2006)

  * Scherkräfte → Schädigungen der Gelenkoberfläche, Frakturen
  * Dehnbelastungen → Verletzung von Muskeln, Sehnen oder Bandstrukturen
  * Druckbelastungen (= Kompression) → Gelenkknorpel-, Meniskus- oder Knochenverletzung 
  * Biegebelastungen → Knochenfrakturen 
  * Drehbelastungen (= Torsion) → Knochen- und Ligamentverletzungen 
Abbildung 3: Verschiedene mechanische Belastungsarten

Eine Möglichkeit zur experimentellen Bestimmung von auf den menschlichen Körper wirkenden Belastungen ist im Wiki Car Crash Dummies beschrieben. Butler und Kollegen (1986) konnten anhand von dynamischen Leichenversuchen zeigen, dass die Belastungsgrenzen der Knieligamente bei Dehnungen zwischen 12 und 15 % liegen. Weitere mechanische Kenngrößen der Beinknochen sind in der Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2: Mechanische Kennwerte für Frakturen der Beinknochen (verändert nach Levine, 2002)
Femur (=Oberschenkelknochen) Tibia (=Schienbein) Fibula (=Wadenbein)
Mann Frau Mann Frau Mann Frau
Drehmoment [Nm] 175 136 89 56 9 10
Biegung (kN) 3,92 2,58 3,36 2,24 0,44 0,30
Max. Moment (Nm) 310 180 207 124 27 17
Axiale Kompression (kN) 7,72 7,11 10,36 7,49 0,60 0,48

verfasst von Marie Hartmann


Exkurs Belastungsgrenzen beim Turnen

5. Physiologische Grenzen des Sports

Nicht nur biomechanische Hindernisse halten den Mensch vom Brechen immer neuer Rekorde ab. Auch die Physiologie weist dem Menschen seine Grenzen auf. Ein sehr gut untersuchtes physiologisches Phänomen stellt die Taucherkrankheit oder Caissons-Krankheit dar. Aufgrund der Taucherkrankheit kann ein Mensch beim Tauchen nur in bestimmte Tiefen unter bestimmten zeitlichen Bedingungen vorstoßen.

Physikalische Grundlagen des Tauchens

Um verstehen zu können, wie die Taucherkrankheit beim Gerätetauchen entsteht, muss man sich zunächst mit den physikalischen Grundlagen des Tauchens vertraut machen.

Druck

Druck wird definiert als das Verhältnis von Kraft zu Fläche, wobei nur der senkrecht wirkende Anteil der Kraft zu berücksichtigen ist. Im Tauchsport wird der Druck üblicherweise in bar angegeben (Ehm, 1996; Scheyer, 2002). Mit zunehmender Tiefe steigt der Druck des Wassers auf den Menschen. Anhand einer einfachen Faustformel lässt sich der Anstieg des Drucks mit zunehmender Tauchtiefe annähernd bestimmen:

$p(T)= (\frac{T}{10 m} + 1)bar$

Beispiel bei 30 m Tauchtiefe:

$p(30m)=(\frac{30m}{10 m} + 1)bar = 4 bar$

$p(T)$ entspricht dem Druck in der entsprechenden Tiefe. In die Formel ist lediglich die Tauchtiefe $(T)$ einzusetzen. Bei 10 m Tiefenzunahme nimmt der Umgebungsdruck unter Wasser um ca. ein bar zu. Der bloße Druckanstieg hat kaum negative Auswirkungen auf den menschlichen Körper. Der Mensch ist als flüssigkeitsgefüllter Zellverband ebenso wie Flüssigkeiten selbst weitgehend inkompressibel (Ehm, 1996). Meeressäugetiere stoßen regelmäßig in Tiefen von mehreren hundert Metern vor (Scheyer, 2002). Fische wurden sogar in Tiefen von fast 10 000 m im Marianengraben im westpazifischen Ozean entdeckt (Ehm, 1996). Dass auch Menschen sich großen Tiefen und damit sehr hohen Drücken aussetzen können, zeigte der Ägypter Ahmed Gamal Gabr im September 2014. Er tauchte im roten Meer unter der Verwendung eines Atemgeräts und 15 Druckluftflaschen auf eine Tiefe von 332 m (Wilhelm, 2014). Bei einem simulierten Tauchgang im Jahre 1981 in Zürich konnte gezeigt werden, dass Taucher sogar bei einer Tiefe von 575 m handlungsfähig blieben (Bühlmann, 2002). Es ist nicht der bloße Druckanstieg, der dem menschlichen Organismus Probleme bereitet, sondern die Druckdifferenzen im Körper, die bei einem Tauchgang entstehen können. Um die Entstehung dieser Druckdifferenzen verstehen zu können, muss man einen weiteren Schritt in die Tiefe machen und sich zunächst mit den Gasgesetzen beschäftigen, die für das Tauchen von Bedeutung sind.

Gasgesetze

Das wohl bekannteste physikalische Gesetz unter Tauchern ist das Gesetz von Boyle-Mariotte. Es wurde in der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts formuliert und sagt aus, dass unter gleichbleibender Temperatur das Produkt aus Druck ($p$) mal Volumen ($V$) für eine abgeschlossene Gasmenge konstant bleibt (Ehm, 1996; Powell, 2008). Zweckmäßig wird für Gasmengen in der Tauchtechnik üblicherweise die Maßeinheit Barliter (barl) verwendet.

Das Dalton-Gesetz, entwickelt vom englischen Naturforscher John Dalton im Jahre 1801, spielt ebenfalls eine wichtige Rolle für Berufs- und Freizeittaucher. Das Daltonsche Gesetz beschreibt den Gesamtdruck eines Gasgemisches als die Summe aller Teildrücke des Gemisches. Dabei ist jedes Gas entsprechend seines Volumen- bzw. Mengenanteils am Gesamtdruck beteiligt (Ehm, 1996; Kromp & Mielke, 2011). Der Gesamtdruck der Luft $(p_{Luft})$ setzt sich demnach aus dem Stickstoffteildruck ($p_{N2}$), dem Sauerstoffteildruck ($p_{O2}$) und dem Teildruck des Kohlenstoffdioxids und der Edelgase zusammen ($p_{Rest}$). In ungefähren, absoluten Werten bedeutet dies auf Meeresniveau:

$p_{Luft} = p_{N2} + p_{O2} + p_{Rest} = 0,78 bar + 0,21 bar + 0,01 bar = 1 bar$

Erhöht sich der Gesamtdruck der Luft, zum Beispiel beim Abtauchen, erhöhen sich auch die Teildrücke der einzelnen Bestandteile. Wenn der Gesamtdruck steigt, bleibt das Verhältnis der Partialdrück gleich (Kromp & Mielke, 2011; Powell, 2008).

Um die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit zu bestimmen, macht man Gebrauch von einem weiteren physikalischen Gesetz, dem Gesetz von Henry aus dem Jahre 1800. Mit diesem Gesetz lässt sich der Löslichkeitskoeffizient $\alpha$ eines bestimmten Gases ($j$) für eine bestimmte Flüssigkeit ($k$) bestimmen. Die Formel dafür lautet:

$ \alpha _{j},_{k}= \frac{Q_j}{(V_j*p_j)}$

$Q_j$ entspricht dabei der Menge und $p_j$ dem Partialdruck eines bestimmten Gases. $V_k$ entspricht dem Volumen der betrachteten Flüssigkeit (Ehm, 1996). Das bedeutet: Steigt der Partialdruck des Gases an, dann ist die Menge des Gases, das ich in der Flüssigkeit löst ebenfalls erhöht (Powell, 2008).

Entstehung der Dekompressionskrankheit

Ein normaler Tauchgang lässt sich in eine Kompressionsphase beim Abtauchen in der sich der Umgebungsdruck für den Taucher erhöht, eine Isopressionsphase in der der Druck gleich bleibt und eine Dekompressionsphase beim Auftauchen in der der Druck wieder nachlässt unterteilen. Letztere ist die kritische Phase für die Entstehung der Taucherkrankheit, welche daher auch Dekompressionskrankheit genannt wird. Während in der Kompressions- und Isopressionsphase die physikalischen Veränderungen durch die Druckerhöhung zum Tragen kommen, sind in der Dekompressionsphase die im Organismus gelösten Gase entscheidend. Alle Atemgase werden im Blut und in den Geweben entsprechend des Gesetzes von Henry gelöst. Bei jeder Senkung des Umgebungsdrucks, wie es beim Aufsteigen am Ende eins Tauchgangs geschieht, können sich im Gewebe bzw. im Blut kleine Gasblasen bilden. Je rascher der Druckabfall stattfindet, desto wahrscheinlicher ist die Blasenbildung. Wenn aufgrund dieser Gasblasen Symptome auftreten, spricht man von der Dekompressionskrankheit (Bühlmann, 2002).

Symptome

Die Anzeichen und Symptome der Dekompressionskrankheit können sehr vielfältig sein. Sie reichen über Rücken- und Brustschmerzen, Bewusstlosigkeit, Durchfall bis hin zu Lähmungserscheinungen. Die häufigsten Symptome sind mit ihrer Häufigkeit in Prozent in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1: Häufigkeiten der Symptome der Taucherkrankheit (Powell,2008)

Häufigkeit Symptom
89 % Lokaler Gelenkschmerz
30 % Gelenkschmerz im Beinbereich
70 % Gelenkschmerz im Arm/Schulterbereich
5,3 % Schwindel
2,3 % Lähmungserscheinungen
1,6 % Atemknappheit
0,5 % Bewusstlosigkeit



Nur selten treten die Symptome bereits auf, wenn der Betroffene sich noch im Wasser befindet. In 50 % der Fälle treten die ersten Symptome bereits innerhalb 30 Minuten auf. In 85 % der Fälle innerhalb der ersten Stunde. In 95 % der Fälle innerhalb der ersten 3 Stunden. Nur in einem 1 % der Fälle treten die ersten Symptome erst nach über 6 Stunden auf (Powell, 2008).

Prävention

Um die Dekompressionskrankheit zu vermeiden, müssen Taucher sogenannte Tauchtabellen (Tauchtabelle nach PADI.com) benutzen, um ihren Tauchgang zu planen und einen Tauchcomputer benutzten. Dabei spielen die Tauchtiefe, die Tauchdauer und die Vorbelastung durch Tauchgänge an den Vortagen eine Rolle. Ab gewissen Tauchtiefen und Tauchdauern müssen Aufstiegspausen eingelegt werden, sogenannte Dekopausen oder Dekostopps. Bei diesen Stopps gibt der Taucher dem Körper mehr Zeit um die im Körper gelösten Gase langsam wieder abzuatmen. Aus der verlinkten Tabelle ist abzulesen, dass ein Mensch bei einer Tauchtiefe von maximal 10 Metern bis zu 219 Minuten unter Wasser bleiben kann ohne einen Dekostopp machen zu müssen. Taucht er allerdings auf eine Tiefe von 42 Metern, ist das Limit bereits nach 8 Minuten erreicht und er muss eine Dekopause machen. Begünstigende Faktoren für die Taucherkrankheit sind Dehydration, welche oft einhergeht mit übermäßigem Kaffee- oder Alkoholgenuss oder auch Durchfall. Raucher, Fettleibige und Ältere sind außerdem öfter von der Taucherkrankheit betroffen. Zudem bilden sich die Blasen häufig in bereits verletzten oder erkrankten Körperteilen oder Organen.

verfasst von Christoph Lenk


6. Ethische Grenzen im Sport

Nach der Betrachtung der klar definierten, durch die Naturgesetzte gegebenen Grenzen, wird der Fokus in diesem Abschnitt nun auf die ethischen Grenzen im Sport gelegt. Im Sport steht die Leistung eines Sportlers im Vordergrund. Viele Faktoren beeinflussen die Leistung eines Athleten. Talent, Genetik, hartes Training und eiserner Wille können als Grundpfeiler für die Erbringung von Höchstleistungen angesehen werden. Nur wenn diese sportlichen Leistungen fair und regelkonform erbracht wurden, finden sie Anerkennung in unserer Gesellschaft. Weitere Maxime, wie Gesundheit und Natürlichkeit spielen im Sport eine gleichermaßen große Rolle (Bagattini, 2011).

Werden die ethischen Richtlinien der Fairness, Gesundheit und Natürlichkeit durch Doping, Neuro-Enhancement oder die Verwendung von Prothesen im Sport missachtet?

Definition Fairness
Definition Gesundheit
Definition Natürlichkeit

Doping

Einführendes Video

Die Welt Anti-Doping Agentur (WADA) beschreibt ihr Anti-Doping Programm als das Bestreben, das wirklich wertvolle am Sport zu erhalten. Dies sei der Geist des Sportes, welcher unter anderem durch folgende Werte widergespiegelt wird (WADA, 2015).

  • Moral, Fair Play und Ehrlichkeit
  • Gesundheit
  • Hervorragende Leistung
  • Respektierung von Regeln und Gesetzen

Doping sei nach der WADA (2015) fundamental gegenteilig zum Geiste des Sportes. Der Leistungsgedanke spielt jedoch eine grundlegende Rolle im Sport. Eine hervorgerufene Problematik ist, dass dieses Leistungsdenken von einigen Sportlern verabsolutiert wird (Bagattini, 2012). Geschürt wird Leistungsdenken und Leistungsdruck zudem durch Zuschauer- und Medieninteresse oder der Abhängigkeit von Sponsoren und den Geldgebern (vgl. NADA Video, 2014). Dies kann dazu führen, dass Sportler versuchen mit gezieltem Doping ihre Leistung zu fördern. Der NADA-Code stellt ein Regelwerk zum Doping dar und wird von der Nationalen Anti-Doping Agentur herausgegeben. Er basiert auf dem WADA-Regelwerk. Welche Substanzen und Methoden als Doping bezeichnet werden, wird auf der aktuellen NADA Verbotsliste (2016) der NADA beschrieben.

Werden die genannten ethischen Grenzen durch Doping überschritten?

Fairness

Unter dem Begriff Fairness im Sport sollte eine Tugend des Athleten verstanden werden. Also die Einhaltung von Wettkampfregeln und angemessenes Verhalten gegenüber direkten Konkurrenten und anderen Athleten (Asmuthet et al., 2010). Interpretiert man Fairness hingegen als Chancengleichheit für die Sportler, ließe sich das Argument der Fairness nicht gegen Doping verwenden (Asmuth et al., 2010; Bagattini, 2012; Birnbacher, 2013). Nach Birnbacher (2013) ist aufgrund verschiedener Naturausstattungen der Sportler keine Chancengleichheit gegeben. Natürliche Ungleichheiten seien demnach, neben Training und Disziplin, wichtige Faktoren für sportlichen Erfolg. Savulescu & Foddy (2004, zitiert nach Asmuth et al., 2010) argumentieren, dass Doping, um Chancengleichheit herzustellen, hingegen „absurderweise“ erlaubt sein müsste. Im Sport sei also eher eine „regulierte Ungleichheit“ grundlegend wichtig (Asmuth et al., 2010).

Gesundheit

Doping vor dem Hintergrund der potentiellen Gesundheitsschädigung als ethisch nicht vertretbar zu deklarieren sei nach Bagattini (2011) anfechtbar. Sportler würden schließlich alleine durch die Ausübung bestimmter Sportarten Gesundheitsrisiken in Kauf nehmen, wie zum Beispiel im Kampfsport, American Football oder Motorsport. Darüber hinaus gehe das Betreiben von Leistungssport in vielen Sportarten mit einem erhöhten Gesundheitsrisiko einher (Bagattini, 2011; vgl. Asmuth et al., 2010). Birnbacher (2013) vertritt den Standpunkt, dass in „liberalen Gesellschaften […] die Freiheit zur Selbstschädigung zum geschützten Bereich persönlicher Freiheit gehört.“ Zudem sei ein Gegenargument, dass nicht jegliche Art von Doping gesundheitsschädlich ist (Birnbacher, 2013).

Natürlichkeit

Die Leistung eines Sportlers wäre dann anzuerkennen, wenn sie auf natürlichem, statt künstlichem Wege erbracht wurde (Asmuth et al., 2010). Birnbacher (2013) beschreibt die Faszination von Sport für die Menschen mit der Demonstration des dem Menschen, aus eigener Kraft, Möglichen. Natürlichkeit sei „im Sinne von Echtheit oder Authentizität“ zu verstehen (Birnbacher, 2013). Die Argumentation, das Doping unvereinbar mit der Natürlichkeit des Sportlers ist, kritisiert Asmuth et al. (2010) jedoch mit den Gegenargumenten, dass Sportler ohnehin auf erlaubte Medikamente, Nahrungsergänzungsmittel oder spezielle Trainingstechniken zugreifen, um ihre Leistung zu steigern (z.B. Elektro-Stimulationstraining der Tiefenmuskulatur (Bagattini, 2011), Sauerstoffzelt im Radsport). Ein weiteres Beispiel stellt die Verwendung von Meldonium dar (Stichwort Grauzonen-Doping), welches erst seit 2016 von der WADA (engl.) bzw. NADA (deutsch) als Dopingsubstanz gelistet wird. Im Vorhinein wurde das Medikament jedoch von Sportlern zur Leistungssteigerung verwendet. Der vermutlich medienwirksamste Fall hierzu betrifft Tennisspielerin Maria Scharapowa. Weiterhin werden bzw. wurden in vielen Sportarten hochentwickelte Technologien und Materialien eingesetzt, welche einen Einfluss auf den Erfolg des Sportlers haben (z.B. Schwimmanzug LZR Racer von Speedo).

Stellungnahme der zentralen Ethikkommission der Bundesärztekammer

Bezüglich dieser kritischen Sichtweisen verschiedener Autoren lässt sich unter folgendem Link die Stellungnahme nachlesen: Stellungnahme der zentralen Ethikkommission der Bundesärztekammer
„Eine Betrachtung der gängigen ethischen Argumente gegen das Doping zeigt, dass keines dieser Argumente für sich genommen so durchschlagend ist, dass aus ihm ein Verbot des Dopings unmittelbar abgeleitet werden kann. Die Berechtigung des Dopingverbots sowie des Verbots der ärztlichen Mitwirkung am Doping ergibt sich erst aus einer kumulativen Zusammenschau mehrerer ethischer Argumente. […]“

Exkurs Neuro-Enhancement

Inklusion von Menschen mit Prothesen im Sport

Neben der kontroversen ethischen Diskussion zum Thema Doping wächst auch die Auseinandersetzung mit der Inkludierung von Sportlern mit Prothesen in den Sport der Nichtbehinderten. Auf eine mögliche Verortung der Grenze soll im folgenden Abschnitt eingegangen werden.

Zunächst bieten die unten aufgeführten Einträge eine Einführung in den biomechanischen Hintergrund der Prothetik und deren Anwendung im Sport:

Prothesen eröffnen Menschen mit Amputationen die Wiedererlangung von verlorengegangener Lebensqualität. Sie stellen die Funktionalität des Körpers wieder her und ermöglichen so unter anderem die Teilnahme am Sport oder gar Leistungssport. Beachtung finden sollte allerdings die Grenze zwischen therapeutischer und leistungssteigender Intervention durch Prothesen (Asmuth et al., 2010). Im parallel entstandenen Wiki-Modul bezüglich Prothesen bei den Paralympics wurde bereits ein kurzer Blick auf den Fairnessaspekt zwischen nichtbehinderten Sportlern und „Prothesenläufern“ geworfen.

Aus aktuellem Anlass der bevorstehenden Sommerspiele in Rio, soll im folgenden Abschnitt kurz auf den aktuellen Stand der Inklusion von Menschen mit Prothesen im Leistungssport nichtbehinderter eingegangen werden.
Artikel der FAZ

Im Jahr 2014 gewinnt Markus Rehm mit einer Beinprothese die deutsche Meisterschaft der nichtbehinderten Sportler.

Die Reaktion eines Konkurrenten:

Schon im Jahr 2012 nahm der Leichtathlet Oscar Pistorius an den Olympischen Spielen für nichtbehinderte Sportler in London teil. Birnbacher (2013) schreibt beispielsweise: „Die Starterlaubnis [für Oscar Pistorius bei den Olympischen Spielen 2012] war ein klarer faux pas des Internationalen Sportgerichtshofs.“ Er beruft sich hierbei auf das Natürlichkeitsprinzip und die Überschreitung dessen. Nach Asmuth et al. (2010) sei die Verwendung einer Prothese, sofern sie dem Sportler keinen Vorteil ermöglicht, jedoch ethisch betrachtet legitim.

Radtke (2011) beschreibt die positiven Auswirkungen gemeinsamen Sporttreibens behinderter und nichtbehinderter Sportler. So würden Vorurteile, Berührungsängste und soziale Distanzen abnehmen und die Akzeptanz, Toleranz und Kooperation zunehmen.

Aktuell muss der einzelne Sportler selbst beweisen, dass seine Prothese ihm keinen Vorteil bringt, um eine Teilnahme am Leistungssport nichtbehinderter zu erwirken. So besagt es die neue Regel (Version: 1.2.2016) der International Association of Athletics Federations (IAAF, 2016).

  • „The use of any mechanical aid, unless the athlete can establish on the balance of probabilities that the use of an aid would not provide him with an overall competitive advantage over an athlete not using such aid.“ Rule 144.3(d) der IAAF Competition Rules 2016-2017.

Weitere Fragen mit Klärungsbedarf kommen demzufolge auf und sollten in zukünftigen ethischen Diskussionen bedacht werden. Wer bezahlt die Kosten für die Studien? Haben nur Sportler mit genügend Unterstützung die Chance auf eine Untersuchung und Teilnahme? Wie genau sind biomechanische Untersuchungen am einzelnen Athleten? Sollte die Inklusion weiterhin das Ziel sein oder muss ein anderer Weg gegangen werden? (siehe Hinweis im Wiki Prothesen bei den Paralympics zu bionischen Spielen).


verfasst von Sven Schwippert


Fazit und Eigener Standpunkt


Auch wenn dieses Wiki nur einzelne Punkte des komplexen und vielschichtigen Themas „Grenzen im Sport“ abdecken konnte, wurden verschiedenste Limitationen aufgezeigt mit denen Sportler zu kämpfen haben. Uns als Gruppe hatte es dabei überrascht, dass eine sehr große Anzahl, gerade olympischer, Sportarten kurz vor ihrem Leistungsmaximum stehen, beziehungsweise dieses bereits erreicht haben. Da in diesen Sportarten größere Leistungssteigerungen wohl nur noch durch Änderungen des Regelwerks, der Optimierung technischer Hilfsmittel oder dem Einsatz leistungssteigernder Mittel (siehe dazu den Abschnitt zum Thema Doping) zu erreichen sind, ist es vorstellbar, dass die immer stärker aufkommenden Trendsportarten weiter an Beliebtheit gewinnen. Bei diesen herrschen zum einen weniger strenge Regelvorschriften und zum anderen sind die Grenzen hier noch lange nicht ausgelotet.

verfasst von Max Mylo


Ausblick

Themenvorschläge für Folge-Wikis

  1. Neurophysiologische Grenzen (z.B. Reaktionszeiten,…)
  2. Modelle mechanischer Belastung des muskoskelettalen Systems
  3. Langzeitschäden durch Körperkontaktsportarten (z.B. beim Football)


Fragen

1. Nenne drei Sportarten von denen Du erwartest, dass die Leistungsgrenze im Spitzensport bereits erreicht ist und nenne drei weitere, bei denen du in den kommenden Jahren weitere Leistungszuwächse erwartest!
2. Wie begrenzt die Kraft-Geschwindigkeits-Relation der Muskeln die erreichbare Sprintgeschwindigkeit?
3. Was kann zu chronischen Belastungsschäden am Bewegungsapparat führen?
4. Welche Möglichkeiten hat ein Sportler in den technisch-kompositorischen Sportarten die Anzahl der Rotationen in seinen Sprüngen zu erhöhen?
5. Die Erhöhung welchen Parameters der Luft beim Tauchen vergrößert die Gefahr ein Dekompressionstrauma zu erleiden? Und wie wirkt sich die Erhöhung auf den menschlichen Körper aus?
6. Wie lautet die aktuelle Regelung für Sportler mit Prothesen um eine Teilnahme an regulären Wettkämpfen zu erwirken?
7. Welche Nachteil könnte für einen Sportler mit Prothese bei der Bewerbung für Wettkämpfe der Nichtbehinderten entstehen?
8. In welchem Aspekt unterscheiden sich die physiologischen und biomechanischen Grenzen von den ethischen Grenzen im Sport?

Literatur

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Bewertung des Wiki-Moduls

Kategorie Punkte Anmerkungen
Inhalt (max. 10) 9 Pkt sehr umfangreich (etwas zu viel für 60min), knapper Ausblick, kritischere Betrachtungsweise wünschenswert
Form (max. 5) 4 Pkt gute Übersichtlichkeit, sehr vielseitige Darstellung, kaum interne Links
Bonus (max. 2) 2 Pkt Umfangreiche Literatur, Nutzung von Wiki-Tools (Tabellen, Formeln, …)
Summe 15/15 = 100%
biomechanik/projekte/ss2016/wpg1604.txt · Zuletzt geändert: 27.07.2016 09:34 von Andre Seyfarth
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