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WP2007 Grenzen im Sport

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Modul-Titel WP2007
Veranstaltung PS Biomechanik
Autor Kevin Happ, Falk Richter, Carsten Schwiete, Maksims Zulevs
Bearbeitungsdauer ca. 60 Minuten
Präsentationstermin ..
Status in Bearbeitung
Zuletzt geändert

Einführung

Die Grenzen des Sports sind schon immer ein Thema offener Mythen und Debatten gewesen. Es ging lange immer höher, schneller und weiter. Das war sicherlich auf neue Trainingserkenntnisse und Hilfsmittel zurückzuführen. Doch seit einigen Jahren tut sich in den meisten Disziplinen nicht mehr viel im Ausbau der Weltrekorde. Es deutet also darauf hin, dass wir Menschen bereits an unsere Leistungsgrenzen gestoßen sind. Doch vielleicht trügt der Schein. Im folgenden Wiki-Modul werden wir der Frage nachgehen, ob die Grenzen im Sport bereits erreicht worden sind und versuchen in der Theorie zu erläutern, welche Parameter für den Ausbau neuer Rekorde verbessert werden müssen. Hierbei spezialisieren wir uns auf die Disziplinen des Gewichthebens sowie auf den Weitsprung.

Gründe für die Leistungs-Stagnation

Der Leistungsverlauf ist ein unregelmäßiger Prozess (Berthelot et al., 2015), der durch natürliche und künstliche Bedingungen verändert wird. Die beeinflussbaren Parameter für die Leistung - körperliches Training, Ernährung und Medizin – wurden im zwanzigsten Jahrhundert durch technologische Verbesserungen und Innovationen beeinflusst. Fogel (2004) prägte den Begriff „techno-physiologische Evolution“, um die anthropometrischen Zuwächse der letzten 3 Jahrhunderte zu beschreiben. Die auffälligsten Parameter, die die Leistung beeinflussen, beziehen sich auf die Biologie, speziell der Genetik. Hier sind zeitabhängige Prozesse wie das Wachstum und das Altern gemeint. Weiterhin spielt die Umwelt eine entscheidende Rolle. Die Gründe hier können natürlicher Natur sein (Umgebungstemperatur, Luftzusammensetzung, barometrischer Druck, Wind). Sie können aber auch auf den Menschen bezogen sein (durch kulturelle und technische Kontexte). Noch sind nicht alle Faktoren erforscht, aber einige der hiervon genannten könnten die jüngste Knappheit neuer Weltrekorde erklären.

Weltrekorde: Nur ein Zufall?

In den meisten Fällen von aufgestellten Weltrekorden kann man davon ausgehen, dass sich der Athlet auch über einen gewissen Zeitraum auf dem Rekord-Niveau befindet, sprich er könnte die Leistung bei denselben Bedingungen reproduzieren. Ein Beispiel für das Gegenteil einer solchen konstanten Leistung war der Weitspringer Bob Beamon im Jahr 1968. Er brachte am Tag seines Weltrekord-Sprungs eine Weite hervor, die noch 22 Jahre danach unberührt an der Spitze der Weitsprung-Weiten blieb. Verglichen mit dem Rest seiner Karriere oder den damaligen Mitstreitern, kam ein solcher Leistungsunterschied nie wieder vor (Desgorces, 2008).

(Verfasst von Falk Richter)

Der Weitsprung

Aus Erfahrung wissen Weitspringer, dass ein möglichst schneller Anlauf für eine große Sprungweite wichtig ist. Weltklasse Springer erreichen vor dem Absprung Geschwindigkeiten von etwa 10 m/s – damit hätten sie auch beim 100 m- Sprint gute Chancen. Die Kunst beim Weitsprung ist die große Anlaufgeschwindigkeit möglichst beizubehalten und noch dazu eine große Sprunghöhe zu erzielen. Flache Sprünge sind keine weiten Sprünge. Es ist allerdings nicht einfach, große Absprungwinkel zu erzielen, denn mit einem Schritt muss der Körper stark in die Vertikale beschleunigt werden. Hierfür wurde eine besondere Anlauftechnik entwickelt (die letzten drei Schritte im Rhythmus kurz-lang-kurz), wobei für einen möglichst hohen Sprung sogar eine Verringerung der Horizontalgeschwindigkeit in Kauf genommen wurde (Müller, 2010).

Wie weit kann ein Mensch springen?

Über eine sehr lange Zeit hinweg konnte der „Jahrhundertsprung“ von Bob Beamon (8,90 m, 1968) nicht überboten werden. Doch im Jahre 1991 gelang Mike Powell ein noch weiterer Sprung. Seitdem liegt der Weltrekord bei 8,95 m. Ist es möglich, diese Sprungweite zu überbieten? In der Theorie wird dieser Frage hier nachgegangen. Der Sprungverlauf eines Weitsprungs gleicht dem einer Wurfparabel (siehe KIN3 Wurf & Sprung). Der Unterschied zwischen Wurf und Sprung ist der aktive Absprung des Weitspringers. Was hier zählt, sind die Kräfte während der Flugphase. Wenn man vom Luftwiderstand absieht, so wirkt ausschließlich die Schwerkraft auf den Körper. Die Bewegungen des Springers während der Flugphase beeinflussen die Bahn des Körperschwerpunktes nicht. (verfasst von Falk Richter)

Theoretische Weite

Biomechanische Grundprinzipien

Die wichtigsten 3 biomechanischen Prinzipien um optimale Absprungkomponenten zu sichern sind:

1. Das Prinzip der Anfangskraft: Dieses Prinzip wirkt bei allen Sprüngen im fließenden Übergang zwischen Amortisations- und Beschleunigungsphase. Die Amortisationsphase beginnt mit dem Aufsatz des Fußes auf dem Boden und endet mit dem durch den Fußaufsatz verursachten Bremsstoß. Zu Beginn der darauf folgenden Beschleunigungsphase tritt eine relativ hohe Kraft auf, die sogenannte Anfangskraft.

2. Das Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges: Dieses Prinzip wird nur im zweiten Beschleunigungsweg umgesetzt, nämlich durch das Senken des KSP vor dem Absprung und der folgenden maximalen Erhöhung des KSP durch die maximale Körperstreckung beim Absprung. Im ersten Beschleunigungsweg, also bis zum Absenken des KSP durch den vorletzten Schritt, wirkt dieses Prinzip im engeren Sinne nicht.

3. Das Prinzip der zeitlichen und räumlichen Koordination von Teilimpulsen: Dieses Prinzip wird durch die richtige Koordination der Impulse der Schwungelemente und des Sprungbeines verwirklicht. Erst wenn alle Schwungelemente abgebremst sind, beginnt die Streckung des Sprungbeines. Durch das Abbremsen der Schwungelemente wird deren kinetische Energie auf den Rumpf übertragen, was die Streckung unterstützt.

Da die Flugkurve nach dem Absprung vom Gesetz der Trägheit bestimmt wird, haben Bewegungen die während der Flugphase ausgeführt werden so gut wie keinen Einfluss auf die Sprungweite. Die Flugbahn des KSP wird daher lediglich durch die Anfangsgeschwindigkeit, den Abflugswinkel und die Anfangshöhe des KSP bestimmt. Weitere wirkende Gesetze während der Flugphase sind das Prinzip der Impulserhaltung und das Prinzip der Gegenwirkung. Nach dem Prinzip der Impulserhaltung bleibt der Gesamtimpuls einer Drehbewegung während dem Flug unabhängig von der Lage des Körpers zur Drehachse unverändert. Das Prinzip der Gegenwirkung ermöglicht, trotz der unveränderlichen Flugkurve des KSP, Körperteile in günstigere Positionen zu bringen, da jede Bewegung eines Körperteils zu einer entgegengesetzten Bewegung eines anderen Körperteils führt (Wick, S. 207).

(verfasst von Falk Richter)

Leistungsentwicklung

In Tabelle 1. sind die Weltrekorde im Weitsprung der Männer im Vergleich zur kinetischen Energie anhand des Quadrates der Geschwindigkeit beim 100 m Lauf verzeichnet. Vergleicht man die Zunahme der kinetischen Energie beim 100-m-Lauf der Männer von 1960 bis 2002 gemäß Tabelle 1., so ergibt sich ein Wert von 4,4%. Die Zunahme der Sprungweite dürfte ebenfalls in dieser Größenordnung liegen. Basierend auf dem Weltrekord von Powell beträgt die Verbesserung der Sprungweite jedoch 9,0 %. Legt man den olympischen Rekord von 2000 zugrunde, beträgt die Leistungssteigerung 5,3 %, was auch der Zunahme der kinetischen Energie im 100-m-Lauf entsprechen dürfte.

Tabelle 1. Weltrekorde im 100 m Lauf (Männer), durchschnittliche Geschwindigkeit, Quadrat der Geschwindigkeit und der gültige Weltrekord im Weitsprung im gleichen Jahr. Prof. Dr. Hans Bergner (2006). Grenzen im Leistungssport und Doping. Books on Demand GmbH, Norderstedt

Der Graphik in der Tabelle 1. ist zu entnehmen, dass generell eine Linearität existiert. Bei näherer Betrachtung wäre jedoch zwischen den Punkten der Sprungweiten von 5,0 m (1913) und 6,4 m (1961) eine deutlichere Linearität zur kinetischen Energie des 100-m-Laufs erkennbar, die dann zwar noch mit dem folgenden Messpunkt, aber nicht mehr mit den beiden letzten kompatibel wäre. Die Sprungweite hatte bei den Frauen zwischen 1913 und 1961 um 28 % zugenommen, und das Quadrat der Geschwindigkeit des 100-m-Laufs hatte im gleichen Zeitraum um 48 % (von 54 auf 80 m²/s²) zugenommen. Der Weltrekord im Weitsprung von 6,42 m (1961) wurde dann auf 7,52 m (1988) erhöht, d.h. um 17 % in 27 Jahren. Die kinetische Energie, die von Anfang an möglich gewesen wäre, hatte sich nur um 13,7 % erhöht.

(Verfasst von Maksims Zulevs)

Absprungsgeschwindigkeit

Seit vielen Jahren ist die Anfangsgeschwindigkeit ein entscheidender Faktor und der wichtigste Parameter im Weitsprung. Der Tenor ist nach wie vor gültig: Gute Sprünge sind schnelle Sprünge. Allerdings muss man aufpassen, dass man einen Sprung nicht zu schnell verpasst. Hoogestraat (2008, S.8, zitiert nach Nixdorf, 1986, S. 63 ff.) fasst zusammen: „81% der Sprungweite sind auf die Absprunggeschwindigkeit zurückzuführen, jedoch nur 19% auf die Aktivitäten bei den folgenden Landungen, Absprüngen und Flügen.“ Eine Erhöhung der Absprunggeschwindigkeit erhöht die Sprungweite. Es ist jedoch zu beachten, dass mit zunehmender horizontaler Geschwindigkeit auch andere Parameter entsprechend geändert werden müssen, um negative Auswirkungen auszuschließen. Die ausgezogene Linie in Abb. 2 repräsentiert die Sprungweite im Vergleich zu der Zunahme der Geschwindigkeit (Quadrat der Geschwindigkeit) im 100 m-Lauf der Männer im Zeitverlauf von zwischen 1884 und 1968. Man sieht sehr deutlich eine Korrelation zwischen beiden Disziplinen, obwohl es sich nicht um die gleichen Athleten handelt, die diese zwei verschiedenen Weltrekorde verkörpern.

Abbildung 2: Vergleich des Quadrates der geschwindigkeit der Weltrekorde des 100 m-Laufs zu den Welt-rekorden im Weitsprung der Männer (nach Bergner, 1971). Prof. Dr. Hans Bergner (2006).

Körperschwerpunkt

Die letzten drei Schritte vor dem Absprung haben im Weitsprung fast die wichtigste Bedeutung. Wie man in der Abbildung 3 sehen kann, sinkt der Schwerpunkt des Springers durch Dehnung des Quadrizeps und der Wadenmuskulatur kontinuierlich nach unten, bis er die maximale Tiefe erreicht hat. Der Dehnungs-Kürzungs-Zyklus ermöglicht es, aus den gedehnten Muskeln mehr Energie zu erzeugen, wodurch ein größerer Sprungwinkel und eine größere vertikale Geschwindigkeit erreicht werden. Daraus folgt, dass je tiefer der Körperschwerpunkt vor dem Sprung oder je mehr die Muskeln gedehnt sind, desto mehr Energie kann aus diesen Muskeln für einen weiteren Sprung erzeugt werden.

Abbildung 3: Änderung des Körperschwerpunkts drei letzte Schritte vor dem Absprung im Weitsprung.https://www.youtube.com/watch?v=WCYoZpS1YHo

(Verfasst von Maksims Zulevs)

Absprungwinkel

Um die Weite beim Weitsprung theoretisch bestimmen zu können, so benötigt man die Parameter Absprunggeschwindigkeit |v ⃗0| und Absprungwinkel α. Hier lässt sich bereits erkennen, dass ein schneller Anlauf für den Weitsprung unabdingbar ist. Denn die Weite hängt quadratisch von der Abwurfgeschwindigkeit ab. Die Sprungweite vervierfacht sich, wenn die Geschwindigkeit verdoppelt wird. Der optimale Absprungwinkel liegt in der Theorie bei 45°. Tatsache ist, dass kein Springer einen so steilen Absprungwinkel erreicht. Selbst die besten Weitspringer, die ihre Absprungtechnik schon optimiert haben, springen maximal mit Absprungwinkeln von 20° und 30°. Der Grund für den ungünstig flachen Absprungwinkel liegt darin, dass bei einem Absprungwinkel von 45° die Vertikal- und Horizontalkomponente der Absprunggeschwindigkeit gleich sein müssten.

Abbildung 4: Maximale Weite beim Weitsprung als Funktion der Geschwindigkeit und des Absprungwinkels (Müller, 2010)

Abbildung 4 zeigt die Sprungweite für verschiedene Absprunggeschwindigkeiten und Absprungwinkel. Dass der optimale Absprungwinkel nicht genau bei 45°, sondern bei etwa 42° liegt, hat mit dem unsymmetrischen Verlauf des Sprungs zu tun. Die üblichen flachen Absprungwinkel sind also alles andere als optimal. Der eher flache Verlauf der Kurve zeigt aber auch, dass die Abhängigkeit der Sprungweite vom Winkel nicht allzu stark ist: Eine Verbesserung beim Absprungwinkel führt nur zu recht geringen Verbesserungen in der Weite. Anders sieht es bei der Absprunggeschwindigkeit aus: Mit etwa 10 m/s, was schon einer Weltklassegeschwindigkeit gleicht, würde man zu neuen Rekorden springen. Um mit aller Vorsicht eine Prognose zu wagen, wie es zu neuen Weltrekorden im Weitsprung kommen könnte, gehen wir von unveränderten Absprungwinkeln aus, setzen aber die höchsten bisher gemessenen Momentangeschwindigkeiten beim Sprint ein, die bei etwa 11 m/s liegen. Wenn es durch Verbesserungen der Technik gelänge, eine solche Geschwindigkeit beim Absprung beizubehalten, könnten die Springer Weiten von bis zu zehn Metern erzielen. (verfasst von Falk Richter)

Berechnung der Sprungweite

Beim Weitsprung beschleunigt der Sportler seinen Körper zunächst auf eine möglichst hohe Geschwindigkeit (Anlauf) und versucht, ihn nach dem Absprung möglichst lange in der Luft zu halten, um eine möglichst große Distanz ohne Berührung des Bodens zu durchqueren. Setzt man die Maximalgeschwindigkeit va = 10 m/s, die bei kurzen Sprints für einen guten Athleten erreichbar ist, so ergibt sich für die maximale Sprungweite:

va = Anfangsgeschwindigkeit; α = Absprungwinkel; lmax = maximale Sprungweite; g = Erdbeschleunigung

(zum Vergleich: Weltrekord 8,95 m, Mike Powell). Diese grobe Abschätzung ist nicht schlecht, hat aber einen Schönheitsfehler. Beim optimalen Absprungwinkel von 45° ergibt sich nämlich eine maximale Sprunghöhe von 2,50 m. Dies ist nicht nur im Rahmen des Weitsprungs unrealistisch. Geht man davon aus, dass der Weitspringer auch ein guter Hochspringer ist, so könnte er es allenfalls schaffen, beim Hochsprung seinen Schwerpunkt um etwa 1 m anzuheben. Dem würde eine vertikale Absprunggeschwindigkeit von vy = 4,6m/s entsprechen. Geht man gleichzeitig davon aus, dass er eine horizontale Absprunggeschwindigkeit von vx = 10 m/s schafft, dann ermittelt man gemäß tan α = vy/vx einen Absprungwinkel von a ≈ 27°.Unter diesem Winkel würde sein Schwerpunkt eine Entfernung von 8,10 m zurücklegen. Berücksichtigt man noch, dass beim Absprung der Schwerpunkt bei etwa 1 m Höhe und beim Landen bei 0 m liegt, sowie dass die Beine beim Landen nach vorn gerissen werden, so errechnet man eine entsprechend größere Sprungweite. (verfasst von Falk Richter)

Weitsprungtechniken

Es gibt die verschiedensten Techniken im Weitsprung:

Tabelle 2: Übersicht über die Vor- und Nachteile des Hock-, Schrittweit-, Hang- und Laufsprungs (modifiziert nach Bichsel, 2004)

Der Anlauf wird variiert, genauso wie der Absprung, die Flugphase als auch die Landung. Doch die eine, richtige Technik gibt es nicht. Der Schrittweitsprung wird allerdings bei Anfängern angewendet, da hier die Technik wesentlich einfacher ist. Dafür können mit dieser Technik keine rekordverdächtigen Weiten gesprungen werden. Seyfarth et al. (1999) haben herausgefunden, dass hohe Weiten mit mehreren Techniken gesprungen werden können. Viel mehr kommt es darauf an, eine optimale Sehnensteifigkeit im Zielmuskel zu generieren, um bessere Weiten zu erzielen. Bei allen Techniken kommt es entscheidend darauf an, für jede erforderliche Steifigkeit der Teilbewegungen in den dazu passenden Stemmwinkel zu kommen. Außerdem fanden Seyfarth et al. (1999) heraus, dass die Verzögerung des Stützbeins während des Absprungs nicht für eine verringerte Sprungdistanz sorgen, sondern dass diese Verzögerung wichtig ist, um einen höheren, vertikalen Impuls zu erzeugen. Somit erhöht das eine vermehrte Aufsetzgeschwindigkeit des Stützbeins sogar die Weitsprungdistanz. (verfasst von Falk Richter)

Weitsprungleistung & Höhe über dem Meeresspiegel

Beamons Weltrekord von 1968 mit einer Sprungweite von 8,90 m wurde in dieser Präsentation nicht berücksichtigt, da er unter unvergleichlichen atmosphärischen Bedingungen erzielt wurde. Bob Beamon aus den USA war Olympiasieger bei den Olympischen Sommerspielen in Mexiko-City. Mit einer Weite von 8,90 m war er über 23 Jahre Weltrekordhalter bis 1991. Mexiko-City ist über 2000 Meter hoch (bis zu 2260 Meter) und muss für einige Sportdisziplinen besonders berücksichtigt werden. Sportwettkämpfe in Höhen von 2000 m über dem Meeresspiegel können hinsichtlich ihrer Leistungen, die nur für wenige Sekunden einen Energieaufwand erfordern, begünstigt werden. Die notwendige Energiezufuhr bereitet dem Organismus für so kurze Zeiträume keine Schwierigkeiten, da sowohl die aerobe als auch die anaerobe Energiegewinnung genutzt werden kann. Ist die Energieversorgung gesichert, werden aufgrund des geringeren Luftwiderstandes verschiedene Disziplinen in höheren Lagen bevorzugt. Der Weitsprung-Beamons profitierte zusätzlich von der ca. 5% geringeren Schwerkraft in 2000 m Höhe. In Sacramento hatte Beamon 1968 unter normalen Bedingungen eine Sprungweite von 8,33 m erreicht. Sein neuer Weltrekord lag 6,8 % über seinem bis dato besten Wert. Der Vorteil des neuen Rekords sollte sich zunächst aus der um 5 % geringeren Schwerkraft ergeben. Die zusätzlichen 1,8 % der Leistungsverbesserung wären auf den geringeren Luftwiderstand in 2000 m Höhe und die am 18. Oktober 1968 am Schauplatz herrschende Windgeschwindigkeit von 2 m/s zurückzuführen (maximal zulässiger Rückenwind, nach Scherer, 1995, Seite 326). Würde man die Weitsprungwerte nach Abb. 2 in einer Kurve auf das Jahr 1968 interpolieren, käme man ebenfalls nur auf eine Distanz von 8,40 m. Der Weltrekord im Weitsprung von Mike Powell (USA) aus dem Jahr 1991 mit 8,95 m blieb unerklärlich merkwürdig, da er bei den Olympischen Spielen 1992 mit 8,64 m nur Zweiter hinter Lewis (8,67 m) werden konnte.

(Verfasst von Maksims Zulevs)

9-Meter Sprung

Mike Powell stellte 1991 einen Weltrekord von 8,95 m auf, der seit fast 30 Jahren ungeschlagen ist. Er war nicht der schnellste Sprinter der Welt, aber laut der Studie von A. Vorobiev, G.B. Ariel, I. Ter-Ovanessian (1993) betrug seine horizontale Geschwindigkeit vor dem Sprung 11,8 m/s (Gideon Ariel Andrei Vorobiev Igor Ter-Ovanessian 1993) und der Sprungwinkel 24 Grad (1993).

Die heute erreichte Höchstgeschwindigkeit beträgt 12,27 m/s (Fozzyfoster, 2012) und wurde von Usain Bolt erreicht. Wenn er also mit der Geschwindigkeit im gleichen Winkel abspringen würde, dann wäre die Weite seines Sprunges einschließlich der gleichen Windgeschwindigkeit von +0,3 m/s laut der Abbildung 4. über 9 Meter.

Abbildung 8: Berechnung der Weite von einem Springer im Weitsprung.

(Verfasst von Maksims Zulevs)

Physiologische Grenzen

Inwieweit bestimmt die Struktur der Muskulatur eigentlich die Sprungweite? Seyfarth et al. (2000) haben sich mit dem Thema auseinandergesetzt und sind zu dem Entschluss gekommen, dass:

  • Top-Weitspringer von kurzen Muskelfasern und langen Sehnen profitieren
  • Vergleicht man dieses Verhältnis von kurzen Muskelfasern und langen Sehnen mit Sprungtieren aus der Tierwelt, macht dies nicht nur Sinn, sondern lässt sich auch auf den Menschen übertragen (Alexander, 1988; Ettema, 1996)
  • der optimale Stemmwinkel nicht von der Muskelstruktur abhängt
  • die durch die Muskulatur verursachte Geschwindigkeit nicht die entscheidende Rolle für die Take-off-Phase spielt, weil der Muskel sehr wenig positive Arbeit leistet. Aus Beobachtungen geht hervor, dass die kleinsten Fasern hier von zentraler Bedeutung sind

Eine Studie von Ngetich et al. (2012) hat untersucht, inwieweit die einzelnen motorischen Grundeigenschaften einen entscheidenden Einfluss auf die Sprungweite haben. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die kardiovaskuläre Ausdauer, die koordinativen Fähigkeiten, die Explosivkraft und die Schnellkraft signifikant, positiv auf die Weite beim Weitsprung auswirken. Daher empfiehlt Ngetich den Fokus im Training mehr auf physische Fitness-Komponenten auszulegen. (verfasst von Falk Richter)

Leistungspotential

Die Technische Universität Brauaenschweig erstellte das folgende Diagramm 1., in dem sie zeigte, wie weit man bei verschiedenen Sprunggeschwindigkeiten und Sprungwinkeln springen würde. Soweit wir wissen, kann die folgende Geschwindigkeit erreicht werden, aber bei einer so hohen Geschwindigkeit ist es wegen der zu kurzen Reaktionszeit während des Sprungs unmöglich, bei einem so großen Winkel zu springen. Nach der Berechnung der theoretisch erreichten Sprungweite des schnellsten Läufers der Welt - Usain Bolt - können wir sagen: Je schneller man läuft, desto weiter springt man, aber es gibt noch viel mehr Potenzial, wenn man sich eine Möglichkeit ausdenkt, den Sprungwinkel bei einer so hohen Geschwindigkeit zu vergrößern.

Abbildung 9: Weite vom Sprung abhängig von der Anlaufsgeschwindigkeit und Absprungswinkel. https://prezi.com/u01vt5xlgd3p/der-sprung-von-mike-powell-eine-unuberwindbare-distanz-fur/

(Verfasst von Maksims Zulevs)

Gewichtheben

Nachdem wir uns bisher ausführlich mit dem hauptsächlich Schnelligkeits- und Absprungbedingten Weitsprung auseinander gesetzt haben, wird im weiteren Wiki-Modul das Gewichtheben und seine Grenzen erläutert.

Historische Entwicklung

In diesem Kapitel wird die Leistungssteigerung der letzten Jahrzehnte betrachtet, um die Grenzen der menschlichen Leistungsfähigkeit im olympischen Gewichtheben besser zu verstehen. Es mangelt an wissenschaftlichen Untersuchungen für die Entwicklung der Weltrekorde, daher soll eine Hochrechnung Tendenzen aufzeigen. Eine Untersuchung von John Croucher (1984) zeigte bei vereinzelten Gewichtsklassen in den 70er bereits erste Stagnationen:

Abbildung 11: Recordtrend (Croucher, 1984)

Die aktuellen Weltrekorde stellen sich dabei wie folgt dar:

Weightclass 56 kg 62 kg 69 kg 77 kg 85 kg 94 kg 105 kg +105 kg
Snatch 139 kg (2015) 154 kg (2014) 166 kg (2014) 177 kg (2016) 187 kg (2007) 189 kg (2018) 200 kg (2008) 220 kg (2017)
Clean & Jerk 171 kg (2015) 183 kg (2015) 198 kg (2013) 214 kg (2016) 220 kg (2016) 233 kg (2017) 246 kg (2015) 263 kg (2004)

Quelle: world-records)

Die durchschnittlichen Steigerungen werden dabei aus dem Zeitraum A (1956 bis 1982 = 26 Jahre) und dem Zeitraum B (1982 bis 2020 = 38 Jahre) berechnet. Dies ergibt folgende Steigerungswerte für die jeweiligen Zeiträume:

Zeitraum A:

- Snatch: 1,39 ± 0,4kg pro Jahr

- Clean&Jerk: 1,68 ± 0,5kg pro Jahr

Zeitraum B:

- Snatch:0,32 ± 0,16kg pro Jahr

- Clean&Jerk: 0,15 ± 0,14kg pro Jahr

Diese Art der Berechnung wird dem Anspruch einer stichhaltigen, statistischen Gültigkeit nicht gerecht. Sie dient jediglich dazu eine grobe Tendenz aufzuweisen, zumal sich die Gewichtsklassen über die Jahrzehnte leicht verschoben haben. Aus historischer Betrachtung scheint es so, als würde der Mensch in diesen Disziplinen seinem möglichen Maximum näherkommen.

Interessant hierbei :

Croucher versuchte damals die Rekorde der nächsten vier Jahre, anhand der damaligen Steigerungsrate zu errechnen. Ein Vergleich mit den Rekorden 2020 würde ihn nachträglich verwundern.

Abbildung 12: Projektion (Croucher, 1984)

Biomechanische Grundprinzipien

Im olympischen Gewichtheben sind die menschliche Anthropometrie sowie das mechanische Optimum nicht kompromisslos miteinander vereinbar. Aus mechanischer Sicht stellt sich die effizienteste Bewegung durch die konkreten Disziplinvorgaben als simple dar. Die Hantel sollte so vertikal wie möglich geführt werden, um bei einwirkender Gravitation den effizientesten Weg zu erzielen. Hierfür sollten die physikalischen Gleichungen von Leistung und Arbeit aufgefrischt werden:

Legende:

L – Arbeit (energeticher Aufwand des Körpers)

F – Kraft (Kraft)

s – Weg (Verlauf der Hantel)

m – Masse (Gewicht der Hantel und des Athleten)

a – Beschleunigung (Ouotient aus Geschwindigkeit/Zeit)

Gleichung:

L = F x s Arbeit = Kraft x Weg

F = m x a Kraft = Masse x Arbeit

Schnell wird klar, dass, um mehr Gewicht erfolgreich stemmen zu können, entweder mehr Kraft aufwendet werden muss oder ein geringerer Weg zurücklegt werden muss. Da aber ein höherer Kraftaufwand meist schwierig zu realisieren ist, könnte die bessere Zielvorgabe sein, den Weg so gering wie möglich zu halten (vertikal).

Abbildung 13: Horizontal-Bardiscplacement (Garhammer,1985)

(Quelle: Garhammer,1985)

Wieso heben Sportler ihr nie Gewicht perfekt vertikal? Dies liegt an zwei Faktoren. Zum einen verhindern zu unterschiedlichen Phasen der Bewegung, je nach Anthropometrie des Sportlers, die Position der Knie oder die am Hebel beteiligten Körpersegmente, eine rein vertikale Bewegung der Hantel. Zweitens hebt der Sportler nicht nur das Gewicht der Hantel, sondern auch sein eigenes Körpergewicht an. Durch die verschiedenen Lagen, während der Bewegung der Masseschwerpunkt verlagert wird, muss in Betracht gezogen werden, dass die optimale Bewegung einen vertikalen Verlauf des gemeinsamen Masseschwerpunkts (Hantel+Körper) darstellt und somit intraindividuell variieren kann (vgl. Szabo, 2012).

Anthropometrie

Die anthropometrischen Vorrausetzungen für optimale Leistungen im Gewichtheben sind derzeit noch nicht in der Literatur erklärt. Aus der mechanischen Perspektive ist es durchaus von Vorteil, klein zu sein, eine proportional geringere Armspannweite und Tibialänge (Unterschenkel) sowie größere Biacromialbreite (Schulter) aufzuweisen. Dies hat zwei Vorteile: Erstens: Ein kürzerer Weg (geringere Körpergröße) resultiert in einem geringeren Kraftaufwand. Zweitens: Kürzere Gliedmaßen und breitere Schultern helfen bei der Reduktion des Drehmoments, da sich hierbei die Hebelarme verringern (vgl. Storey&Smith, 2012).

Abbildung 14: Anthropometrische Einflüsse auf Weg

(Quelle: mod. nach snatch-kinematics-and-considerations-for-training

Aus physiologischer Sicht scheint jedoch ein weiterer Faktor eine Rolle zu spielen, der die Gewichtung der Mechanik relativieren könnte. Ford et al. (2000) führen an, dass die realisierbare Kraft stark durch die Muskelquerschnittsfläche beeinflusst wird. Ob ein Gewicht bewegt werden kann, hängt also stark davon ab, wie viele Myofilamente parallel rekrutiert werden können. Da jedoch Muskelzellen ab einem gewissen Punkt nicht weiter an Größe zunehmen können, wird bei Athleten, die ihre maximale Querschnittsfläche erreicht haben, die Kraft durch die Anzahl der parallel laufenden Muskelzellen bestimmt. Die Anzahl der parallel laufenden Muskelzellen korreliert dabei stark mit der Knochenlänge (vgl. Ford et al., 2000). Somit scheinen größere Athleten nach Ford et al. (2000) hinsichtlich ihrer physiologischen Voraussetzungen, bis zu einem gewissen Grad einen Ausgleich zu haben.

Geschlechterunterschiede

Die Ursache der unterschiedlichen Leistungen zwischen Männer und Frauen im olympischen Gewichtheben sind noch nicht abschließend geklärt. Fest steht, Frauen weisen in der Regel bei gleichem Gewicht und Körpergröße meist eine geringere Muskelquerschnittsfläche auf. Dies führt zu einem geringeren Verhältnis von kontraktilem zu nicht kontraktilem Gewebe, welches maßgeblich die Leistung beeinflusst. Einige Studien zeigten Unterschiede in der Anzahl an Muskelfasern pro Querschnitt zwischen Männern und Frauen (Alway et al., 1989), wiederum andere zeigten keine (Stone&Smith, 1979). Die Frage wieso aber Frauen ein vermindertes Verhältnis zwischen kontraktilem zu nicht kontraktilem Gewebe aufweisen und somit geringere Leistungen erzielen können, bleibt somit Gegenstand zukünftiger Forschung (vgl. Ford et al., 2000)

Technikoptimierung

Um die maximale Leistungsfähigkeit eines Athleten auszureizen, ohne die körperlichen Vorrausetzungen zu ändern (da hoch trainierte Athleten meist nur mit sehr viel Aufwand Kraftzuwächse erzielen können), ist ein großer Faktor die optimale Technik. Die vom Gewichtheber durchgeführte Technik ist prinzipiell dann nahe am Optimum, wenn während des Hebens die Bewegung des gemeinsamen Schwerpunkts (Hantel + Körper) möglichst vertikal ist und der Energiebedarf zur Kompensation der negativen Auswirkungen der Drehmomente auf ein Minimum reduziert wird. Da die anthropometrischen Verhältnisse der Athleten jedoch variieren, ist hierbei anzuführen, dass das optimale Technikleitbild individuell abweicht (vgl. Szabo, 2012). Darüber hinaus gibt es unterschiedliche Möglichkeiten die bereits angesprochene Problematik zu kompensieren.

Beim Snatch beispielsweise bewegt sich die Langhantel, nachdem sie von der Plattform abgehoben wurde, auf den Athleten zu und wird dann durch die Hüft- und Kniegelenkextensionen und Schulterflexion des Hebers vom Körper des Hebers weggedrückt. Schließlich hockt sich der Heber schnell unter die Stange und macht sich bereit, die Stange zu fangen, was dazu führt, dass sich die Hantel wieder auf seinen Körper zu bewegt. Es wurden dabei verschiedene Wege der Hantel unter Hebern aus unterschiedlichen Ländern gefunden: z.B. ziehen US-Heber die Stange eher nach vorne und fangen die Stange vorne (Stone et al.,1998), während die asiatischen Elite-Athleten die Stange mit einem Sprung nach hinten ziehen, was zu einer Fangposition hinter der Ausgangsposition der Langhantel führt (Gourgoulis et al.,2000;Isaka et al., 19969(vgl. Hung-Ta, 2010). Mit beiden Techniken konnten hervorragende Leistungen erzielt werden und es liegt zunächst an der Präferenz des Sportlers, welche der beiden Optionen für ihn das Optimum darstellt.

(verfasst von Kevin Happ)

Kraft und Gewichtheben

Die Maximalkraft eines Athleten entscheidend maßgeblich über die Last, die er im Wettkampf heben wird. Gewichtheben ist trotzdem keine reine Kraftsportart, sondern wird von technischen Faktoren beeinflusst und kann besser als Kraft-Geschwindigkeits-Sportart charakterisiert werden, bei der die Fähigkeit, eine sehr hohe Spitzenkraft (Peak Force) zu erbringen, der wichtigste Erfolgsfaktor ist. In jedem Fall ist es klar, dass die Maximalkraft (oder Spitzenleistung) und die Leistung beim Gewichtheben bei Athleten mit stark variierenden Körpermassen keine lineare Funktion ist. Um die Beziehung zwischen Maximalkraft und der Hebeleistung unabhängig von den Einflüssen von Körpermasse/Größe zu ermitteln, wurden verschiedene Skalierungsmodelle entwickelt:

  1. Körpermassen- und Magermassenskalierung (d.h. Last · kg oder Last · lbm )
  2. allometrische Skalierung → Zwei-Drittel-Leistungsgesetz: Last · (Körpermasse0.67)
  3. Skalierung nach Höhe (Last · (Höhe)2.16)
  4. Sinclair-Formel → Polynomgleichung, die alle 4 Jahre aktualisiert wird

actual total · Sinclair coefficient = Sinclair total

Sinclair coefficient = 10A(log10(x/b))²

x=Körpergewicht des Athleten; b=Körpergewicht des Weltrekordhalters; A= Koeffizient für den olympischen Zyklus

Beispiel: ein 69Kg schwerer Athlet hat ein total von 320Kg. 
Setzen wir seine Daten in die Sinclair Formel ein erhalten wir einen Wert von 1.4. 
Diesen Wert setzen wir wiederum in die Eingangsformel ein:
320(actual load) · 1.4(Sinclair Koeffizient) = 456(Sinclair total)

Gegenwärtig ist die Sinclair-Formel die Skalierungsmethode, die international für den Leistungsvergleich beim Gewichtheben benutzt wird.

Die Maximalkraft wird durch verschiedene Faktoren wie den Muskelquerschnitt, die Faserverteilung (Verhältnis von FT-Fasern zu ST-Fasern) und der intramuskulären Koordination bestimmt. Eine hohe Maximalkraft ermöglicht es also die Langhantel zu beschleunigen und Leistung zu erzeugen und ist damit einer der entschiedensten Faktoren im Gewichtheben. Ein wichtiger Faktor in Bezug auf die Kraft ist die neuromuskuläre Funktion des Athleten. Vor allem die Spitzenleistung (Peak Power) und Spitzenkraft (Peak Force) sind stark mit einer guten Hebeleistung verbunden. Die Zeit, die der Muskel des Athleten braucht um Peak Force (Fm) zu erzeugen, wird als Tm bezeichnet und beträgt durchschnittlich 300-400ms. Gewichtheber haben allerdings nur begrenzt Zeit, um die Hantel vom Boden zu heben und umzusetzen. Im Fokus steht also nicht die beste Maximalkraft unter optimalen Bedingungen (Fmm), sondern die Entwicklung einer maximalen Kraft in einem gegebenen Zeitintervall (Explosivkraft).

Abb. 17 Vergleich der Explosivkraft- und Maximalkraftentwicklung (mod. nach Zatsiorsky 2009)

Den Unterschied von Fmm und Fm beschreibt Zatsiorsky als „explosive-strength deficit (ESD)“:

ESD(100%) = 100(Fmm-Fm)/Fmm

Gewichtheber können ihre Peak Force bereits unter 260ms entwickeln und sie stellen außerdem die höchsten absoluten und relativen Werte in der Peak Power (6891W im Reißen und Stoßen). Es gibt verschiedene Ansätze die Beziehung von Maximalkraft und Hebeleistung unter Berücksichtigung der anthropometrischen Merkmale und der Technik gegenüber zu stellen. Ein Vergleich mit dem reinen Körpergewicht wird dabei zwar oft benutzt, ignoriert allerdings die Körperzusammensetzung, Größe und Geschlecht. Gerade bei leichteren Athleten kann der Zusammenhang dadurch relativ schlecht vorhergesagt werden (Stone et al., 2005). Die größte Kraft wird dabei im Unterkörper produziert. Während sich die Peak Power im Oberkörper kaum von Handballspielern unterscheidet, ist sie im Unterkörper bis zu 36% höher als in anderen Spitzenathleten (Storey & Smith, 2012). Unter anderem werden die stärksten Korrelationen auch bei Kraftübungen wie der Nackenkniebeuge gemessen.

Abb. 18 Korrelation der Nackenkniebeuge und dem Clean&Jerk (mod. nach Stone 2005)

Da die neuromuskulären Anpassungen und die Maximalkraftentwicklung nur über lange Zeiträume erreicht werden können, sollten Gewichtheber also schon so früh wie möglich mit spezifischem, hochintensivem Krafttraining anfangen, um ihre Hebeleistung zu optimieren! Die besten Übungen dafür sind das Kreuzheben, die Nacken- und Frontkniebeuge, Bankdrücken und weitere spezifische Weightlifting-Übungen.

(verfasst von Carsten Schwiete)

Überschreitung der Grenzen durch Doping

Pharmakologische Innovationen brachten leistungssteigernde Medikamente hervor, die auf Produkten basierten, die ursprünglich entwickelt wurden, um fehlerhafte physiologische Funktionen in Patientenpopulationen auszugleichen. EPOs, Wachstumshormone, Steroidhormone oder Amphetamine haben in vielen Sportdisziplinen Geschichte geschrieben. Im nacholympischen Jahr 1993 erzielten chinesische Athletinnen außergewöhnliche Leistungen und waren für 33 % der Spitzenleistungen, 33 % der zweitbesten und 39 % der drittbesten Leistungen verantwortlich. Diese Verhältnisse wurden seither weder von China noch von einem anderen Land erreicht. Im selben Jahr schlugen bei den Nationalen Spielen in Peking fünf chinesische Frauen den 3000-m Weltrekord, ein einzigartiger Moment in der gesamten Sportgeschichte. Dieser Rekord wurde seither nie wieder erreicht. Im Schwimmen stand das Jahr 1994 im Zeichen einer weiteren Doping-Affäre: Sieben chinesische Athletinnen wurden bei den Asienspielen 1994 in Japan für positiv erklärt. Yesalis und Bahrke (2002) stellten die Rolle der ostdeutschen Trainer in den Sportprogrammen Chinas nach dem Fall der Berliner Mauer in Frage. Die Einnahme von Dopingmitteln könnte den letzten Leistungsschub in den 1990er Jahren erklären (Spitzer, 2013). Talentierte Sportlerinnen und Sportler konnten durch den Einsatz von Dopingmitteln unüberwindbare Leistungsmauern durchbrechen. Seit dem Doping-Faux pas der 90er-Jahre wurden strengere Anti-Doping-Strategien, Institutionen und außerhalb von Wettkämpfen durchgeführte Früherkennungsuntersuchungen eingeführt, die ebenfalls einen Platz in der Erklärung der gegenwärtigen Leistungsstagnation haben könnten. Jede wirksame Innovation führt zu einer raschen Verbesserung der sportlichen Leistung, und auf jedes technologische Verbot folgt eine Verschiebung der besten sportlichen Kapazitäten nach unten (Desgorces, 2008). Ohne Technologie wäre das Niveau vieler Disziplinen nicht auf den heutigen Standard angestiegen (Berthelot et al., 2015). (verfasst von Falk Richter)

Doping im Gewichtheben

Doping spielt in allen professionellen Sportarten eine nicht zu unterschätzende Rolle. Die vielen gesundheitlichen Folgen und ethischen Grenzen sind bereits ausführlich erklärt worden (WPG1604 Grenzen im Sport). Wir wollen jedoch noch einmal die Rolle des Dopings speziell im Olympischen Gewichtheben vorstellen und wie es sich auf die Leistung der Athleten auswirkt.

Generell wird Doping am meisten in Sportarten betrieben, die von den folgenden 3 Leistungskomponenten abhängig sind:

1. Kraft 2. Ausdauer 3. Regeneration 

Je taktisch-technischer eine Sportart wird, desto geringer sind die Auswirkungen der körperlichen Konstitution in der Regel. In allen wissenschaftlichen Analysen ist das olympische Gewichtheben die „verseuchteste“ Sportart nach dem Fahrrad fahren. Das liegt vor allem daran, dass Gewichtheber immens von Muskulatur und extremer Kraft und Explosivität profitieren, was sich über diese Substanzen einfach verbessern lässt. Fast 70% der Substanzen sind dabei anabole Steroide, wie zum Beispiel Wachstumshormone, da sie den größten Effekt in Sachen Kraftsteigerung und Muskelaufbau haben (Aguilar-Navarro et al., 2020).

Schon nach 20 Wochen lassen sich durch die Substituierung von Wachstumshormonen in Kombination mit Krafttraining erhöhte Testosteronwerte feststellen. Die Muskelmasse vergrößert sich typischer Weise um 5-20% je nach Ausgangsniveau, Dosierung und Ernährung. Die globalen Effekte der Wachstumshormone halten bis zu 12 Wochen nach Absetzung an (Lippi, Franchini & Banfi, 2011). Andere Substanzen wie Diuretika sind wenn überhaupt in den leichteren Gewichtsklassen vertreten, um in kurzer zeit möglichst viel an Körpergewicht zu verlieren und dadurch in die gewünschte Gewichtsklasse zu kommen.

Dieses Modul soll vor allem daran erinnern, dass extrem viele Weltklasse-Athleten im Bereich des olympischen Gewichthebens illegale Mittel zu Hilfe nehmen und dadurch die Leistung teilweise sehr stark verbessert, bzw. verfälscht wird. Allein für die Weltmeisterschaft im Gewichtheben 2017 wurden 9 Nationen ausgeschlossen, von denen praktisch alle die Weltspitze darstellen (Armenien, Aserbaidschan, China, Kasachstan, Moldawien, Russland, Türkei, Ukraine und Weißrussland). Dadurch fällt es zunehmend schwerer nachzuvollziehen, was natural möglich ist und wo die Grenzen in diesem Sport wirklich liegen. Alle vorherigen Module setzen voraus, dass die Athleten kein Doping betreiben, da die erstellten Rekorde dann sowieso hinfällig sind!

(verfasst von Carsten Schwiete)

Fazit und Ausblick

Dieses Wiki sollte aufzeigen, welche Faktoren auf den Weitsprung und das Gewichtheben einwirken und inwieweit diese Faktoren eventuell auch Grenzen in diesen Disziplinen/Sportarten aufweisen können. Im Folgenden wollen wir noch einmal die wichtigsten Faktoren zusammenfassen und einen Ausblick geben, wie ein idealer Athlet, auf Grundlage wissenschaftlicher Literatur, im Weitsprung bzw. im Gewichtheben aussehen würde.

Weitspringen: Im Teil „Grenzen im Weitsprung“ wurden Themen wie Leistungsentwicklung, Anlaufgeschwindigkeit, Absprungwinkel, Sprungtechniken und deren mögliches Potential untersucht. Es stellte sich heraus, dass es trotz einer fast dreißigjährigen Stagnation immer noch möglich ist, einen neuen Rekord aufzustellen, indem entweder die Anlaufgeschwindigkeit erhöht oder indem eine Methode gefunden wird, einen höheren Winkel für den Sprung bei hoher Geschwindigkeit zu schaffen. Hohe Weiten können mit mehreren Weitsprungtechniken gesprungen werden. Bei allen Techniken kommt es entscheidend darauf an, für jede erforderliche Steifigkeit der Teilbewegungen in den dazu passenden Stemmwinkel zu kommen. Der Text stellt auch andere Methoden wie Doping und die Erdanziehungskraft vor, mit denen eine größere Distanz erreicht werden kann, aber leider können diese Ergebnisse nicht offiziell wahrgenommen werden. Zusammenfassend kann man sagen, dass noch genügend Potenzial vorhanden ist, um die Distanz eines Weitsprungs zu erhöhen, aber dafür müssen neue Techniken gefunden werden.

Gewichtheben: Die Leistung im Gewichtheben wird neben der Technik vor allem von der Körpergröße und der Kraft des Athleten bestimmt. Der ideale Athlet ist circa 1,83m groß (Frauen 1,75m). Das liegt daran, dass die Knochenlänge einen Einfluss auf die Anzahl der Muskelzellen im Querschnitt hat. Je größer der Muskelquerschnitt, desto höher ist die Maximalkraft des Sportlers. Bei einer zu großen Knochenlänge büßt der Sportler diesen Vorteil allerdings durch schlechte Hebeverhältnisse aufgrund seiner Körpergröße ein. In Sachen Körperzusammensetzung sollte der Sportler möglichst viel kontraktile Muskelmasse haben und überflüssiges Gewicht möglichst vermeiden. Das Ziel sollte immer sein, so viel Kraft wie möglich aufzubauen ohne dabei an überflüssigem Körpergewicht zuzulegen (Ford et al, 2000). Die Grenzen im Gewichtheben sind also noch lange nicht erreicht! Mit optimalen anthoprometrischen Vorraussetzungen, einer perfekten Technik und durch frühes spezifisches Krafttraining ist davon auszugehen, das auch weiterhin neue Rekorde aufgestellt werden !

(verfasst von Maksim Zulevs & Carsten Schwiete)

Fragen zur Wiederholung

1. Was ist der optimale Sprungwinkel für einen Weitsprung, wie kann er erhöht werden und warum ist es nicht möglich?

Ein optimaler Sprungwinkel für den Weitsprung liegt bei etwa 20-25 Grad. Man kann ihn erhöhen, indem man einen stärkeren Sprung bzw. größere vertikale Geschwindigkeit beim Abspringen erzeugt, aber da man sehr kurze Zeit für den Absprung hat, ist es unmöglich, so viel Kraft aus den Muskeln währenddessen zu generieren.

2. Wie ist der Verlauf des Körperschwerpunkts und der Laufgeschwindigkeit der letzten vier Schritte vor dem Absprung?

Bereits bei dem vierten Schritt vor dem Absprung macht der Athlet kleinere Schritte, um seine Geschwindigkeit zu reduzieren und den Schwerpunkt zu senken. Dadurch kann der Springer einen grösseren Sprungwinkel bzw. mehr Kraft für die vertikale Geschwindigkeit erzeugen.

(Verfasst von Maksims Zulevs)

Literatur

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Abbildungverzeichnis

Abb. 17: Vergleich der Explosiv- und Maximalkraftentwicklung (modifiziert). Zatsiorky V & Kraemer W (2006). Science and Practice of Strength Training (2 Aufl.) Human Kinetics.

Abb. 18: Korrelation der Nackenkniebeuge und dem Clean&Jerk (modifiziert). Stone M, Sands W, Pierce K, Carlock J, Cardinale M, Newton R (2005). Relationship of Maximum Strength to Weightlifting Performance. Medicine & Science in Sports & Exercise: 1037-1043.

http://www.tu-braunschweig.de/Medien-DB/ifdn-physik/dd12-3.pdf

https://www.youtube.com/watch?v=WCYoZpS1YHo

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