Gruppe 7

Thema Veränderung des Körperschwerpunkts in der vertikalen Ebene beim Gehen und Rennen
Veranstaltung PS - Forschungsmethoden II
Autor Nico Bohlender, Dennis Merten, Joana Piron, Christian Stenzel
Bearbeitungsdauer 45 - 60 Minuten
Präsentationstermin
Zuletzt geändert 04.10.2016

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Einleitung

Gehen und Laufen sind die uns von der Natur vorgegebenden Fortbewegungsmöglichkeiten. Ohne viel über den Bewegungsablauf nachdenken zu müssen, spazieren wir durch Straßen, Laufen durch Wälder, oder rennen möglicherweise dem Bus hinterher. Fast automatisch bewegen wir uns von einem Ort zum anderen. Die einzigen Unterschiede, die uns zwischen dem Gehen und Laufen bewusst sind, sind die Geschwindigkeit und der eventuelle höhere Anstrengungsgrad. Die Fortbewegung in der Theorie wird wie folgt beschrieben „Allgemeine Prinzipien der Fortbewegung sind rhythmische Extremitätsbewegungen mit reziproker Innervation der Antagonisten“ (Berger, 1984, S.18). Doch wenn man sich die Bewegungsarten mal genauer anschaut, sind noch weitere Unterschiede zu erkennen. Beispielsweise zu erwähnen sind das Gangmuster, die Schrittlänge, das Abrollverhalten und auch die Bewegung des Körperschwerpunktes verhält sich bei den unterschiedlichen Fortbewegungsarten verschieden. Demnach wird gesagt, „Laufen ist eine zyklische Bewegungsart und wird besonders von Sportlern als Fortbewegungsart genutzt. Beim Laufen entsteht ein starkes sprungartiges Abstoßen eines Fußes, sodass beide Füße vom Boden abgehoben werden. Der Abstoß verlangt eine Kraftverstärkung durch Dehnungsreflexe“ (Berger, 1984, S.18). Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Untersuchung des Körperschwerpunktes, im Folgenden KSP genannt. Hierbei ist die Untersuchung der vertikalen Oszillation, sowie das verhalten der Winkelveränderungen bei den Gangarten Gehen und Laufen von besonderer Bedeutung. Bei der vertikalen Oszillation handelt es sich um die Bewegung des KSP in der Vertikalen. Die Oszillation ist ein Synonym für eine Pendelbewegung. Waller (2008, S. 8) zu Folge unterscheidet sich der Körperschwerpunkt beim Laufen zum KSP beim Gehen. Daraus ergibt sich auch die Fragestellung dieser Arbeit:

Wie verläuft die vertikale Oszillation des Körperschwerpunktes des Menschen beim Gehen, sowie beim Laufen, und wie unterscheidet sich die Winkelveränderung in den eben genannten Gangarten?

Aus der oben genannten Fragestellung leiten sich folgende Forschungshypothesen ab:

H1: Bei der vertikalen Oszillation des KSP ist die auf und ab Bewegung beim Gehen größer als beim Laufen

H2: Die Winkelveränderung (Richtungsvektor) des KSP ist beim Gehen größer als beim Rennen

In dem nachfolgenden Kapitel wird der Forschungsstand dargestellt und aufgrund dessen die zuvor genannte Forschungsfrage begründet. Zudem wird in diesem Kapitel der KSP und dessen Position erläutert. Danach wird die verwendete Methode mit den einzelnen Arbeitsschritten aufgelistet. Im weiteren Kapitel werden die resultierenden Ergebnisse, bezüglich der Forschungsfrage, aufgelistet und grafisch dargestellt. Im Anschluss werden die Ergebnisse diskutiert und mit dem Forschungsstand verglichen, die Forschungsfrage und Forschungshypothesen beantwortet und zu guter Letzt wird ein Fazit gezogen, sowie ein Ausblick auf weitere Forschungsmöglichkeiten in diesem Themengebiet gegeben.

Einführendes Beispiel

Der Körperschwerpunkt besitzt bei einem Wanderer bezüglich der Geschwindigkeit eine andere höhe in der vertikalen Ebene als bei einem 100m Sprinter, bei dem sich der Körperschwerpunkt aufgrund der Geschwindigkeit anders verhält. Wie genau sich die höhe des Körperschwerpunktes in der vertikalen Ebene verhält erfahren Sie in den weiteren Abschnitten.

Körperschwerpunkt (KSP)

Der Körperschwerpunkt (KSP) ist ein fiktiver Punkt in dem die Masse des gesamten Körpers gedacht werden kann und ist Angriffspunkt der Schwerkraft (sportunttericht.de).

Abb.1: Körperschwerpunkt im stehenden Ruhezustand eines Menschen. Abb.1: Körperschwerpunkt im stehenden Ruhezustand eines Menschen

Der KSP kann auch außerhalb des Körpers liegen. Jede Bewegung eines Körpers lässt sich in translatorische Bewegungen des Körperschwerpunkt und rotatorische Bewegungen des Körpers um den Körperschwerpunkt zerlegen. Der Körperschwerpunkt kann als Angriffspunkt einiger äußerer Kräfte (z.B. Gewichts- und Beschleunigungskraft) und bei wechselnden Körperpositionen als Bezugspunkt für die Körperteile angesehen werden (spolex.de)

Abb.2: Körperschwerpunkt bei menschlicher Sprungbewegung. Abb.2: Körperschwerpunkt bei menschlicher Sprungbewegung


Gehen

Der Körperschwerpunkt beim Gehen liegt ca. auf der Höhe des 10. Brustwirbels. KSP liegt am höchsten in der Mitte des Halbschrittes und am niedrigsten in den Extrema des Halbschrittes. Da beim Gehen die Beine beschleunigt und abgebremst werden müssen, muss Energie aufgewendet werden. Um nun einen Teil der Energie beim Abbremsen zu speichern, wird der Körperschwerpunkt angehoben. Somit wird kinetische Energie in potentielle Energie umgewandelt und gespeichert. (Waller D., 2008, S.8)

Abb.3: Veränderung des Körperschwerpunkt beim Gehen.

Abb.3: Veränderung des Körperschwerpunkt beim Gehen



Laufen

Der Körperschwerpunkt beim Laufen unterscheidet sich zum KSP beim Gehen. Beim Laufen befindet sich KSP in der Mitte des Halbschrittes am niedrigsten und an den Extrema des Halbschrittes am höchsten. Wie man sieht wird die Energie hier anders gespeichert als beim Gehen. Die Aufprallenergie wird in den Sehnen und Bändern des Beines gespeichert. Die Umwandlung erfolgt von kinetischer Energie in elastische Energie. (Waller D., 2008, S.8)

Abb.4: Veränderung des Körperschwerpunkt beim Laufen.

Abb.4: Veränderung des Körperschwerpunkt beim Laufen



Vertikale Oszillation

Der Körperschwerpunkt beim Laufen unterscheidet sich zum KSP beim Gehen. Beim Laufen befindet sich der KSP in der Mitte des Halbschrittes am niedrigsten und an den Extrema des Halbschrittes am höchsten Punkt. Wie man sieht wird die Energie hier anders gespeichert als beim Gehen. Die Aufprallenergie wird in den Sehnen und Bändern des Beines gespeichert. Die Umwandlung erfolgt von kinetischer Energie in elastische Energie. (Waller D., 2008, S.8)



Forschungsstand

Zum aktuellen Zeitpunkt gibt es keine auffindbaren Forschungen, welche sich mit den identischen Merkmalen (vertikale Oszillation während der Veränderung des KSP beim Gehen und Rennen) beschäftigen. In einigen auffindbaren Forschungen geht es meist um den KSP bei anderen sportlichen Aktivitäten, den KSP in der horizontalen Ebene sowie andere Merkmale bezüglich des KSP.

Eine Studie die sich mit dem Winkel der Hüfte, des Knies und des Fußgelenks beschäftigt, fand heraus, dass sich die Schrittlänge beim schnellen Laufen zwischen Asphalt und Laufband stark unterscheidet. (Local Dynamic Stability Versus Kinematic Variability of Continous Overground and Treadmill Walking; Journal of Biomechanical Engineering; Feb.2001/Vol.123) Die ist auch bei unserem Projekt zu berücksichtigen, da sich hier die Probanden beim Erfassen der Daten ausschließlich auf dem Laufband befinden. Somit ist die Datenmenge und die Datenerfassung im Allgemeinen nur zur groben Einschätzung verwendbar. Für unterschiedliche Laufgegebenheiten wären mehrere Probandengruppen benötigt worden. Den dieser Vergleich wäre auch bezogen zum KSP möglich und könnte Aufschluss darüber geben ob es auch hier Unterschiede zwischen Laufband und festem Untergrund bezüglich der Veränderung des KSP gibt.

Abschließend ist zu unseren eigenen Forschungen zu sagen, dass diese nur mit 2 Probanden pro Gangart durchgeführt wurden, wodurch das Ergebnis nicht als eindeutig angesehen werden kann.

In diesem Bereich der Forschung besteht großer Bedarf was Ausführlichkeit und Aussagekraft bereits vorhandener Forschungen betrifft. Vorhandene Forschungen sind nicht aussagekräftig genug um Veränderungen des KSP während dem Gehen oder Rennen bezüglich der vertikalen Ebene zu belegen.




Forschungsmethode

Im Folgenden wird nun das Vorgehen beschrieben, wie die Ergebnisse zustande kommen. Das suchen von geeigneten Probanden und das Messen an sich ist ausgefallen, da Datensätze vorgegeben sind. Demnach ist ein erheblicher Aufwand an Zeit und Einsatz von diversen Ressourcen verringert. Bezüglich der vorliegenden Forschungsfrage sind folgende Datensätze relevant: P1 walk und P1 run. Proband eins hat somit eine Messung im Gehen und im Laufen durchgeführt. Um das Forschungsfeld nicht zu weit zu öffnen, beschränken wir uns auf eine Geschwindikgeit in den beiden Gangarten auf 100%. Dementsprechend liegt auch eine Messung im Gehen und Laufen von Proband zwei vor. Auch hier beschränkt sich die Geschwindigkeit auf 100%, um einheitlich zu bleiben und Korrelationen besser aufzeigen zu können.

Ausgewertet werden die gegebenen Datensätze mit dem Computerprogramm Matlab, um anschließend die Ergebnisse graphisch darstellen zu können. Dazu sind unterschiedliche Skripte (CoM, IdentityLegs, Spaghettigraph) notwendig. Folglich ist es interessant zu erfahren, wie sich der Körperschwerpunkt in der vertikalen Ebene bewegt und welche Unterschiede bei den beiden Gangarten bestehen. Somit werden Mittelwerte und Abweichungen der KSP Bewegung bei einem Gangzyklus graphisch festgehalten, welche in dem Kapitel Ergebnisse zu sehen sind. Zur Veranschaulichung und des besseren Verständnisses, sind die Verlaufskurven der beiden Probanden jeweils ins Verhältnis von P1 und P2 bei gleicher Gangart gesetzt.

Weiterhin ist es interessant zu erforschen, wie sich der Winkel des KSP bei verschiedenen Gangarten verhält. Dazu sind wieder einige Datensätze und Skripte anzuwenden. Proband eins und Proband zwei werden hier erneut miteinander verglichen. Dabei schauen wir genau auf die Winkeländerung im Gehen der beiden Probanden, sowie auf die Winkeländerung im Laufen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das hauptsächliche methodische Vorgehen in der Anwendung des Programms Matlab liegt. Dabei werden Skripte über die Datensätze laufengelassen und die Ergebnisse der einzelnen Datensätze miteinander verglichen. Diese werden anschließend in Zusammenhang gebracht, um damit Rückschlüsse auf die Bevölkerung zu fassen und eventuell die Ergebnisse verallgemeinern zu können.



Forschungsergebnisse

In folgender Abbildung ist die Veränderung des KSP beim Gehen zu sehen. Hierbei wird die Gangart von zwei Probanden verglichen.

Abb.5: Verlauf KSP im Vergleich von zwei Probanden beim Laufen.

Abb.5: Verlauf des KSP im Vergleich von zwei Probanden beim Laufen

In folgender Abbildung ist die Veränderung des KSP beim Rennen zu sehen. Hierbei wird die Gangart von zwei Probanden verglichen.

Abb.6: Verlauf KSP im Vergleich von zwei Probanden beim Rennen.

Abb.6: Verlauf des KSP im Vergleich von zwei Probanden beim Rennen

Wenn man beide Gangarten bezüglich der Veränderung des KSP vergleicht, ist zu erkennen dass sich der KSP der beiden Gangarten in der Höhe der vertikalen Ebene unterscheidet. Von Beginn an ist zu sehen, dass die Kurven der einzelnen Probanden schon in unterschiedliche höhe liegen. Das liegt daran dass sich die Probanden in ihrer Körpergröße unterscheiden. Um Unklarheiten zu vermeiden wäre es sinnvoll mit drei oder mehr Probanden zu arbeiten um einen Mittelwert bilden zu können.

In den folgenden Abbildungen ist die Winkelveränderung des KSP bei den beiden Gangarten „Gehen“ und „Rennen“ dargestellt.

Abb.7: Winkelveränderung des KSP beim Gehen.

Abb.7: Winkelveränderung des KSP beim Gehen

Abb.8: Winkelveränderung des KSP beim Rennen.

Abb.8: Winkelveränderung des KSP beim Rennen

Zu erkennen ist eine regelmäßige Winkelveränderung. Wir schließen aus dem Ergebnis, dass die Winkel beim Gehen zum KSP variieren aber dennoch eine Wiederholung der Winkel zu erkennen ist. In der Abbildung der Winkelveränderung beim Rennen variiert der Winkel zum KSP häufiger, auch wenn es in beiden Fällen keine größeren Ausreißer gibt.


Zusammenfassung

Aufgrund der theoretischen Grundlagen, welche zu Beginn des Wikis gelegt werden und anhand der Ergebnisse unserer Auswertung der Datensätze mit dem Computerprogramm Matlab, ist der Verlauf des Körperschwerpunktes zu erkennen. Es gibt einen deutlichen Unterschied des KSP Verlaufs zwischen Gehen und Laufen. Da die Untersuchung mit nur zwei Probanden durchgeführt wurde, sind die Ergebnisse nicht repräsentativ. Daher ist eine Untersuchung mit dem selben Untersuchungsdesign, jedoch einer höheren Probandenzahl Voraussetzung, um die Ergebnisse auf die Allgemeinheit übertragen zu können. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kombination aus Winkeländerung und vertikaler Oszillation des Körperschwerpunkts im Vegleich zweier Gangarten ein interessantes Forschungsthema bietet und noch weitere Erkenntnisse durch genaueres Forschen und differenzierter Schwerpunktsetzung erlangt werden können. Abschließend wollen wir anmerken, dass das vorliegende Wiki-Modul einen kleinen Überblick über die Thematik verschafft und Raum für weitere Bearbeitungen bietet.


Fazit

Anhand der theoretischen Grundlagen bzw. des Kapitels Forschungsstand, welches zu Beginn des Wikis aufgezeigt wird, haben wir die Forschungsfrage und die daraus resultierenden Forschungshypothesen gebildet. Einen Überblick über unser Vorgehen und unsere Arbeitsschritte in der Abfolge, sowie welche Arbeitsschritte wir durchgeführt haben, wird im Kapitel Methode gegeben. In dem Kapitel danach ist anhand der aufgezeigten Ergebnissen und der Auswertung der Datensätze mit dem Computerprogramm Matlab der Verlauf des Körperschwerpunktes zu erkennen. Es gibt einen deutlichen Unterschied der vertikalen Oszillation KSP zwischen Gehen und Laufen, bei einer Geschwindigkeit von 100%, ebenfalls sind Unterschiede in der Winkelveränderung an den aufgezeigten Grafiken zu sehen.


Ausblick

Da die Untersuchung mit nur zwei Probanden durchgeführt wurde, sind die Ergebnisse nicht repräsentativ. Daher ist eine Untersuchung mit dem selben Untersuchungsdesign, jedoch einer höheren Probandenzahl Voraussetzung, um die Ergebnisse auf die Allgemeinheit übertragen zu können. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kombination aus Winkeländerung und vertikaler Oszillation des Körperschwerpunkts im Vegleich zweier Gangarten ein interessantes Forschungsthema bietet und noch weitere Erkenntnisse durch genaueres Forschen und differenzierter Schwerpunktsetzung erlangt werden können. Da die Untersuchung mit einer Geschwindigkeit von 100% durchgeführt wurde, ist es auch gut denkbar, die Vergleiche des Verhaltens des KSP zwischen Gehen und Laufen bei anderen Geschwindigkeiten zu erfassen. Zusätzlich können dann ebenfalls Vergleiche zwischen den einzelnen Geschwindigkeiten gezogen werden. Mit anderen Geschwindigkeiten sind 125%, 50%, sowie 25% gemeint.

Abschließend wollen wir anmerken, dass das vorliegende Wiki-Modul einen kleinen Überblick über die Thematik verschafft und Raum für weitere Bearbeitungen bietet.


Literatur / Internetquellen

Literatur

Berger, W., Dietz, V., Hufschmidt, A., Jung, R., Mauritz, K.-H., Schmidtbleicher, D. (1984) Haltung und Bewegung beim Menschen. Berlin: Springer Verlag

J.B.Dingwell, J.P.Cusumano, P.R.Cavanagh, D.Sternad; Local dynamic stability versus kinematic variablity of continuous overground and treadmill Walking. Journal of Biomechanical Engineering

Internetquellen

Dober, R. (2016): Sportunterricht.de. Zugriff am 05. Juni 2016 unter http://www.sportunterricht.de/lksport/ksp.html

Henschel, K. (2016) Lexikon sportwissenschaftlicher Begriffe. Zugriff am 05. Juni 2016 unter http://spolex.de/lexikon/koerperschwerpunkt-ksp/

Waller, D. (2008): Biomechanische Modelle Gehen und Laufen. Zugriff am 05. Juni 2016 unter http://tennisfragen.de/wordpress/wp-content/uploads/2011/11/Gehen-und-Laufen-Waller-UNI-Regensburg.pdf

Abbildungsverzeichnis

Abb.1 / Abb.2: Dober, R. (2016): Sportunterricht.de. Zugriff am 05. Juni 2016 unter http://www.sportunterricht.de/lksport/ksp.html

Abb.3 / Abb.4: Waller, D. (2008): Biomechanische Modelle Gehen und Laufen. Zugriff am 05. Juni 2016 unter http://tennisfragen.de/wordpress/wp-content/uploads/2011/11/Gehen-und-Laufen-Waller-UNI-Regensburg.pdf

Abb.5,6,7,8: Nico Bohlender, Dennis Merten, Joana Piron, Christian Stenzel (2016): Eigene „matlab“ Simulation



fm/ps_fometh2/ss2016/fmp1605.txt · Zuletzt geändert: 17.10.2016 21:01 von Joana Piron
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