QFM05 Laufschuh

Title Einfluss vom Laufschuh auf das Abrollverhalten beim Rennen
Veranstaltung Seminar Quantitative Forschungsmethoden WS 13/14
Leitung Prof. Dr. phil. Andre Seyfarth
Betreuung Martin Grimmer
Autoren Marcel Buchheister, Albrecht Röhm, Andre Santner
letzte Bearbeitung 24.02.2014

Das Seminar Quant. Forschungsmethoden

Dieser Artikel enstand im Rahmen des oben genannten Seminares.

Den Ablauf des Seminars sowie die Aufgabenstellung können sie dem Artikel über das Seminar quant. Forschungsmethoden entnehmen.

1. Einleitung

In den letzten Jahren haben sich in der Laufschuhentwicklung neue Trends herauskristallisiert. Die Entwicklung geht weg von den klassisch gedämpften Laufschuhen, hin zu sogenannten „minimal protection shoes“, welche laut Herstellerangaben ein barfußähnliches Lauferlebnis versprechen. Dies liegt zum einen daran, dass das Konzept vom „ Dämpfen, Stützen, Führen“ an Relevanz verloren hat. Zum anderen wird versucht die Einflüsse des Schuhes auf den Bewegungsapparat und den Bewegungsablauf zu minimieren. So sollen beispielsweise biomechanisch ungünstige Hebelwirkungen vorgebeugt werden. Darüber hinaus haben die Dämpfung und die mediale Abstützung an Relevanz verloren. Aufgrund der neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse sind zwei Entwicklungen beim Sportschuhbau zu beobachten. Zum einen die Individualisierung der Passform und auf der anderen Seite die Imitierung von Kräften, die dem Barfußlauf auf einem Naturboden ähnlich sind (vgl. Walther & Mayer, 2008).

1.1 Hintergrund des Themas

Lieberman, D.E. et al. (2010) sowie Bramble, D.M. & Lieberman, D.E. (2004) zeigten, dass ein Laufen auf dem Vorfuß ein natürliches Laufen ist. Denn in seinen Untersuchungen wurden Probanden untersucht, die in ihrem Alltäglichen Leben auch ohne Schuhe Laufen, Es wurde dort ein deutliches Vorfußlaufen festgestellt. Die gleichen Probanden wurden dann mit gedämpften Schuhen getestet. Durch die Schuhe liefen die Probanden dann auf der Ferse. Schlussfolgernd kann man zu der Studie sagen, das die Schuhe den Menschen erst zum Fersenläufer gemacht haben bzw. machen. Aus diesem Hintergrund wurde dann auch die Kräfteeinwirkung auf den Bewegungsapparat untersucht. Es ergaben sich beim Fersenauftritt auf den Boden eine hohe Krafteinwirkung. Diese Kräfte wirken dann direkt auf das Knie und Hüftgelenk. Hingegen wurde beim Vorfußlauf eine geringere Kraftentwicklung beim Bodenkontakt nachgewiesen. Dies lässt sich durch die abfedernde Wirkung des Sprunggelenks und der Achillessehne erklären.

Bei einem Fußabdruck hält der Boden dagegen und dadurch wird eine Bodenreaktionskraft hervorgerufen, die auf den Fuß wirkt. Insgesamt besteht die Bodenreaktionskraft aus drei Dimensionen. Dazu zählen die vertikal Reaktionskraft und zwei Scherkräfte, die horizontale und die laterale Scherkraft. Der Fuß wird beim Laufen neben der nach unten wirkenden Schwerkraft (vertikal) auch durch eine horizontale Kraft durch die Vorwärtsbewegung beeinflusst. Jedoch sind die Bodenreaktionskräfte in vertikaler Richtung größer als die in horizontaler Richtung. Die Horizontalkräfte üben zunächst beim Aufsetzen des Fußes abbremsende (Exzentrische) Kräfte auf den Fuß aus und bewirken in Folge dessen durch den Abdruck rückwärtsgerichtete Kräfte. Beim Aufsetzen des Fußes wird daraufhin die vertikale Kraft durch die Schwerkraft angeregt. Diese Kraft, die auf das Bein Einfluss ausübt, kann bei einem Sprintschritt das Dreifache des Körpergewichts betragen (Forum naturwissenschaftlicher Unterricht, 2013).

Weiterführend kann man festhalten, dass ein Vorfußlaufen ein schonenderer Laufstil für den Bewegungsapparat ist. So stellte sich aber die Frage wie hoch die Kraftentwicklung beim Vorfußlaufen mit verschiedenen Schuhen ist. Aus dieser Betrachtung entstand das Thema dieser Untersuchung: „Vergleich eines Laufschuh mit einem minimal protection shoe sowie dem Barfußlaufen, in Bezug auf die vertikale Bodenreaktionskraft, während des Vorfußlaufens.“

1.2 Forschungsfrage

Von dem Thema dieses Projekts wurde die Forschungsfrage entwickelt. Als Kriterium wurde das Vorfußlaufen in der Untersuchung getestet, im Hinblick auf die Aussagekräftige vertikale Bodenreaktionskraft. In die Überlegung wurde auch die Dauer der Untersuchung mit einbezogen. Die Versuchsdurchführung pro Schuhwerk wurde auf drei Minuten festgelegt, damit zum einen genügend Messdaten erhoben werden konnten und zum anderen die Qualität der Messdaten hoch ist, da der Proband genügend Zeit hat sich auf das Laufband einzustellen. Entscheidend war dann noch die Auswahl der Schuhe. Die Untersuchung des Barfußlaufens stand zunächst im Mittelpunkt. Bei näherer Betrachtung der verschiedenen Schuhe galt es dann aber zu klären inwieweit die Produktinformationen der Schuhhersteller in die Untersuchung mit einbezogen werden können. Die Forschungsfrage entwickelte sich dann schließlich dazu, dass ein Verglich der Schuhe von stärker Dämpfung über einer Simulation des Barfußlaufens zum Barfußlaufen dargestellt werden sollte. Demnach entstand dann folgende Frage: „Wie verändert sich die vertikale Bodenreaktionskraft beim 3 minütigen Vorfußlaufen im Vergleich zwischen Laufschuh, minimal protection shoe und Barfuß?“

1.3 Hypothese

Aus den weiteren Überlegungen zur Forschungsfrage wurde die Die Hypothesen entwickelt, die es zu beweisen bzw. zu widerlegen gilt:

  • Beim Laufschuh ist die vertikale Bodenreaktionskraft geringer als beim minimal protection shoe und Barfuß.
  • Beim Laufschuh findet eine langsamere Kraftentfaltung der vertikalen Bodenreaktionskraft als beim minimal protection shoe und Barfuß statt.

2. Methoden

2.1 Studiendesign

Unter Laborbedingungen werden zwei Probanden mit zwei verschiedenen Laufschuhen, sowie Barfuß auf einem Laufband mit integrierter Kraftmessplatte auf dem Vorfuß laufen. Bei-de Probanden werden, dreimal hintereinander mit den beiden Schuhen und Barfuß auf dem Laufband gemessen. Dadurch sind aus anatomischer Sicht höhere Kräfte auf die Muskulatur und die Achillessehne gegeben. Die Geschwindigkeit wird in einem aerob geführten Lauf-tempo eingestellt. So kann die Geschwindigkeit der Probanden festgelegt werden, damit eine gute Vergleichbarkeit der Ergebnisse vorausgesetzt ist. So ist davon auszugehen, dass die Ergebnisse reliabel und valide sein werden. Die Bodenreaktionskräfte werden mit Hilfe einer Kraftmessplatte vom Laufband erfasst und im nächsten Schritt ausgewertet. Im Hinblick auf die Forschungsfrage werden die vertikalen Bodenreaktionskräfte, die bei dem Laufschritt auftreten, bezüglich der Auftrittsfläche des Fußes untersucht. Durch die auftretenden vertikalen Bodenreaktionskräfte soll geklärt werden, wie hoch die Belastung auf den Körper bei den verschiedenen Schuhen/Barfuß ist. Mit den Kraftkurven, die von der Messplatte erhoben werden, sollen in Folge dessen auch die Kraftspitzen untersucht und dargestellt werden, um die Hypothesen zu prüfen und zu analysieren.

2.2 Material und Räumlichkeiten

Abb. 1 Laufband mit integrierten Kraftmessplatten Abb. 1: Laufband mit integrierten Kraftmessplatten Der Versuch wird im Laufband- Labor der TU Darmstadt durchgeführt. Dort steht ein Lauf-band mit integrierter Kraftmessplatte zur Verfügung. Die dort aufgenommenen und gemesse-nen Daten können in Folge dessen im Labor direkt kontrolliert werden, durch die zugehörige Software. Außerdem stehen die Daten unmittelbar nach dem Versuch zur Auswertung bereit. Das Laufband misst die einwirkenden Kräfte in drei Dimensionen. Diese Dimensionen sind zum einen die vertikale Bodenreaktionskraft und zwei Scherkräfte (horizontal und lateral). In dieser Untersuchung wird für die Auswertung die vertikale Bodenreaktionskraft verwendet. Für den Versuch werden zwei verschiedene Paar Schuhe benötigt. Der erste Schuh ist ein her-kömmlicher Laufschuh mit starker Dämpfung im Fersenbereich. Als zweiten Schuh wird ein minimal protection shoe verwendet. Der herkömmliche Schuh, ist ein Schuh mit starker Dämpfung, vor allem im Fersenbereich von der Marke Mizuno (Wave Precision 13), der mit optimaler Dämpfung, Flexibilität und Dynamik wirbt. Außerdem wird der Schuh aufgrund seines minimalem Gewicht angepriesen. Der minimal protection shoe ist von der Marke Vibram (Seeya), durch den das Barfußlaufen simuliert werden soll, was laut Hersteller zu einer Entlastung für die Knie und Bandscheiben führt. Es wird die Videokamera eines Microsoft Surface verwendet damit der Bodenkontakt aufge-zeichnet werden kann, um eventuelle Fersen oder Mittelfuß Laufbandkontakte Festzustellen. Dadurch können Abweichungen für die Auswertung erfasst und entfernt werden.

2.3 Probanden

Für die Untersuchung wurden 2 männliche Sportstudenten der TU Darmstadt im Alter zwischen 27 und 31 Jahren ausgewählt. Die Probanden besaßen unterschiedliche Eingangsvoraussetzungen, die für die Untersuchung von Relevanz sind. Der Unterschied bestand zum Zeitpunkt der Messung in der Lauferfahrung, die von wenig (nicht Regelmäßig) bis häufiges (3-4 mal Wöchentlich) Training reichte.

2.4 Durchführung

Laufschuhe Mizuno Wave Precision 13 Abb. 2: Laufschuhe Mizuno Wave Precision 13 Im Laufband- Labor der TU Darmstadt werden die Probanden dreimal, jeweils mit dem stark gedämpften Schuh (Abbildung 2), dann mit dem minimal protection shoe (Abbildung 3) und zuletzt Barfuß auf dem Vor-fuß laufen. Es wird eine Laufgeschwindigkeit von 12 km/h auf dem Laufband eingestellt um ein aerobes Laufen zu testen. Die 12 km/h wurde als Durchschnittsgeschwindigkeit festgelegt, da diese als durchschnittliche Geschwindigkeit bei Freizeit Marathonläufern gilt. Die Proban-den werden nach einer 1-minütigen Einlaufzeit drei Minuten lang pro Schuh und Barfuß auf dem Laufband gemessen. Vibram FiveFinger Seeya Abb. 3: Vibram FiveFinger Seeya Die Durchgänge werden unmittelbar nacheinander durchgeführt damit der zeitliche Rahmen gut abgesteckt werden kann. Nach dem Warmlaufen muss vor jeder Messung das Laufband resettet werden. Es findet vor jeder Messung eine 10-sekündige Kalibrierung des Laufbands auf den Probanden statt, zur Prüfung der Abweichung des Lauf-bandes. Nach der 3-minütigen Messung des Schuhwerks wird wieder eine 10-sekündige Standphase durchgeführt, um die Abweichungen zu erfassen. Die Läufe werden mit einer Videokamera eines Microsoft Surface aufgenommen, um festzu-stellen, ob der Proband durchgängig auf dem Vorfuß läuft. Dies wird in der Auswertung kontrolliert.

2.5 Auswertung

Die Auswertung wird mit den Daten des Laufbandes die mit der entsprechenden Software des Laufbandes aufgezeichnet wurde. Diese Daten werden in Dateien zusammengefasst, die dann mit der Software Matlab geöffnet und bearbeitet werden können. Es werden die Bodenreaktionskräfte gemessen, welche durch den Laufschritt auf der Kraftmessplatte des Laufbandes entstehen. Die Kräfte entstehen Dreidimensional und werden wie in 1.3 beschrieben aufgezeichnet. Bei dieser Untersuchung werden die vertikalen Bodenreaktionskräfte genauer betrachtet, da eine Auswertung der anderen Kraftdimensionen den Rahmen dieses Projekts übersteigen würde. Des Weiteren sollen die Extrempunkte der Kraftkurve in der Auswertung näher betrachtet werden. Außerdem soll die Korrelation der vertikalen Bodenreaktionskräfte von den verschiedenen Messungen ausgewertet werden. Mit der Software Matlab können die einzelnen Schritte separat betrachtet werden. Damit vergleichbare Daten entstehen, wird für jeden einzelnen Lauf der Mittelwert erstellt (Matlab-Code siehe Anhang). Die Videoaufzeichnung der Läufe werden bei der Auswertung mit herangezogen. Es können dadurch einzelne Kraftkurven aus der Auswertung entfernt werden, die durch fehlerhaften Fußaufsatz beim Laufen entstehen.

3. Ergebnisse

In diesem Abschnitt sollen die Ergebnisse der einzelnen Messungen dargestellt werden. Zu diesem Zweck werden jeweils die einzelen Laufbilder die sich aus unserer Analyse ergeben haben dargestellt.

Proband 1

Bei diesem Probanden sind die verschiedenen Schuhtypen und ihre Auswirkungen auf das Laufbild gut zu unterscheiden. Eine Auswertung der Steigung des ersten Teils der Kurve (Impact 0%- 20% des Zyklus) ergab eine Differenz von jeweils 5% von einem Schuh zum anderen. In exakten Werten waren dies

  • 75Nm/t% Barfuß
  • 80Nm/t% minimal protection shoe
  • 85Nm/t% Laufschuh

 Proband 1 Abb. 4: Laufbild Proband 1

Proband 2

Bei der Auswertung dieses Probanden war keine Unterschied in der Steigung festzustellen. Der Proband wieß unabhänging von der Art des Schuhwerks eine Steigung von 89Nm/t% auf.

Proband 2 Abb. 5: Laufbild Proband 2

4. Diskussion

Die Kraftentwicklung der vertikalen Bodenreaktionskraft bei Proband 1 lässt darauf schließen, dass das Barfußlaufen keine größeren Schäden als das Laufen mit einem Laufschuh verursacht, wohlgemerkt bezogen auf das Vorderfußlaufen. Dies kann man aus den Messergebnissen des ersten Probanden (Abbildung 4) erkennen. Außerdem müsste man für aussagekräftigere Ergebnisse in der Zukunft eine genauere bzw. spezifischere Auswahl an Probanden treffen. D.h. müsste genau die Vorerfahrungen, sowohl was das Schuhwerk, als auch was den Laufstil angeht mit einbeziehen. Des Weiteren sollte die Laufintensität des Probanden außerhalb der Testung berücksichtigt werden. Außerdem wird eine größere Menge an Probanden sinnvoll sein, um die Testung genauer gestallten zu können.

5. Zusammenfassung

Da die Entwicklung in den letzten Jahren immer mehr weg von den klassischen Laufschuhen und hin zu den minimal protection shoes geht, sollte durch den hier beschriebenen Versuch festgestellt werden, ob es für einen Läufer lohnenswert ist, während des Vorfußlaufens auf einen minimal protection shoe umzusteigen oder eher Barfuß bzw. mit Laufschuhen zu laufen. Da die hier erlangten Ergebnisse (Abschnitt 3. Ergebnisse) zu unterschiedlich sind, ist eine genaue Aussage diesbezüglich schwierig. Somit wäre es erforderlich die Versuchsreihe auszuweiten und wie in Punkt 4 beschrieben, an einigen Stellen noch zu ergänzen.

6. Literatur

Bramble D.M. & Lieberman, D.E. (2004) Endurance running and the Evolution of Homo. Nature 432, 345-352.

Forum naturwissenschaftlicher Unterricht (2013). Fachbereichsarbeiten aus Physik 2001. Einsatzbereiche der Biomechanik am Beispiel Basketball. Zugriff am 15.11.2013 unter: http://pluslucis.univie.ac.at/FBA/FBA01/zach/1Laufen.pdf

Lieberman D.E., Venkadesan M., Werbel W.A., Daoud A.i., D´Andrea S., Davis, I.S., Ojiambo Mang´Eni R. & Pitsiladis Y. (2010). Foot strike patterns and collision forces in habitually barefoot versus shod runners. Nature 463, 531-535.

Walther, M. & Mayer, B. (2008). Aktuelle Trends in der Sportschuhentwicklung. Deutsche Zeitschrift für Sportmedizin, 59, 12-16.

7. Anhang

MATLAB-Auswertungsroutine

Probandenprotokoll

Ethik-Antrag

Checkliste für die Stellung eines Ethik-Antrags

fm/quant_fometh/ws13_projekte/qfm05.txt · Zuletzt geändert: 15.07.2015 19:15 von Filip Cengic
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