7.2.1.2. Aufwände allein für die Bewegung der Beine bei hohen Tretfrequenzen

Ein Radfahrer muß neben dem Überwinden der Reibung oder einer Steigung auch Energie für die Bewegung der Beine aufbringen, also für das Heben und Senken und für die zyklisch wechselnde Beschleunigung der Beinmassen. Bei Tretfrequenzen bis 100 U/min sind diese Aufwände gering. Bei größeren Tretfrequenzen kommt es zu einer immer schnelleren Bewegungsumkehr, so daß die mechanische Leistung (Energie pro Zeiteinheit) steil anwächst (mit der dritten Potenz der Tretfrequenz). Bei Tretfrequenzen um 250 U/min liegen die Spitzenwerte der Leistung bei 3 kW. Diese Werte übersteigen die für das Berganfahren aufzubringenden Leistungen um das Mehrfache und liegen im Schnellkraftbereich für leichtathletische Sprünge.

7.2.1.3. Luftwiderstand

Unter den Reibungsarten dominiert die frontale Luftreibung beim Radfahren. Die Abbildungen 4 zeigen die erzielbare Fahrgeschwindigkeit (links) in Abhängigkeit vom Luftwiderstand (untere Werte) und einer simulierten Fahrleistung von 400 bis 1200 Watt für Fahrten ohne und mit einem Anstieg von 3 Grad. Die Widerstandswerte muß man individuell im Windkanal ermitteln. Ein Beugen des Oberkörpers über den Lenker bringt aerodynamische Vorteile aber Nachteile bei der Sauerstoffaufnahme durch die Einengung des Atemvolumens.

In jüngster Zeit strebt man ständig nach aerodynamisch verbesserten Radkonstruktionen (z.B. Scheibenräder in bestimmten Situationen). Die hauptsächliche Minderung des Luftwiderstands wird jedoch durch den Führungseffekt beim Fahren hinter einem Vordermann erzielt. Der Sauerstoffverbrauch z.B. kann dabei in bezug auf die Führungsposition um ca. 30% gesenkt werden.

7.3. Skispringen

Die Bewertung der komplexen Wettkampfleistung erfolgt auf der Grundlage der Sprungweite und des ästhetischen Eindrucks des Sprunges. Die Weite und der ästhetische Eindruck eines Sprunges werden in Noten umgerechnet und zu einer Gesamtnote zusammengefaßt.

Aus Sicht der Biomechanik sind in erster Linie die Elemente der Leistungsstruktur interessant, welche die Sprungweite direkt oder indirekt beeinflussen.

Die Sprungweite wird aus biomechanischer Sicht durch 3 komplexe Faktoren bestimmt:

- die Anfahrtsgeschwindigkeit

- die Absprunggeschwindigkeit

- die aerodynamische Flugqualität

Diese biomechanischen Faktoren sind quantitativer Ausdruck der Effektivität der wesentlichen Bewegungsphasen des Skisprunges: der Anfahrt, des Absprungs und des Fluges, d.h. die sportliche Technik ist eine dominierende Einflußgröße für das Erzielen großer Sprungweiten.

Der Einfluß dieser Faktoren auf die Sprungweite ist unterschiedlich und abhängig von der Schanzengröße (vgl. Tab. 1).

Tab. 1: Einfluß von Unterschieden in den komplexen Faktoren auf die Sprungweite (Ergebnisse von Flugbahnberechnungen) Die zugrundegelegten Differenzen in den Faktoren basieren auf Leistungsunterschieden innerhalb hochklassiger Teilnehmerfelder bei internationalen Wettkämpfen (Vierschanzentournee, WM, Olympische Spiele). Die obere und die untere Grenze werden durch den jeweiligen Bestwert und den Durchschnittswert gebildet.

Mit wachsender Schanzengröße wächst auch der Einfluß der komplexen Faktoren auf die Sprungweite an. Dabei erhöht sich der Einfluß der aerodynamischen Flugqualität am stärksten. Das erklärt auch die Erscheinung, daß die absprungstarken Springer auf den kleineren Schanzen vordere Plazierungen erreichen und auf den Groß- und Flugschanzen die „Flieger“ dominieren.

Infolge der relativ großen Bahngeschwindigkeit des Spingers in allen Bewegungsabschnitten, werden relativ große äußere Kräfte - der Luftwiderstand (FW) und der Auftrieb (FA) - wirksam (vgl. Abb. 1,3,6).

Deshalb müssen die wesentlichsten Anforderungen an die sportliche Technik auf eine günstige Beeinflussung der Luftkräfte für das Erzielen großer Sprungweiten ausgerichtet sein.1

Auftrieb und Widerstand sind abhängig von:

- der Geschwindigkeit des Springers (v)

- der Luftdichte

- der Anströmfläche des Springers (A)

- den Beiwerten (ca) und (cw) der Luftkräfte Auftrieb (FA) und Widerstand (FW) FA = ca * Luftdichte/2 * v2 * A

FW = cw * Luftdichte/2 * v2 * A

Der Widerstand wirkt der Bewegungsrichtung direkt entgegen und der Auftrieb senkrecht dazu. Diese beiden Kräfte können in der Regel nicht unabhängig voneinander beeinflußt bzw. verändert werden. Beiwerte der Luftkräfte kennzeichnen die Art und Weise der Umströmung des Systems Springer/Ski. Sie werden im wesentlichen durch die Körperhaltungen bestimmt und sind den Luftkräften proportional. Bei Haltungen mit kleinen Anstellwinkeln und kleinen Anströmflächen treten kleine und bei Haltungen mit großen Anstellwinkeln und großen Anströmflächen große ca und cw-Werte bzw. Luftkräfte auf.

Anfahrt

Das Ziel der Anfahrt besteht darin,

- eine möglichst große Anfahrtsgeschwindigkeit zu erreichen, (entsprechend den gegebenen Bedingungen, wie Länge und Neigung der Anfahrtsstrecke, Wind, Spurbeschaffenheit)

- günstige Voraussetzungen für einen wirkungsvollen Absprung zu schaffen (wie die optimale Körperschwerpunktlage und individuell zweckmäßige Winkelstellungen in den Gelenken.)

Während der Anfahrt wirken im wesentlichen folgende äußere Kräfte auf den Springer ein (vgl. Abb. 1):

- die Schwerkraft (G) mit den Komponenten Normalkraft (N) und Hangabtriebskraft (H),

- der Luftwiderstand (FW) (der Auftrieb ist vernachlässigbar gering),

- die Reibungskraft (FR) (FR = Reibungskoeffizient * NN)

Aus der Darstellung der Kräfte geht hervor, daß

- nur die Hangabtriebskraft (H) beschleunigend auf den Springer wirkt,

- der Luftwiderstand (FW) und die Reibungskraft (FR) der Hangabtriebskraft entgegengewirken und somit die Beschleunigung verringern.

Daraus resultiert als eine wesentliche Anforderung an den Springer, mit seiner Anfahrtshaltung einen möglichst geringen Luftwiderstand zu erzielen.

Kriterien für eine zweckmäßige Anfahrtshaltung sind:

- eine geringe Hockhöhe,

- eine zur Luftströmung nahezu parallele Oberkörper- und Armhaltung mit nach hinten geführten Armen.

Die Anfahrtshaltung mit nach hinten geführten Armen ist als neue Technik im Ergebnis von experimentellen Untersuchungen im Windkanal entwickelt worden. Neben der Erhöhung der Anfahrtsgeschwindigkeit wird mit dieser Technik auch ein effektiverer Absprung (geringerer Luftwiderstand und schnellerer Übergang in die Flughaltung) erreicht.

Neben den allgemeingültigen Zweckmäßigkeitskriterien sind die individuellen Besonderheiten und Voraussetzungen der Springer (Körperbau, Beweglichkeit in den einzelnen Gelenken, Kraftfähigkeiten) zu beachten und indviduell-zweckmäßige Lösungen zu erarbeiten. Hierbei ist insbesondere auch eine Optimierung im Zusammenhang mit den Anforderungen an einen effktiven Absprung vorzunehmen (bei geringen Kraftfähigkeiten ist z.B. aus einer tiefen Anfahrtshaltung kein effektiver Absprung möglich).

In der Abb. 2 ist der Einfluß der Anfahrtshaltung auf die Sprungweite ersichtlich. Diesen mittels Flugbahnberechnungen (Computersimulation) ermittelten Ergebnissen liegen Unter-suchungsergebnisse im Windkanal zum Einfluß unterschiedlicher Anfahrtshaltungen und typischer Haltungsfehler auf den Luftwiderstand zugrunde.

Absprung

Mit dem Absprung sollen:

- eine möglichst große Absprunggeschwindigkeit (für das Anheben der Flugbahn) und

- günstige Voraussetzungen für einen optimalen Übergang (Drehung, Haltungen) in die Flughaltung

erzielt werden.

Während des Absprunges wirkt die Muskelkraft des Springers (in erster Linie) senkrecht zur Unterstützungsfläche (Schanzentisch), wodurch ein möglichst großer Bechleunigungskraftstoß erzielt werden soll. Der Absprung muß weiterhin möglichst genau bei Erreichen der Schanzentischkante beendet sein (vgl. Abb. 3 und 4). Zu früh beendete und mit Erreichen der Schanzentischkante noch nicht beendete (zu späte) Absprünge führen zu Verlusten in der Absprunggeschwindigkeit und zu Störungen des nachfolgende Bewegungsablaufs.

Für den Übergang in die Flughaltung ist es notwendig, daß sich der Springer einen Drehimpuls erteilt. Das dafür beim Absprung notwendige Drehmoment wird durch eine Vorverlagerung der Körpermasse erreicht, so daß zwischen der Kraftwirkungslinie der Muskelkraft (FM) und dem Körperschwerpunkt (KSP) ein Abstand (r) vorhanden ist .

Außerdem muß beachtet werden, daß beim Absprung (im Bemühen, eine möglichst große Absprunggeschwindigkeit zu erzielen) der Oberkörper nicht zu weit aufgerichtet wird, damit der Luftwiderstand nicht zu groß wird (vgl. Abb. 3).

In der Abb. 5 ist der Einfluß von Bewegungsabläufen mit unterschiedlichen Bewegungsamplituden des Oberkörpers beim Absprung auf die Sprungweite dargestellt (entsprechend den Unterschieden der Anstellwinkel an der Schanzentischkante sind auch Unterschiede in der Übergangsphase bis zum Erreichen der Flughaltung und im Abschnitt vor Erreichen der Schanzentischkante vorhanden).

Die dargestellten Ergebnisse belegen den großen Einfluß des Bewegungsablaufs auf die Wirkung der Luftkräfte(und damit auf die Sprungweite).

Deshalb muß mit dem Absprung eine Optimierung bezüglich der Nutzung der die Sprungweite bestimmenden unterschiedlichen Einflußgrößen erfolgen.

Dabei ist diese Optimierung wiederum im engen Zusammenhang mit den individuellen Voraussetzungen, insbesondere bezüglich der speziellen Kraftfähigkeiten, vorzunehmen.

Ein wesentliches Kriterium für die Einschätzung der Absprungbewegung ist die Position des Springers beim Passieren der Schanzentischkante.

Richtwerte für die Einschätzung sind: (Winkel in Grad)

- Oberkörperanstellwinkel 20-30

- Unterkörperanstellwinkel 85-95

- Kniewinkel 135-145

- Unterschenkelwinkel 65-75

(bzgl. Schanzentisch)

Flug

Die Zielstellung für diesen Bewegungsabschnitt besteht darin, mittels günstiger Flughaltungen (Körperhaltungen, Skihaltungen, Anstellwinkel zur Flugbahn), die Wirkung der Luftkräfte effektiv auszunutzen und damit eine möglichst hohe aerodynamische Flugqualität (bzw. Sprungweite) zu erreichen.

Die aerodynamische Flugqualität wird wesentlich durch die Wirkung der Luftkräfte Auftrieb und Widerstand bestimmt.

Sowohl die Größe der Luftkräfte als auch das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand spielen eine bedeutende Rolle.

In der Regel treten die (günstigen) großen Verhältnisse von Auftrieb zu Widerstand (FA/FW) in Verbindung mit insgesamt kleinen Luftkräften und bei den Flughaltungen mit den kleineren Anstellwinkeln auf. Große Luftkräfte treten dagegen in der Regel in Verbindung mit den (ungünstigeren) kleineren Verhältnissen von Auftrieb zu Wiederstand und bei den Flughaltungen mit den größeren Anstellwinkeln auf.

Der Auftrieb hat in allen Flugabschnitten tragende und damit die Sprungweite vergrößernde Wirkung. Zu Beginn des Fluges, wenn also die Flugbahnneigung wenig von der Horizontalen abweicht, hat der Widerstand vorwiegend bremsende, d.h. die Sprungweite verringernde Wirkung. Im Verlauf des Fluges, d.h. bei stärkerer Neigung der Flugbahn, hat er in zunehmendem Maße aber auch tragende Wirkung (vgl. Abb. 6).

Es kommt also darauf an, in allen Flugabschnitten eine möglichst günstige Bilanz zwischen positiver und negativer Wirkung der Luftkräfte zu erzielen.

Für die Gestaltung des mittleren Flugabschnittes, d.h. des Abschnittes nach Erreichen der Flughaltung (nach dem Absprung) bis zu Beginn der Landevorbereitung, ist eine Tendenz der Veränderung von zunächst kleineren Anstellwinkeln (1. Flugabschnitt) zu großen Anstellwinkeln im 2. Flugabschnitt als zweckmäßig einzuschätzen.

Dabei ist ein bestimmter Spielraum für Flughaltungen mit kleineren oder größeren Anstellwinkeln vorhanden (für gleichermaßen günstige Lösungen), so daß diese Tendenz geringer oder stärker ausgeprägt sein kann.

In der Abb. 7 sind unterschiedliche Varianten der Gestaltung des mittleren Flugabschnittes gegenübergestellt (Ergebnisse aus Windkanaluntersuchungen und Computersimulation).

Die Ergebnisse zeigen, daß unterschiedliche günstige Flughaltungen mit kleineren und größeren Anstellwinkeln zu ähnlichen Ergebnissen führen können. Die größte Sprungweite wird jedoch mit einer Variante erzielt, bei welcher die Flughaltung von den günstigen kleineren Anstellwinkeln zu den größeren günstigen Anstellwinkeln im Verlaufe des mittleren Flugabschnittes verändert wird.

Neben den Anstellwinkeln der Ski, des Unterkörpers und des Oberkörpers zur Flugbahn (bzw. zur anströmenden Luft) ist die Skiführung (Abstand zwischen den Ski, schräge Skiführung in Bezug zur Flugbahnebene, V-Haltung) eine bedeutende Einflußgröße, die erst in jüngster Zeit bewußt von den Springern genutzt wird. In der Abbildung 8 ist der im Windkanal ermittelte Einfluß unterschiedlicher Skiführungsvarianten auf die Luftkräfte Auftrieb und Luftwiderstand sowie die theoretisch daraus resultierenden Unterschiede in der Sprungweite (durch Flugbahnberechnungen ermittelt) dargestellt.

Die Ergebnisse belegen den großen Einfluß der Skiführung auf die Sprungweite und insbesondere den großen Vorteil der V-Haltung.

Durch die Veränderung von der engen parallelen Skiführung zur V - Haltung werden wesentlich größere Luftkräfte in Verbindung mit einem (günstigen) großen Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand erzielt, so daß diese Technik im gesamten Flugabschnitt vorteilhaft ist.

(Inzwischen hat sich diese neue Technik aufgrund der bei den Wettkämpfen deutlich sichtbaren Vorteile der V-Springer in der Sportpraxis durchgesetzt.)

Merkmale zweckmäßiger Flughaltungen im mittleren Flugabschnitt sind: (Winkelangaben in Grad)

- V-Haltung der Ski

- ca. 30 - 40 für den Skianstellwinkel

- ca. 40 - 55 für den Unterkörperanstellwinkel

- ca. 30 - 40 für den Oberkörperanstellwinkel

Der gekennzeichnete Spielraum enthält die o.g. Tendenz für die zweckmäßige Veränderung der Flughaltung im Verlaufe des mittleren Flugabschnittes und den auf Grund konstitutioneller Besonderheiten der Springer vorhandenen individuellen Spielraum für günstige Flughaltungen. In der Abb. 9 sind solche Unterschiede zwischen zwei Springern in den Zusammenhängen zwischen den Flughaltungen und den (aufgrund der im Windkanal ermittelten Luftkräfte) berechneten Spungweiten zu erkennen.

Die Übergangsabschnitte (Absprung-Übergangsphase und Landeanflug) sind notwendige Verbindungen zwischen dem Flugabschnitt mit der vorgelagerten Absprungbewegung und der nachfolgenden Landung.

Deshalb können die günstigen Flughaltungen zu Beginn des Fluges nicht sofort eingenommen und nicht bis zur Landung beibehalten werden.

Der Einfluß einer zu langen Ausdehnung der Übergangsabschnitte auf die Sprungweite ist in der Abb. 10 und 11 dargestellt (Ergebnisse von Flugbahnberechnungen).

Eine weitere allgemeingültige Anforderung für die zweckmäßige Gestaltung des Flugabscnittes besteht folglich darin, eine möglichst geringe Ausdehnung dieser Übergangsabschnitte zu erzielen.

Aus der Sicht der Gesamtbewegung (Gesamtleistung) sind hier jedoch Optimierungen vorzunehmen. Ein sehr schnelles Erreichen der Flughaltung darf nicht auf Kosten eines kräftigen Absprunges erzielt werden und auch nicht zu Störungen des Bewegungsablaufs im mittleren Flugabschnitt führen. Die Landevorbereitung darf nicht soweit verkürzt werden, daß die Telemarklandung nicht möglich oder gar das Sturzrisiko zu groß wird.

Verwendete Literatur

(siehe auch neue Literaturhinweise im IAT-Literaturservice)

Mroß,H.; Hoffmann, H.; Mahnke, R.; u.a.: Technikleitbild Skisprung - Handmaterial für Trainer - 1986. - Leipzig, FKS. - 34 S.

Mahnke, R.: Untersuchungen zu Kriterien der zweckmäßigen Technik der Absprung-Übergangsphase und der Flugphase beim Skispringen. - 1982. - Leipzig, FKS. - Dissertation A, 175 S.

Mahnke, R.; Hochmuth, G.: Recent findings concerning aerodynamic effects in ski-jumping.(Neue Erkenntnisse zur Luftkraftwirkung beim Skispringen). - In: Proceedings of the VIIIth symposium ISBS. - Prague 1990. - S. 99 - 105

Mahnke,R.: Die Anwendung der Computersimulation im Skispringen zur Ermittlung zweckmäßiger Flughaltungen. - In: Training und Wettkampf. - Berlin 28 (1990) 2/3. - S. 148 - 165

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