Energie und Leistung bei menschlichen Bewegungen Benno M. NiggUniversity of Calgary

Arbeit und EnergieA=K d = K d cos Arbeit ist definiert als das Skalarprodukt von Kraft und Weg(Weg in Richtung der wirkenden Kraft)

Energie ist das Potential, Arbeit zu leisten

Hufige Formen von Arbeit und Energie

Gegen die Schwerkraft Dehnen einer Feder Beschleunigen einer Masse (Translation oder Rotation)Arbeit und Energie

fr TranslationKraft Geschwindigkeit

fr RotationDrehmoment WinkelgeschwindigkeitLeistung

Energie und Leistung

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

U= A + Q + EO2/CO2 + Ein + Eout

U=interne Energie des SystemsA =Arbeit Q =Wrme Ein=zugefhrte Energie (z.B. Nahrung)Eout=abgefhrte Energie (z.B. Exkremente)

Energie und Leistung

U = Innere Energie des Systems

U = Etherm + Emech + Eelektr

+Emagn + Echem + Eandere

Leistung und EnergieSpeichern-ZurckgebenSystemoptimisierungVerlust minimalisieren

Speichern-ZurckgebenSystemoptimisierungVerlust minimalisieren

Speichern - ZurckgebenBeispiel: Lineare FederDxGleich-gewichtFFederFGewicht

DxSpeichern - Zurckgeben Gleich-Energie gewichtgespeichertin FederFFederFGewicht

DxVSpeichern - Zurckgeben Gleich-Energiegespeicherte gewichtgespeichertEnergiein FederzurckgegebenFFederFGewicht

Kraft FDeformation Dx Energie Speichern und Zurckgeben F f ( Dx ) E f ( F , Dx )

fr Gleichgewichtkonservatives System & lineare FederF = k Dx E = F Dxalso: E(gespeichert)= k Dx2E(zurckgegeben)= k Dx2

Kraft FDeformation Dx Allgemeiner FallEnergie Speichern und Zurckgeben

Kraft FDeformation DxEnergie verloren whrend des Zyklus Dehnen-Krzen (stretch shortening cycle) hysteresisEnergie Speichern und Zurckgeben

(1)Gross genug(2)Richtige Zeit (3)Richtige Frequenz (4)Richtige Stelle Energie RckgabeStabhochsprungWasserspringenTrampolinBodenturnen/Tumbing

(1)Gross genug(2)Richtige Zeit (3)Richtige Frequenz (4)Richtige Stelle Energie RckgabeVertikale Kraft FziZeit210Schuh im Fersenlauf[Krpergewicht]

Speichern & Rckgabe von EnergieStructur >> Materialbis 3 % < 1 %RichtungOrtZeitpunkt

Abstoss Vorfuss Landung FerseDmpfen der Landung keine EnergierckgabeDeformation und Energierckgabe beim Abstoss

EMA Energy Management SystemHohle ovale FedernSauerstoffverbrauchEnergierckgabe -2.6 %

Speichern-Zurckgeben

Substantiell fr einige GerteBeschrnkt fr Schuhe und BdenSubstantiell fr einige TiereWiedersprchlich fr MenschenSpeichern-ZurckgebenSystemoptimisierungVerlust minimalisieren

Speichern-ZurckgebenSystemoptimisierungVerlust minimalisieren

Konzept

Kraft - LngeKraft - Geschwindigkeit

System Einstellen fr maximale Leistung

Leistung total[W]575 525 475 425 200150100 50 0 LeistungMuskel [W] 5 55 105 155 205 2551G765432KH_P1632574Yoshihuku and Herzog, 1990Kurbelgeschwindigkeit [rpm] Pelvis Neigung Sitzhhe Kurbelgeschwindigkeit

Leistungsverbesserungmit Systemoptimisierung

Kraft - Lnge Kraft - Geschwindigkeit

Diese Strategie wurde bisher nur wenig verwendetSpeichern-ZurckgebenSystemoptimisierungVerlust minimalisieren

Speichern-ZurckgebenSystemoptimisierungVerlust minimalisieren

Speichern-ZurckgebenSystemoptimisierungVerlust minimalisieren Konzept

Energie fr die Bewegung andere Aspekte

Ziel

Minimalisieren der Energiedie nicht bewegunsbezogen

Beispiel Steifigkeit der SchuhsohleStefanyshyn & Nigg, 1997

ZehengelenkLaufen:Energieverlust im Vorfuss

Zehengelenkhat Flexionaber keineExtension Laufen Laufen Zeit Zeit

Running

Metatarsal Power[W]

0 --100 --200 --300 --400 --500 -

25 50 75 100

Stefanyshyn and Nigg, 1997

Time[norm]

Neue Ideesteife Sohle keine Flexion im M-P-Gelenk weniger Energieverlust bessere Leistung

Leistung (Metatarsale) [W]0 --100 --200 --300 --400 --500 - 25 50 75 100Kontrolle Steif Sehr SteifStefanyshyn and Nigg, 1997Zeit [norm] Leistung Sprint?

Resultate fr Top-Athleten2.162.142.122.102.08[s]Zeit (20m Sprint)normalePlatte FPlate EPlatte BspikesSprinter A 2.4%

-101234135791113151719212325272931Relative Verbesserung mit PlatteSubjektBeste Platte32 Top-Sprinter: 1.7%[%]

Kritische Bemerkungen

Steifigkeit der SchuhsohleStefanyshyn & Nigg, 1997Folgerungen

Verlust minimalisierenim M-P-GelenkVerbesserte LeistungPersonenspezifischVerlust minimalisieren & Krfte optimisieren

Speichern-ZurckgebenSystemoptimisierungVerlust minimalisieren Allgemein: Verlust minimalisieren

Viele AnwendungenSteife Sohlen (Mittel/Lange Distanzen)VibrationsverlusteStabilittsverluste

Neue KenntnisseEnergie Speicherung und Rckgabe in Gerten nicht klar im KrperWenig Energierckgabe im FussSystem Optimieren in einigen SportartenMinimalisieren des Energieverlustes wahrscheinlich beste Strategie