Energie und Leistung Energie und Leistung bei menschlichen Bewegungen bei menschlichen Bewegungen
Benno M. NiggBenno M. NiggUniversity of CalgaryUniversity of Calgary
Arbeit und EnergieArbeit und Energie
AA == K • d = K • d • cos K • d = K • d • cos αα
Arbeit ist definiert als das Skalarprodukt Arbeit ist definiert als das Skalarprodukt von Kraft und Wegvon Kraft und Weg
(Weg in Richtung der wirkenden Kraft) (Weg in Richtung der wirkenden Kraft)
Energie ist das Potential, Arbeit zu leistenEnergie ist das Potential, Arbeit zu leisten
Häufige Formen von Arbeit und EnergieHäufige Formen von Arbeit und Energie
Gegen die SchwerkraftGegen die Schwerkraft Dehnen einer FederDehnen einer Feder Beschleunigen einer Masse Beschleunigen einer Masse (Translation oder Rotation)(Translation oder Rotation)
Arbeit und EnergieArbeit und Energie
ffür ür TranslationTranslationKraft • GeschwindigkeitKraft • Geschwindigkeit
ffür ür RotationRotationDrehmoment • Drehmoment •
WinkelgeschwindigkeitWinkelgeschwindigkeit
LeistungLeistung
Erster Hauptsatz der ThermodynamikErster Hauptsatz der Thermodynamik
UU = = A + A + Q + Q + EEO2/CO2O2/CO2 + + EEin in + + EEoutout
UU == interne Energie des Systemsinterne Energie des SystemsA A == Arbeit Arbeit Q Q == WWärme ärme EEinin == zugefzugeführte Energie (z.B. Nahrung)ührte Energie (z.B. Nahrung)EEoutout == abgefabgeführte Energie (z.B. ührte Energie (z.B. Exkremente)Exkremente)
Energie und Leistung Energie und Leistung
Energie und Leistung Energie und Leistung
U U = = Innere Energie des SystemsInnere Energie des Systems
U U = = EEthermtherm + E + Emechmech + E + Eelektrelektr
++ EEmagnmagn + E + Echem chem + E+ Eandereandere
Leistung und EnergieLeistung und Energie
Speichern-ZurückgebenSpeichern-Zurückgeben SystemoptimisierungSystemoptimisierung Verlust minimalisierenVerlust minimalisieren
Speichern-ZurückgebenSpeichern-Zurückgeben SystemoptimisierungSystemoptimisierung Verlust minimalisierenVerlust minimalisieren
Speichern - ZurückgebenSpeichern - Zurückgeben
Beispiel: Lineare FederBeispiel: Lineare Feder
xx
Gleich-Gleich-gewichtgewicht
FFFederFeder
FFGewichtGewicht
xx
Speichern - ZurückgebenSpeichern - Zurückgeben
Gleich-Gleich- EnergieEnergie gewichtgewicht gespeichertgespeichert
in Federin Feder
FFFederFeder
FFGewichtGewicht
xx
VV
Speichern - ZurückgebenSpeichern - Zurückgeben
Gleich-Gleich- EnergieEnergie gespeichertegespeicherte gewichtgewicht gespeichertgespeichert EnergieEnergie
in Federin Feder zurzurüückgegebenckgegeben
FFFederFeder
FFGewichtGewicht
Kraft FKraft F
Deformation Deformation xx
Energie Speichern und ZurEnergie Speichern und Zurückgebenückgeben
F F f ( f ( x ) x )
E E f ( F , f ( F , x )x )
für Gleichgewichtfür Gleichgewichtkonservatives System & lineare Federkonservatives System & lineare Feder
F = k · F = k · x x
E = · F · E = · F · xx
also:also:E(gespeichert)E(gespeichert) == · k · · k · xx22
E(zurE(zurückgegebenückgegeben)) == · k · · k · xx22
1122
11221122
Kraft FKraft F
Deformation Deformation xx
Allgemeiner Fall
Energie Speichern und ZurEnergie Speichern und Zurückgebenückgeben
Kraft FKraft F
Deformation Deformation xx
Energie verloren Energie verloren während des während des Zyklus “Dehnen-Zyklus “Dehnen-Kürzen” (stretch Kürzen” (stretch shortening cycle)shortening cycle)“hysteresis”“hysteresis”
Energie Speichern und ZurEnergie Speichern und Zurückgebenückgeben
(1)(1) Gross genugGross genug
(2)(2) Richtige Zeit Richtige Zeit
(3)(3) Richtige Frequenz Richtige Frequenz
(4)(4) Richtige Stelle Richtige Stelle
Energie RückgabeEnergie Rückgabe
• StabhochsprungStabhochsprung
• WasserspringenWasserspringen
• TrampolinTrampolin
• Bodenturnen/TumbingBodenturnen/Tumbing
(1)(1) Gross genugGross genug
(2)(2) Richtige Zeit Richtige Zeit
(3)(3) Richtige Frequenz Richtige Frequenz
(4)(4) Richtige Stelle Richtige Stelle
Energie RückgabeEnergie Rückgabe
Vertikale Kraft FVertikale Kraft Fzizi
ZeitZeit
2
1
0
Schuh im FersenlaufSchuh im Fersenlauf
[K[Körpergewicht]örpergewicht]
Speichern & RSpeichern & Rückgabe von Energieückgabe von Energie
Structur >> MaterialStructur >> Materialbis 3 % < 1 %bis 3 % < 1 %
RichtungRichtung
OrtOrt
ZeitpunktZeitpunkt
Abstoss Vorfuss Landung FerseAbstoss Vorfuss Landung Ferse
DDämpfen der ämpfen der Landung Landung keine keine EnergierückgabeEnergierückgabe
Deformation und Deformation und EnergierEnergierückgabe ückgabe beim Abstossbeim Abstoss
EMA Energy Management SystemEMA Energy Management System
Hohle ovale FedernHohle ovale Federn
SauerstoffverbrauchSauerstoffverbrauch
““Energierückgabe” -2.6 % Energierückgabe” -2.6 %
Speichern-ZurückgebenSpeichern-Zurückgeben
SSubstantiell für einige Geräte Beschränkt für Schuhe und Böden Substantiell für einige Tiere Wiedersprüchlich für Menschen
Speichern-ZurückgebenSpeichern-Zurückgeben SystemoptimisierungSystemoptimisierung Verlust minimalisierenVerlust minimalisieren
Speichern-ZurückgebenSpeichern-Zurückgeben SystemoptimisierungSystemoptimisierung Verlust minimalisierenVerlust minimalisieren
KonzeptKonzept
Kraft - LKraft - LängeängeKraft - GeschwindigkeitKraft - Geschwindigkeit
System Einstellen fSystem Einstellen für maximale Leistungür maximale Leistung
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Force & Power[normalized]
1.0 -
0.5 -
0 -Velocity
[normalized]
Force Power
Kraft & LeistungKraft & Leistung[normalisiert][normalisiert] Kraft Kraft
LeistungLeistung
GeschwindigkeitGeschwindigkeit
[normalisiert][normalisiert]
Leistung Leistung totaltotal[W][W]
575 575
525 525
475 475
425 425
200200
150150
100100
5050
0 0
LeistungLeistungMuskel Muskel
[W][W]
5 55 105 155 205 2555 55 105 155 205 255
11
GG
77
66
55
44
33
22
KK
HH
__PP
11
6633
22
557744
Yoshihuku and Herzog, 1990Yoshihuku and Herzog, 1990
Kurbelgeschwindigkeit [rpm]Kurbelgeschwindigkeit [rpm] Pelvis NeigungPelvis Neigung SitzhSitzhöheöhe KurbelgeschwindigkeitKurbelgeschwindigkeit
optimaloptimal
LeistungsverbesserungLeistungsverbesserungmit Systemoptimisierungmit Systemoptimisierung
Kraft - LKraft - Längeänge Kraft - Kraft - GeschwindigkeitGeschwindigkeit
Diese Strategie wurde Diese Strategie wurde bisher bisher nur wenig verwendetnur wenig verwendet
Speichern-ZurückgebenSpeichern-Zurückgeben SystemoptimisierungSystemoptimisierung Verlust minimalisierenVerlust minimalisieren
Speichern-ZurückgebenSpeichern-Zurückgeben SystemoptimisierungSystemoptimisierung Verlust minimalisieren Verlust minimalisieren
Speichern-ZurückgebenSpeichern-Zurückgeben SystemoptimisierungSystemoptimisierung Verlust minimalisieren Verlust minimalisieren
KonzeptKonzept
Energie fEnergie für ür die Bewegung die Bewegung andere Aspekteandere Aspekte
ZielZiel
Minimalisieren der EnergieMinimalisieren der Energiedie nicht bewegunsbezogen die nicht bewegunsbezogen
Beispiel Steifigkeit der SchuhsohleBeispiel Steifigkeit der Schuhsohle
Stefanyshyn & Nigg, 1997Stefanyshyn & Nigg, 1997
ZehengelenkZehengelenk
Laufen:Laufen:Energieverlust im VorfussEnergieverlust im Vorfuss
ZehengelenkZehengelenkhat Flexionhat Flexionaber keineaber keineExtensionExtension
RunningAnkle Power[W]
1000
500
0
-500
-1000
Energy Absorbed
Energy Generated
Normalized Time
RunningMetatarsal Power[W]
0 -
-100 -
-200 -
-300 -
-400 -
-500 -
25 50 75 100
Stefanyshyn and Nigg, 1997
Time[norm]
Laufen Laufen
Laufen Laufen
Zeit Zeit
ZeitZeit
Neue IdeeNeue Idee
steife Sohlesteife Sohle keine Flexion im M-P-Gelenkkeine Flexion im M-P-Gelenk weniger Energieverlustweniger Energieverlust bessere Leistungbessere Leistung
Leistung (Metatarsale)Leistung (Metatarsale) [W][W]
0 -0 -
-100 --100 -
-200 --200 -
-300 --300 -
-400 --400 -
-500 --500 -
25 50 75 10025 50 75 100
Kontrolle Steif Sehr SteifKontrolle Steif Sehr Steif
Stefanyshyn and Nigg, 1997Stefanyshyn and Nigg, 1997
ZeitZeit [norm][norm]
Leistung Sprint?
2.162.16
2.142.14
2.122.12
2.102.10
2.082.08
[s][s]Zeit (20m Sprint)Zeit (20m Sprint)
Resultate fResultate für Tür Top-Athletenop-Athleten
normalenormale Platte FPlatte F Plate EPlate E Platte BPlatte Bspikesspikes
Sprinter ASprinter A
2.4%2.4%
-1-1
00
11
22
33
44
11 33 55 77 99 1111 1313 1515 1717 1919 2121 2323 2525 2727 2929 3131
Relative Verbesserung mit PlatteRelative Verbesserung mit Platte
SubjektSubjektBeste PlatteBeste Platte32 Top-Sprinter: 1.7%32 Top-Sprinter: 1.7%
[%][%]
Kritische BemerkungenKritische Bemerkungen
Probleme:Probleme: StartStart IndividuelleIndividuelle ResultateResultate Optimum Optimum
nicht nicht
Maximum!Maximum!
[s][s]Zeit (20m Sprint)Zeit (20m Sprint)
Spikes P1 P2 P3Spikes P1 P2 P3
Sprinter ASprinter A
2.08
2.16
2.14
2.12
2.10
Steifigkeit der SchuhsohleSteifigkeit der Schuhsohle
Stefanyshyn & Nigg, 1997Stefanyshyn & Nigg, 1997
FolgerungenFolgerungen
Verlust minimalisierenVerlust minimalisierenim M-P-Gelenkim M-P-Gelenk Verbesserte LeistungVerbesserte Leistung PersonenspezifischPersonenspezifisch Verlust minimalisieren Verlust minimalisieren
& Kr& Kräfte optimisierenäfte optimisieren
Speichern-ZurückgebenSpeichern-Zurückgeben SystemoptimisierungSystemoptimisierung Verlust minimalisieren Verlust minimalisieren
Allgemein: Verlust minimalisierenAllgemein: Verlust minimalisieren
Viele AnwendungenViele AnwendungenSteife Sohlen (Mittel/Lange Distanzen)Steife Sohlen (Mittel/Lange Distanzen)VibrationsverlusteVibrationsverlusteStabilitStabilitätsverlusteätsverluste
Neue KenntnisseNeue Kenntnisse
(1)(1) Energie Speicherung und REnergie Speicherung und Rückgabe in Geräten ückgabe in Geräten nicht klar im Körpernicht klar im Körper
(2)(2) Wenig Energierückgabe im FussWenig Energierückgabe im Fuss
(3)(3) System Optimieren in einigen SportartenSystem Optimieren in einigen Sportarten
(4)(4) Minimalisieren des Energieverlustes Minimalisieren des Energieverlustes wahrscheinlich beste Strategiewahrscheinlich beste Strategie
Top Related