Quelltext der Seite Biomechanik

{{Dieser Artikel|behandelt die naturwissenschaftliche Bedeutung – zum Schauspieltraining siehe [[Biomechanik (Meyerhold)]].}}
[[Datei:OpenSim (Leg).jpg|mini|Biomechanisches Modell von Skelett und Muskulatur]]
[[Datei:Kistler plates.jpg|mini|In den Boden eingelassene Kraftmessplatten und [[Proband]] mit Reflexionsmarkern für die 3D Bewegungsaufzeichnung (Motion Capture)]]
Die '''Biomechanik''' (von {{grcS|βίος|de=Leben}}<ref>Karl Ernst Georges: ''Ausführliches lateinisch-deutsches Handwörterbuch''. Hannover 1913, Band 1, [http://www.zeno.org/nid/20002247305 Sp. 832.]  (Nachdruck Darmstadt 1998).</ref> und {{lang|grc|μηχανική τέχνη|de=Mechanik}}) ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die den [[Bewegungsapparat]] biologischer Systeme und die mit ihm erzeugten Bewegungen unter Verwendung der Begriffe, Methoden und Gesetzmäßigkeiten von [[Mechanik]], [[Anatomie]] und [[Physiologie]] beschreibt, untersucht und beurteilt.<ref name="Ballreich">{{Literatur |Autor=Rainer Ballreich und Wolfgang Baumann. Unter Mitarbeit von Rüdiger Preiss |Titel=Grundlagen der Biomechanik des Sports: Probleme, Methoden, Modelle |Verlag=Enke |Ort=Stuttgart |Datum=1988 |ISBN=3-432-96681-4}}</ref><ref name="Scheidl">{{Literatur |Autor=Robert Prohl, Peter Röthig |Titel=Bewegungslehre: Kursbuch Sport |Auflage=8. |Verlag=Limpert |Ort=Wiebelsheim |Datum=2007 |ISBN=978-3-7853-1733-4 |Seiten=17}}</ref><ref name="winter1" /> In diesem Sinn ist die Biomechanik ein Teilbereich der [[Bewegungswissenschaft]] und der [[Sportwissenschaft]].

Die Biomechanik baut auf den Kenntnissen von Physik, Mathematik, Chemie, Biologie, der [[Anatomie]], [[Physiologie]], und [[Neurophysiologie]] auf. Untersucht wird eine große Bandbreite von Bewegungen, angefangen von der Grundlagenforschung (zum Beispiel dem Zustandekommen einer Muskelkontraktion) zum menschlichen [[Gehen|Gang]], von einfachen Bewegungen eines Arbeiters bis hin zu komplexen Bewegungen im Leistungssport.<ref name="winter1" /> Dabei kommen vielfältige Methoden zur Anwendung zum Beispiel verschiedene Arten der Kraftmessung, der kinematografischen Verfahren, zum Beispiel [[Motion Capture]], der Messung muskulärer Aktivität ([[Elektromyografie]]) sowie der Computersimulation. Anwendungsgebiete sind neben dem Leistungs-, Breiten-, Gesundheitssport und der Gesundheitsförderung die [[Rehabilitation]] mit ihren Teilbereichen Orthopädie und Neurophysiologie oder auch die Prüfung von Sportgeräten.

== Geschichte ==
[[Datei:Giovanni Borelli - lim joints (De Motu Animalium).jpg|mini|Biomechanische Untersuchung von Borelli (1680)]]
[[Datei:The Horse in Motion-anim.gif|mini|The Horse in Motion (1878)]]
[[Datei:Animal locomotion. Plate 362 (Boston Public Library).jpg|mini|Bewegungsstudie Salto Rückwärts (1887)]]
[[Datei:Marey - birds.jpg|mini|Chronofotografie eines Pelikanflugs, um 1882]]

Schon in der [[Antike]] beschäftigten sich einige [[Wissenschaftler|Gelehrte]] mit der Biomechanik. [[Aristoteles]] beobachtete bei den [[Olympische Spiele der Antike|Olympischen Spielen]] die Sportler beim [[Weitsprung#Geschichte|Weitsprung]] und stellte fest, dass diese mit [[Hantel]]n in den Händen weiter sprangen. Von da an beschäftigte er sich auch mit der Verbindung von Physik und lebenden Objekten. So untersuchte er in seinem Werk ''De motu animalium'' die [[Fortbewegung]] von Tieren.<ref>[https://classics.mit.edu/Aristotle/motion_animals.html On the motion of Animals by Aristotle (engl.)] aufgerufen am 30. August 2024</ref>

In der [[Renaissance]] untersuchten unter anderem [[Leonardo da Vinci]] und [[Andreas Vesalius]] funktionelle Aspekte des Bewegungsapparates. Aus dem Jahr 1490 stammt da Vincis [[Skizze|Studie]] über [[Körperproportionen]], [[der Vitruvianische Mensch]]. Da Vinci wollte auch „das Innere des Menschen“ genau kennenlernen, wozu er mehr als 30 Leichen seziert haben soll. Er versuchte zudem eine [[Flugzeug|Flugmaschine]] für Menschen zu bauen und machte sich darum Gedanken, wie die Muskelkräfte des Menschen optimal ausgenutzt werden können. Er stellte dabei fest, dass über ein [[Hebel (Physik)|Hebelwerk]] die wirkende [[Kraft]] vergrößert werden kann. Der Physiker und Mathematiker [[Giovanni Alfonso Borelli]] entwickelte mechanische Modellüberlegungen für das statische [[Kräftegleichgewicht|Gleichgewicht]] und Bewegungen von Mensch und Tier und berücksichtigte dabei die aktiven und passiven Eigenschaften der [[Muskulatur]]. In seinem [[posthum]] im Jahre 1680 in [[Rom]] erschienenen Buch ''De motu animalium'' erklärt er die [[Physiologie|physiologischen]] Prozesse im lebenden [[Organismus]] nach den Gesetzen der Statik und [[Hydraulik]], indem er den [[Menschlicher Körper|menschlichen Körper]] mit einer einfachen [[Maschine]] vergleicht. Dabei versuchte er den [[Massenmittelpunkt|Körperschwerpunkt]] des Menschen möglichst genau herauszufinden. Borelli zeigte starkes Interesse am Zusammenhang von Muskelverkürzung und Kraftaufwand sowie dem optimalen Angriffswinkel der Kraft.<ref name="perl">{{Literatur |Hrsg=Jürgen Perl |Titel=Modellbildung in der Sportwissenschaft |Verlag=Hofmann |Ort=Schorndorf |Datum=2002 |ISBN=3-7780-1821-3}}</ref><ref>{{Google Buch |BuchID=HPUTAAAAQAAJ |SeitenID=PP7 |Linktext=De motu animalium}}. Abgerufen am 22. September 2012.</ref>

Aufbauend auf den Erkenntnissen der Physiker [[Isaac Newton]] und [[Galileo Galilei]] sowie den Mathematikern [[Joseph-Louis Lagrange]], [[Bernoulli (Familie)|Bernoulli]], [[Leonhard Euler]] und [[Young (Familienname)|Young]]<ref name="winter1">{{Literatur |Autor=David A. Winter |Titel=Biomechanics and Motor Control of Human Movement |Verlag=Wiley, J |Ort=New York, NY |Datum=2009 |ISBN=978-0-470-39818-0 |Seiten=1}}</ref> erfolgte im 18. und 19. Jahrhundert eine Verfeinerung der mechanischen Modelle und Methoden als Grundlage der heutigen Biomechanik. Im Jahr 1836 veröffentlichten die Brüder [[Wilhelm Eduard Weber|Wilhelm]] und [[Eduard Friedrich Weber (Mediziner)|Eduard Weber]] unter dem Titel ''Mechanik der menschlichen Gehwerkzeuge'' eine detaillierte Untersuchung des menschlichen [[Gehen]]s.<ref>{{Google Buch |BuchID=NFJJAAAAYAAJ |SeitenID=PR1 |Hervorhebung=mechanik der menschlichen gehwerkzeuge |Linktext=Mechanik der menschlichen Gehwerkzeuge}}. Abgerufen am 22. September 2012.</ref>

Die Untersuchung des menschlichen Schwerpunkts wurde um das Jahr 1890 von [[Christian Wilhelm Braune|Braune]] und [[Otto Fischer (Biophysiker)|Fischer]] weitergeführt, die beide Pionierarbeit auf dem Gebiet der Biomechanik lieferten. Sie untersuchten, wo der Körperschwerpunkt eines [[Deutsches Reich|deutschen]] [[Infanterist]]en mit Ausrüstung lag. Die wissenschaftliche Bedeutung ihrer Arbeit lag in der Einbeziehung von Physik und Mathematik in die Physiologie des menschlichen Bewegungsapparates, insbesondere bei der [[Analyse]] des menschlichen Ganges. Des Weiteren hatten sie einen erheblichen Anteil an der Entwicklung der modernen [[Biophysik]].

Einen bedeutenden Schritt in der Geschichte der Kinematik machte der [[England|englische]] [[Fotograf]] [[Eadweard Muybridge]] mit seinen qualitativen Untersuchungen. 1872 wurde er von [[Leland Stanford]] engagiert, um die exakte Beinstellung eines [[Pferdegangart#Galopp|galoppierenden]] Pferdes zu bestimmen. Damit begründete er die [[Serienfotografie]] mit komplexen Aufbauten, bestehend aus 12, 24 und schließlich 36 nacheinander auslösenden [[Fotoapparat]]en. So wurde erstmals der sichtbare Beweis erbracht, dass sich beim galoppierenden Pferd zeitweise alle vier Beine in der Luft befinden. Bei seinen Serienaufnahmen von [[Trab]]ern und Galoppern berührten die Pferde einzelne, quer zur [[Pferderennbahn]] gespannte [[Draht|Zugdrähte]], wodurch sich die [[Elektrizität|elektrisch]] betriebenen [[Blende (Optik)|Hochgeschwindigkeitsblenden]], der nebeneinander aufgestellten [[Fotokamera|Kameras]], kurzzeitig öffneten. 1879 erfand Muybridge das [[Zoopraxiskop]] zur Präsentation seiner Reihenaufnahmen, welches die in [[Einzelbild (Fotografie)|Einzelbilder]] zerlegte Bewegung einem [[Kinofilm]] ähnlich synthetisierte. Im Jahr 1881 veröffentlichte Muybridge seine berühmten Serienaufnahmen unter dem Titel ''The attitudes of animals in motion'' in Form von [[Albuminpapier]]abzügen. Mit derselben Technik untersuchte er erstmals menschliche Bewegungen wie zum Beispiel [[Bipedie|Lauf]], [[Hürdenlauf]], [[Standweitsprung]] oder Treppensteigen.

1876 benutzte [[Étienne-Jules Marey]] den vier Jahre zuvor von [[Gabriel Lippmann]] entwickelten [[Kapillarelektrometer]], um die [[Aktionspotential|elektrischen Aktivität]] des [[Herz]]ens aufzuzeichnen. Dies war ein wichtiger Meilenstein in der Geschichte der [[Elektrokardiogramm|Elektrokardiographie]].<ref>{{Webarchiv |url=http://www.lrz-muenchen.de/~jmd/geschichte.htm |text=Geschichte der Elektrokardiographie |wayback=20090611192426}} Ergänzungsmaterial zur Vorlesung von Privat-Dozent J. M. Davis, Universität München</ref> Um 1880 entwickelte er die [[Chronofotografie]] zur Rekonstruktion von Bewegungsabläufen, [[3D|dreidimensionale]] Rekonstruktionen waren ebenfalls möglich. Er benutzte rotierende [[Fotografische Platte|photographische Platten]] in einer gewehrähnlichen Kamera (1882), [[Fotoemulsion|lichtempfindliche Papierstreifen]] beziehungsweise [[Zelluloid]] (1888) und schließlich [[Projektion (Optik)|Projektionsgeräte]] (1893) sowie eine 35&nbsp;mm-[[Kamera]] (1899). Seine Fragestellungen betrafen die Bewegung von Tieren (unter anderem [[Insekten]], [[Fliegen (Fortbewegung)#Vogelflug|Vogelflug]], Pferde und Katzen) und menschliche Körperbewegungen. Die Chronofotografie betrachtete Marey als die perfekte Anwendung der ''graphischen Methode''.<ref>Etienne-Jules Marey: ''La station physiologique de Paris'' (1). In:  ''La nature: revue des sciences et de leurs applications aux arts et à l’industrie'', Jg. XXXI 1894, S. 804, nach: [http://www.biusante.parisdescartes.fr/histmed/medica/cote?marey190 Bibliothèque numérique Medic]</ref>

Der deutsche [[Chirurg]] [[Julius Wolff (Mediziner)|Julius Wolff]] berichtete über die Wechselbeziehungen zwischen Form und Funktion der einzelnen [[Gewebe (Biologie)|Gewebe]] des Organismus. Aufgrund von Beobachtungen in seiner langjährigen Tätigkeit als Chirurg [[Postulat|postulierte]] er das [[Wolffsches Gesetz|Wolffsche Gesetz]] (ursprünglicher Titel 1892: ''Gesetzes der Transformation der Knochen''), das den Zusammenhang zwischen Knochengeometrie und mechanischen Einflüssen auf den [[Knochen]] beschreibt. Hierfür stand er mit führenden Wissenschaftlern seiner Zeit in regen Kontakt. So unterstützten ihn [[Karl Culmann]], [[Wilhelm Roux]], [[Christian Otto Mohr]] und [[Albert Hoffa]] bei der Interpretation und Auswertung seiner [[Forschung]]sarbeiten. Mit seiner Arbeit führte er die Mechanik und somit physikalische Faktoren in die [[Evolutionsbiologie]] ein. Er sah sein Werk als eine Erweiterung der [[Synthetische Evolutionstheorie|Evolutionstheorie]] von [[Charles Darwin]]. Seine Erkenntnisse, dass sich Knochen veränderten mechanischen Bedingungen anpassen, finden Anwendung in der muskuloskeletalen Forschung, der [[Orthopädie]], [[Unfallchirurgie]], der [[Rehabilitation]], der Mechano- und [[Zellbiologie]] sowie im [[Tissue Engineering]].

1922 wurde [[Archibald Vivian Hill]] der [[Nobelpreis für Medizin]] für seine Arbeiten zur [[Exotherme Reaktion|Wärmeentwicklung]] bei [[Muskelkontraktion]]en zugesprochen.<ref>[http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1922/ The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1922]. Nobelprize.org. Abgerufen am 24. September 2012.</ref> Er führte Borellis Ansatz weiter aus und bewies die Abhängigkeit der Muskelverkürzungsgeschwindigkeit von der [[Belastung (Physik)|mechanischen Belastung]]. Den derzeitigen wissenschaftlichen Stand stellt der [[Muskelkontraktion#Beschreibung des Kontraktionsmechanismus|Querbrückenzyklus]] mit der Gleitfilamenttheorie von [[Hugh Esmor Huxley]] und [[Andrew Fielding Huxley]] dar.

Die Bezeichnung ''Biomechanik'' als eigenständiges [[Fachgebiet]] entwickelte sich erst in den 1960er Jahren. Im August 1967 fand in [[Zürich]] eine erste internationale [[Wissenschaftliche Konferenz]] für Biomechanik mit 150 Vertretern aus 24 Staaten statt.<ref>{{Literatur |Autor=Alfred Petermann |Titel=Sportlexikon |Verlag=Buch und Zeit |Ort=Köln |Datum=1969 |Seiten=84}}</ref> Von da an trafen sich die Biomechaniker alle 2 Jahre zu ihren internationalen Konferenzen. Im Jahre 1973 wurde auf der Konferenz in der Penn State University (USA) die Internationale Gesellschaft für Biomechanik (ISB = International Society of Biomechanics) gegründet. Zu der damaligen Zeit stand die Sportbiomechanik im Mittelpunkt des Interesses. Das hat sich jedoch seither geändert. Heute befassen sich die Biomechaniker überwiegend mit Fragestellungen der Wiederherstellung von Bewegungen der Menschen nach Verletzungen oder durch Krankheit hervorgerufenen Bewegungsstörungen (zum Beispiel nach einem Schlaganfall) – [[Rehabilitation]]. Aber auch im juristischen Bereich spielt die Biomechanik eine bedeutende Rolle, wenn zum Beispiel Unfallhergänge geklärt werden müssen. Insgesamt hat sich der Themenbereich sehr ausgedehnt. So gehören heute auch Fragen der Bewegungskontrolle durch das Nervensystem eine wichtige Rolle. Die Europäische Gesellschaft für Biomechanik (ESB) wurde im Jahr 1979 gegründet. Ihre Konferenzen (seit 1980) finden alle 2 Jahre statt, jeweils in den Jahren, in denen die ISB nicht tagt. Ihre Hauptthemen sind Bereiche aus der Orthopädie. Die Deutsche Gesellschaft für Biomechanik (DGfB) wurde im Jahr 1997 als gemeinnütziger Verein in Ulm gegründet. Ihr erster Vorsitzender war Lutz Claes. Ihre Kongresse finden seit 1999 alle 2 Jahre statt.

== Grundlagen ==
[[Datei:Laboratorio Biomecánica.jpg|mini|Untersuchung des Fußabdruckes einer [[Probandin]] mit Hilfe einer Kraftmessplatte]]
[[Datei:Laetoli footprints.png|mini|Mit Hilfe einer Kraftmessplatte aufgenommene Konturkarte eines menschlichen Fußabdrucks]]

Biomechanik als Teildisziplin der [[Bewegungswissenschaft]], Biophysik, [[Technische Mechanik|Technischen Mechanik]] und [[Arbeitswissenschaft]] beschreibt, untersucht und beurteilt menschliche Bewegungen und den Bewegungsapparat biologischer Systeme unter Verwendung der Begriffe, Methoden und Gesetzmäßigkeiten der Mechanik. Bei der Biomechanik des [[Sport]]s als Teildisziplin der [[Sportwissenschaft]] sind der menschliche Körper, seine Bewegungsmöglichkeiten und die Bewegung Gegenstand der wissenschaftlichen Untersuchung.<ref name="Ballreich" /><ref name="Scheidl" /> In speziellen Fällen werden nichtlebende Bewegungsträger in die Betrachtung mit einbezogen, wie zum Beispiel [[Sportgerät]]e, orthopädische Hilfsmittel oder [[Werkzeug|Arbeitsgeräte]].<ref name="schweizer">Skript Vorlesung Biomechanik des Bewegungsapparates von Ludwig Schweizer aus dem SS 08 der Universität Freiburg, Institut für Sport und Sportwissenschaft.</ref> Mit Hilfe biomechanischer [[Messverfahren]] wird die Bewegung in [[Geometrischer Ort|Orts-]], [[Zeit]]-, [[Geschwindigkeit]]s-, [[Winkel]]- und Kraftmerkmale zerlegt. Dabei kommen [[Messmethode#Messmethode|Messmethoden]] wie zum Beispiel Kraftmessungen, Motion Capture oder Elektromyografie zum Einsatz.

Lange Zeit konzentrierte man sich auf den Außenaspekt der Bewegung. Das Hauptziel war dabei eine [[Theorie]]bildung zur Formulierung sportartenübergreifender biomechanischer Prinzipien wie zum Beispiel das Prinzip des optimalen [[Beschleunigung]]swegs oder das Prinzip der Anfangskraft. Ein weiteres Ziel war die Modellierung des sporttreibenden Menschen hinsichtlich des [[Motorik|motorischen]] [[Verhalten (Biologie)|Verhaltens]], des [[Körperbau]]s und der Aufdeckung der leistungsbestimmenden Kenngrößen. Mittlerweile wird der Innenaspekt der Bewegung verstärkt untersucht, wie zum Beispiel bioelektrische [[Muskel]]- und [[Reflex]]aktivitäten oder die Materialeigenschaften des menschlichen Körpers.<ref name="Wollny">Rainer Wollny: ''Bewegungswissenschaft: Ein Lehrbuch in 12 Lektionen.'' 2. Auflage. Meyer & Meyer, Aachen 2010, ISBN 978-3-89899-183-4, S. 30–32.</ref> Die Biomechanik tritt damit in Interaktion mit anderen Fachgebieten wie zum Beispiel Neurophysiologie, Physiologie oder Anatomie.<ref name="winter1" />

Die Biomechanik wird seit einiger Zeit auch als ein Teil der Technischen Mechanik verstanden, da die Belastungen von belebten Strukturen und beispielsweise Maschinenteilen gewisse Ähnlichkeiten aufweisen. Die [[Optimierung]]sstrategien von Bäumen und Knochen von [[Wirbeltier]]en dienen dabei als Vorbild für den Entwurf von [[Bauteil (Technik)|Bauteilen]] hoher [[Festigkeitslehre|Festigkeit]]. Längst nicht mehr strittig ist, ob Knochen auf [[Biegung (Mechanik)|Biegung]] oder reinen [[Druck (Physik)|Druck]] beansprucht werden: Die Analyse der resultierenden Kräfte langer [[Röhrenknochen]] zeigt, dass die Knochenschäfte erheblichen [[Biegemoment]]en ausgesetzt sind. Sie müssen sowohl Druck- als auch [[Zugkraft|Zugkräfte]] übertragen. Die Auswirkungen dieser prinzipiell ungünstigen Beanspruchungsform werden im Bewegungsapparat durch passive und aktive [[Zuggurtung]], welche mit spannungsoptischen Modellen ermittelt werden können, vermindert.

{{Bewegungswissenschaft Teildisziplinen}}

== Forschungsgebiete ==
Aufgabe der Biomechanik ist es, Fragen zur Bewegung und zum [[Körperhaltung|Haltungs-]] und Bewegungsapparat im Rahmen [[interdisziplinär]]er Forschungsansätze zu bearbeiten. In der Sportbiomechanik werden Fragen im Leistungs-, Breiten- und Gesundheitssport sowie in der Orthopädie beantwortet sowie Grundlagenforschung betrieben. In der Forschung wird allgemein zwischen der Leistungsbiomechanik, der anthropometrischen Biomechanik und der präventiven Biomechanik unterschieden. Die Biomechanik bearbeitet ein weites und zum Teil sehr komplexes Forschungsgebiet, das vor allem von spezialisierten Wissenschaftlern betrieben wird.<ref>{{Literatur |Hrsg=Volker Scheid, Robert Prohl |Titel=Bewegungslehre |Verlag=Limpert |Ort=Wiebelsheim |Datum=2007 |ISBN=978-3-7853-1733-4}}</ref>

Bei Leistungssportlern geht es darum, mit einer möglichst genauen Untersuchung der Bewegung eventuelle Fehlstellungen der [[Gelenk (Anatomie)|Gelenke]] oder ähnliche Technikmängel zu beheben und damit zum Beispiel den Beschleunigungsweg zu optimieren. Ein weiterer Anwendungsbereich der Dynamik und Kinematik ist die Rehabilitation. Dort werden zum Beispiel [[Gangbild]]&shy;aufnahmen zur [[Therapie]] von funktionellen Schäden benutzt oder zur optimalen [[Laufschuh]]analyse bei Fehlstellung der [[Sprunggelenk]]e.

Anwendungsgebiete sind unter anderem:
* Leistungsbiomechanik
** Technikanalyse, Techniksteuerung
** Technikoptimierung
** [[Körperliche Leistungsfähigkeit|Konditionsanalyse]], [[Training (Sport)|Konditionssteuerung]]
** Optimierung von [[Bewegungsablauf|Bewegungsabläufen]]
** [[Objektivität|objektive]] und [[Quantität|quantitative]] [[Phänomenologie|Beschreibung]] und [[Erklärung]] sportlicher Bewegungstechniken
* Anthropometrische Biomechanik
** [[Eignungsdiagnostik]], Leistungsprognose
* Präventive Biomechanik
** [[Belastung (Sport)|Belastungsanalyse]], Belastungsgestaltung
** [[gesundheit]]liche Auswirkungen von sportlichen Bewegungen
* [[Ganganalyse|Gang-]] und [[Laufanalyse]]n von Mensch und Tier
* Computersimulation von Bewegungen
* Entwicklung von [[Implantat]]en, [[Orthese]]n und [[Prothese]]n
* Rehabilitation
* [[Posturographie]]
* [[Ergonomie]]
* [[Allometrie]]
* Turngeräteprüfung

== Betrachtungsweisen ==
Es existieren verschiedene biomechanische Betrachtungsweisen, die auf direktem oder indirektem Weg [[physikalische Größe]]n erfassen. Bei den Messverfahren wird zwischen [[Elektronik|elektronischen]], mechanischen und [[Optik|optischen]] Verfahren sowie der theoretischen Modellierung unterschieden. Es kommen Methoden der Mechanik, der Anthropometrie, der Medizin sowie Computersimulationen zum Einsatz.

=== Mechanik ===
{| class="wikitable float-right" style="font-size:90%"   |
! Strukturierung der Mechanik unter dem<br />Gesichtspunkt der beteiligten Kräfte
|-
|{{Strukturierung Mechanik Kräfte}}
|}
{{Hauptartikel|Mechanik}}

Die Mechanik lässt sich in Kinematik und Dynamik unterteilen. Die Dynamik geht auf die [[Kausalität#Klassische Mechanik|Ursache]] von Bewegungen ein und untersucht somit die Kräfte, die der Bewegung zugrunde liegen. Im Gegensatz dazu geht die Kinematik auf die Erscheinung von Bewegungen ein, also Ortsveränderungen von [[Körper (Physik)|Körpern]] beziehungsweise [[Massepunkt|Körperpunkten]] in der Zeit, wobei Körpermaße und angreifende Kräfte unberücksichtigt bleiben.<ref name="rw">{{Literatur |Autor=Klaus Roth, Klaus Willimczik |Titel=Bewegungswissenschaft |Verlag=Rowohlt-Taschenbuch-Verlag |Ort=Reinbek bei Hamburg |Datum=1999 |ISBN=3-499-18679-9}}</ref>

==== Kinematik ====
[[Datei:Ideal projectile motion for different angles.svg|mini|Flugbahnen eines Balls bei verschiedenen Abwurfwinkeln und einer Wurfgeschwindigkeit von 10&nbsp;m/s (36&nbsp;km/h) ohne Berücksichtigung des Luftwiderstandes]]
{{Hauptartikel|Kinematik|Biokinematik}}

Die Kinematik ist die Lehre der Bewegung von [[Punkt (Geometrie)|Punkten]] und Körpern im [[Raum (Physik)|Raum]], beschrieben durch die Größen [[Ortsvektor|Position]], Geschwindigkeit und Beschleunigung, ohne die Ursachen der Bewegung (Kräfte) zu betrachten.<ref>{{Literatur |Autor=David A. Dainty, Robert W. Norman |Titel=Standardizing biomechanical testing in sport |Verlag=Human Kinetics Publishers |Ort=Champaign, IL |Datum=1987 |ISBN=0-87322-074-9}}</ref> Den Größen Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung bei einer [[Translation (Physik)|geradlinigen]] Bewegung (Translation) entsprechen bei einer Drehbewegung ([[Rotation (Physik)|Rotation]]) die Größen [[Winkel|Drehwinkel]], [[Winkelgeschwindigkeit]] und [[Winkelbeschleunigung]]. Die Position eines Punktes wird durch drei [[Koordinate]]n im [[3D|dreidimensionalen]] Raum festgelegt.

Bei [[Mehrkörpersystem]]en ist die Untersuchung räumlicher Mechanismen Gegenstand der Kinematik. Diese Mechanismen sind häufig aus Gelenken und Verbindungen aufgebaut. Mit kinematischen Methoden (siehe [[Direkte Kinematik]]) wird die Anzahl der [[Freiheitsgrad]]e ermittelt und Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung aller Körper berechnet.

Um eine Bewegung beschreiben zu können, muss immer ein Bezug zur Umwelt hergestellt werden. Es liegt ein absolutes und ein relatives [[Koordinatensystem]] vor. Gemessen wird der [[Trajektorie (Physik)|Weg]], welchen der Körper bei seiner Ortsänderung (Bewegung) zurücklegt und die Zeit, die er braucht, um diesen Weg zurückzulegen. Aus diesen beiden Größen können weitere Merkmale wie Geschwindigkeit und Beschleunigung, bei Rotationen Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung, abgeleitet werden. Traditionell wird die zeitliche Komponente mit einer direkten [[Zeitmessung]] bestimmt. Hierzu dienen Hilfsmittel wie [[Stoppuhr]]en, [[Lichtschranke]]n und [[Elektrischer Kontakt|Kontaktmatten]]. Die räumliche Komponente wird mit Hilfe von mechanischen und elektronischen [[Maßband|Maßbändern]] erfasst. Sie dient der Bestimmung von Positionen oder den zurückgelegten Wegen. Indirekt können diese Größen durch [[Differentiation|Differenzieren]] und [[Integralrechnung|Integrieren]] der Kraft-Zeit-Kurve bestimmt werden.<ref name="schweizer" />

In der Kinematik werden heute hauptsächlich [[Bildgebendes Verfahren|bildgebende]] Bewegungsanalysen verwendet. Diese unterscheiden sich in vollständiges und unvollständiges Abbild der Bewegungen. Vollständig kann die Bewegung durch eine Aufnahme per [[Videokamera]] wiedergegeben werden. Zu den unvollständigen Messmethoden gehören die [[LED]]-Lichtspurmarker, [[Infrarot]]-[[Reflexion (Physik)|Reflexmarker]], [[Ultraschall]] und [[Magnetfeld]].

==== Dynamik ====
{{Hauptartikel|Dynamik (Physik)|titel1=Dynamik}}

Die Dynamik untersucht den Zusammenhang zwischen Bewegungen und die sie verursachenden Kräfte. Dabei beschränkt sich die äußere Biomechanik auf die Kräfte, die zwischen Mensch und Umwelt bestehen. Dies sind die an der [[Peripherie#Medizin|Peripherie]] des Körpers auftretenden [[Actio und Reactio|Reaktionskräfte]], also der Kraftaufwand der einzelnen Muskeln.<ref name="rw" />

Die Dynamik wird weiter untergliedert in die Statik, die sich mit dem Kräftegleichgewicht an unbeschleunigten Körpern befasst, und die Kinetik, die den Zusammenhang zwischen Bewegungen und Kräften erfasst.

===== Statik =====
[[Datei:Aclr.svg|mini|Charakteristisches Kraft-Dehnungs-Diagramm eines menschlichen Kniebandes]]
{{Hauptartikel|Statik (Physik)|titel1=Statik}}

Bei der Statik stehen die verursachenden Kräfte im Gleichgewicht, so dass es nicht zu einer Bewegung kommt.<ref name="rw" /> Damit ein ruhender oder sich unbeschleunigt bewegender Körper in Ruhe bleibt (beziehungsweise sich unbeschleunigt bewegt), müssen die [[Summe]]n aller Kräfte und [[Drehmoment]]e, die auf diesen Körper wirken, Null sein. Das ist die Gleichgewichtsbedingung der Statik. Bei Kenntnis der angreifenden Kräfte und Momente lassen sich die reagierenden Auflagerkräfte und die im Körper wirkenden inneren Kräfte und Momente bestimmen.

Die Statik beschäftigt sich unter anderem mit dem Kräftemittelpunkt und dem Schwerpunkt, der [[Reibung]], dem Begriff der [[Arbeit (Physik)|Arbeit]], der [[Schnittreaktion|Schnittgrößenbestimmung]], der [[Verformung]]sberechnung und der [[Standfestigkeit|Stabilität]]. Dazu dienen [[Grafische Methode|grafische]] sowie rechnerische Methoden, um die Problemstellungen zu lösen. Neben den klassischen [[Analytische Funktion|analytischen]] Methoden erhält immer mehr die [[Numerische Mathematik|numerische]] [[Finite-Elemente-Methode]] Einzug.

===== Kinetik =====
{{Hauptartikel|Kinetik (Technische Mechanik)|titel1=Kinetik}}

Die Kinetik befasst sich mit den Kräften, die zu Ortsveränderungen oder Rotationen führen.<ref name="rw" /> Sie beschreibt die Änderung der Bewegungsgrößen (Weg, Zeit, Geschwindigkeit und Beschleunigung) unter Einwirkung von Kräften im Raum. In der Kinetik wird zwischen Translationsbewegung und Rotationsbewegung unterschieden. Der Zugang zum Verständnis der dynamischen Merkmale in der Biomechanik ergibt sich aus den klassischen [[Newtonsche Gesetze|Newtonschen Gesetzen]] (Trägheitsprinzip, Aktionsprinzip, Wechselwirkungsprinzip).<ref name="loosch">{{Literatur |Autor=Eberhard Loosch |Titel=Allgemeine Bewegungslehre |Verlag=Limpert |Ort=Wiebelsheim |Datum=1999 |ISBN=3-8252-2100-8}}</ref>

Über die Sätze der Kinetik lässt sich die [[Bewegungsgleichung]] eines Systems in Abhängigkeit einer frei wählbaren Koordinate aufstellen. Wichtige Sätze der Kinetik sind [[Schwerpunktsatz]] oder [[Impulserhaltungssatz]], [[Leistungssatz]], [[Energieerhaltungssatz]] und [[Arbeitssatz]]. Die Kenntnis der äußeren Kräfte ist die Voraussetzung zur Ermittlung der inneren Kräfte. Um die auftretenden Kräfte quantitativ erfassen zu können, werden verschiedene technische Hilfsmittel verwendet. Allen Messverfahren ist jedoch gemeinsam, dass die Kraft in Abhängigkeit von der Zeit (Kraft-Zeit-Diagramm) registriert wird. Das Ergebnis sind Dynamogramme.<ref name="rw" />

=== Anthropometrie ===
[[Datei:Homem Vitruviano - Da Vinci.jpg|mini|Der vitruvianische Mensch von Leonardo da Vinci – eine der ersten und berühmtesten anthropometrischen Zeichnungen]]
[[Datei:Image70.gif|mini|Beispiel<ref>E. Churchill: ''Sampling and Data Gathering Strategies for Future USAF Anthropometry Webb Associates''. In:   ''A/F Aerospace Medical Res'', 2-76, AMRL-TR-74-102</ref> einer anthropometrischen Betrachtung]]
{{Hauptartikel|Anthropometrie}}

Anthropometrie ist die [[Lehren|Lehre]] der Ermittlung und Anwendung der [[Messwert|Maße]] des menschlichen [[Körper (Biologie)|Körpers]]. Während die [[Vermessung]] des Körpers relativ einfach ist, gestaltet sich die Bestimmung der Teilschwerpunkte der Gliedmaßen schwieriger. Diese Daten wurden früher durch Untersuchung von [[Leiche]]n gewonnen. Heute lässt sich die [[Dichte]] des Gewebes mit Hilfe von [[Computertomographie]] bestimmen.<ref name="perl" />

=== Modellbildung ===
{{Hauptartikel|Modell#Modellbildung|titel1=Modellbildung}}

Der menschliche Körper und seine Bewegungen weisen eine hohe [[Komplexität]] auf. Um diese zu reduzieren und damit Zusammenhänge deutlicher und verständlicher zu machen, bedient man sich häufig der Modellbildung.

Mit dem Erstellen eines Modells wird von der [[Realität]] abstrahiert, weil diese in fast allen Fällen zu komplex ist, als dass sie genau abgebildet werden könnte. Es wird auch nicht beabsichtigt, die Realität komplett oder vollständig abzubilden, sondern lediglich eine überschaubare Vereinfachung oder einzelne Teilaspekte darzustellen, die man untersuchen und besser verstehen möchte.

Die Gültigkeit von Modellen sollte immer an der [[Realität]] (den realen Messwerten von den entsprechenden beobachteten Vorgängen) überprüft werden.

In der Biomechanik werden Modelle verschiedener Formen verwendet.<ref name="perl" />

==== Physikalische (physische) Modelle ====
Einfache Formen der Modellbildung in der Biomechanik sind verkleinerte materielle Nachbildungen des menschlichen Körpers oder die von Geräten, an denen die Wirkung von auf sie treffende Kräfte demonstriert werden kann. Ein Beispiel hierfür ist das [[Holz]]modell eines [[Reck]]turners, das aus [[Arm]]en, [[Rumpf (Anatomie)|Rumpf]] und [[Untere Extremität|Beinen]] besteht. [[Gummi]]- und [[Seil]]züge ermöglichen bei diesem Modell eine Bewegung der Gliedmaßen, so dass sich z.&nbsp;B. [[Felgaufschwung|Felg]]- und [[Kippe (Reck)|Kippbewegung]] durchführen lassen. Eine weitere Anwendung sind [[Aerodynamik|aero]]- oder [[Fluiddynamik|hydrodynamische]] Untersuchungen. So lassen sich zum Beispiel [[Windkanal]]versuche mit verkleinerten Modellen von Sportgeräten und Sportlern (zum Beispiel [[Bobsport|Bob]], [[Skispringen|Skispringer]], [[Rennrad]]fahrer) durchführen, um so den [[Strömungswiderstand]] [[Optimum|optimieren]] zu können.<ref name="perl" />

==== Abstrakte Modelle ====
Abstrakte Modelle: Abstrakte Modelle repräsentieren Systeme, indem sie grafische Darstellungen zum Beispiel Flussdiagramme (beispielsweise zur Beschreibung eines komplexen Bewegungsablaufs) sowie Symbole und Gleichungen verwenden. Mit ihrer Hilfe können besonders gut parallele und/oder sequentielle Abläufe dargestellt werden. Hierbei werden [[Erkenntnis]]se aus der Mechanik, Anatomie und Physiologie genutzt, um [[Gleichung]]en zur Abbildung eines Sachverhaltes zu erstellen. Ein Beispiel eines solchen Modells ist der schräge Wurf, mit dem sich die [[Wurfparabel]] beim [[Kugelstoßen|Kugelstoß]], [[Weitsprung]] oder [[Hochsprung]] berechnen lässt. Auch eine Aussage über den Einfluss verschiedener [[Anfangsbedingung]]en und Optimierungsmöglichkeiten (zum Beispiel Berechnung des optimalen Abflugwinkels) lassen sich treffen.<ref name="perl" />

==== Wissenschaftliche Modelle ====
Wissenschaftliche Modelle sind theoretische (abstrakte) schematisierende und vereinfachende Darstellungen eines Objekts oder eines Objektbereichs, an dem einzelne Elemente und deren Funktionen deutlich gemacht werden. Es sollen dabei die wesentlichen Einflussfaktoren identifiziert werden, die für den Prozess bedeutsam sind, der gerade untersucht wird. Häufig werden dazu mathematische [[Gleichung]]en verwendet.

==== Mathematische Modelle ====
Bei mathematischen Modellen werden die Größen, die beobachtet und/oder bestimmt werden sollen, durch mathematische [[Symbol]]e ausgedrückt. Der Vorteil dieser Modelle besteht außer ihrer Übersichtlichkeit in der Möglichkeit, [[Variable (Mathematik)|Variablen]] als Symbole zu verwenden. Diese können nicht nur Zustände (statisch), sondern auch Entwicklungen (dynamisch) von [[Prozess]]en beschreiben. Dadurch lassen sich Ergebnisse, zum Beispiel Endzustände oder die Einflüsse extremer Situationen beobachten und bestimmen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass es in der Biomechanik zwei unterschiedliche Ansätze zur Berechnung der dynamischen Eigenschaften des menschlichen Körpers gibt. Die eine basiert auf dem sogenannten [[Masse (Physik)|Massenpunktmodell]]. Dabei wird der Körper als konzentriert in seinem Massenmittelpunkt betrachtet. Die Massenverteilung des Körpers spielt dabei keine Rolle. Bei der anderen wird der gesamte Körper mit seinen Teilsegmenten, das bedeutet auch mit deren Massenträgheitseigenschaften, in die Berechnung mit einbezogen. Das führt zu einem sehr viel höheren Rechenaufwand.

In der Biomechanik geht es häufig um die Berechnungen von Kräften. Dabei bedient man sich sogenannter direkt-dynamischer beziehungsweise invers-dynamischer Modelle.

Mit ''direkt-dynamischen Modellen'' lassen sich aufgrund von gemessenen Kräften, die auf den Körper wirken, und kinematischen Daten des Körpers (der dargestellt wird durch miteinander verbundene Teilsegmente), Bewegungsabläufe berechnen und simulieren.

Bei ''invers-dynamischen'' Modellen wird von einer vollständigen kinematischen Beschreibung eines Modellkörpers und seiner Teilkörper ausgegangen. Es lassen sich dann daraus nicht messbare Größen wie Kräfte und Drehmomente bestimmen.<ref>David A. Winter:  ''Biomechanics and Motor Control of Human Movement''. 4. Auflage. J Wiley, New York 2009, S. 76.</ref> Auf diese Weise ist es zum Beispiel häufig möglich, Belastungsanalysen an Gelenken oder Muskeln durchzuführen, die einer direkten [[Kraftmessung]], weil sie innerhalb des Körpers liegen, nicht oder nur mit sehr großem Aufwand (wie sie zum Beispiel am Julius-Wolff-Institut der Charité in Berlin vorgenommen werden) möglich ist.

==== Computermodelle ====
Heute werden die meisten theoretischen Modelle am Computer entworfen. diese Modelle lassen sich dann einfach grafisch darstellen, wie zum Beispiel Geräte, Maschinen (statisch) oder auch Strichmännchen, die sich bewegen (dynamisch). Der Darstellung von Computermodellen liegen die Gleichungen der mathematischen Modelle zugrunde.

Diese Modelle führen dann häufig zu Simulationen der dargestellten Prozesse.

==== Anthropometrische Modelle ====
[[Datei:CofM.jpg|mini|Berechneter Körperschwerpunkt beim Radschlag]]

In der [[Anthropometrie]] sind Modelle des Bewegungsapparates von zentraler Bedeutung. Neben Größe der Gliedmaßen, [[Geometrie|geometrischer]] Form der Gelenkflächen und dem Verlauf der Muskeln sind auch Modelle zur [[Massenverteilung]] zum Beispiel zur Bestimmung des Körperschwerpunktes (KSP) wichtig.

Zur Beschreibung der Massengeometrie des Menschen können je nach Anwendungszweck einfache geometrischen Formen verwendet werden (zum Beispiel Modelle nach Hanavan oder Saziorski) oder [[Geometrische Modellierung|3D-Modelle]], die mit Hilfe von Bodyscannern erzeugt werden. Letztere werden in der [[Industrie]] unter anderem zur Untersuchung der Ergonomie von neuen Produkten verwendet. Auch [[virtuell]]e [[Crashtest]]s finden immer häufiger Anwendung.<ref name="perl" />

== Messmethoden ==
=== Kraftmessung ===
[[Datei:Dinamometro.svg|mini|Kraftmessung mit dem [[Hookesches Gesetz|hookeschen Gesetz]], hier in der Form <math>F p = D \cdot x</math>]]
{{Hauptartikel|Kraftmessung}}

Voraussetzung für Kraftmessungen sind [[Verformung|Deformationen]] von [[Messgerät|Messinstrumentarien]] durch Kräfte. Diese lassen sich oft auf das [[Hookesches Gesetz|hookesche Gesetz]] zurückführen, welches das [[Elastizität (Physik)|elastische]] Verhalten von [[Festkörper]]n beschreibt, deren elastische Verformung annähernd [[proportional]] zur einwirkenden Belastung ist (linear-elastisches Verhalten). Daraus lässt sich aus einer vorhandenen Verformung die zu Grunde liegende Kraft berechnen.

Die Messung von Kräften ist zwar mechanisch möglich, sie erfolgt heute im Allgemeinen aber elektronisch.<ref name="rw" /> Eine der ersten Apparaturen zum Kraftmessen war die [[Federwaage]], welche sich jedoch als ungeeignet herausstellte. Ein Nachteil war der lange Verformungsweg, welche die Bewegung unter dynamischen und kinematischen Aspekt sehr stark verfälschte. Außerdem haben sie eine sehr niedrige [[Eigenfrequenz]], welche das Antwortsignal ungünstig beeinflusst. Gute Kraftsensoren zeichnen sich durch die hohe [[Steifigkeit]] (geringe Verformungswege) und eine hohe Eigenfrequenz aus. Wegen dieser geforderten Eigenschaften haben sich in der Biomechanik vor allem die Kraftmessung mit dem [[Dehnungsmessstreifen]] und die [[Piezoelektrischer Sensor|Piezoelemente]] durchgesetzt.<ref name="schweizer" />

==== Dehnungsmessstreifen ====
[[Datei:DMS Folie.svg|mini|Folien-Dehnungsmessstreifen]]

Hier kommen sogenannte Dehnungsstreifen zum Einsatz, welche bei [[Dehnung]] durch eine äußere Krafteinwirkung verformt werden. Die dadurch resultierende [[Querschnitt (Mechanik)|Querschnittsänderung]] des elektrisch [[Leiter (Physik)|leitenden]] Drahtes wirkt sich in bestimmten Grenzen proportional auf dessen [[Elektrischer Widerstand|Widerstand]] aus. Der Widerstand wird für den bei der Messung fließenden [[Elektrischer Strom|Strom]] erhöht. Ein großer Vorteil ist, dass die Messstreifen klein sind und zum Beispiel in die [[Kniegelenk#Kniescheibe|Patella]]- oder [[Achillessehne]] eingefügt werden können. Die Probleme bei dieser Art der Messung bestehen hauptsächlich in der mechanischen Konstruktion des Messaufbaus bei mehrdimensionaler Krafteinwirkung sowie in der genauen Bestimmung der Hauptachse.

==== Piezoelektrischer Sensor ====
[[Datei:SchemaPiezo.gif|mini|Mechanische Kraft auf ein Piezoelement bewirkt eine elektrische Spannung]]

Beim [[Piezoelement]] wird der [[Piezoeffekt]] ausgenutzt, bei dem kleine [[Kristall]]e aus [[Quarz]] zusammengedrückt werden. Die [[molekular]]e [[Gitterstruktur]] wird auf den äußeren Druck so verschoben, dass die Kristalle mit elektrischen [[Ladung (Physik)|Ladungsveränderungen]] an der Oberfläche reagieren. Diese auftretende Ladungsänderung verändert sich proportional (zu zirka 99,5 %) zur einfließenden Kraft. Die Messplattformen, welche diesen piezoelektrischen Effekt ausnutzen, bestehen aus einem Grundrahmen und einer auswechselbaren Deckplatte. Zwischen diesen beiden Teilen sind unter hoher Vorspannung vier 3-Komponenten-Kraftaufnehmer eingebaut.

==== Kraftmessplatten ====
[[Datei:Instrumented stairway.jpg|mini|Treppe mit Kraftmessplatten]]

Kraftmessplatten stellen die Grundlage zur Bestimmung von Bodenreaktionskräften und Drehmomenten im Stand, beim Gehen/Laufen sowie bei weiteren sportlichen Bewegungen dar. Somit lassen sich global wirkende externe Kräfte für verschiedene Zwecke messen. Mobile Kraftmessplatten lassen sich variabel im Boden positionieren und ermöglichen eine vielseitige Einsetzbarkeit.<ref name="ifss">{{Webarchiv |url=http://www.sport.uni-freiburg.de/institut/Arbeitsbereiche/motorik/forschung/methodik/biomechanische-methoden |text=Biomechanische Methoden – Institut für Sport und Sportwissenschaft Uni Freiburg |wayback=20150317141343}}. Abgerufen am 22. September 2012.</ref> Kraftmessplatten werden häufig in Verbindung mit [[Squat Jump]]s, [[Counter Movement Jump]]s oder [[Drop Jump]]s eingesetzt.

=== Elektromyografie ===
[[Elektromyografie]] ist eine experimentelle Technik, die sich der Entstehung, Aufzeichnung und Analyse des elektrischen Aktivierungszustands des Muskels und des [[Nervenfaser#Faserqualitäten|Innervationsverhaltens]] widmet. [[Myoelektrik|Myoelektrische]] [[Signal]]e werden durch physiologische Zustandsvariationen der [[Muskelfaser]]membran generiert. Der Fokus der Oberflächen-Elektromyografie (OEMG oder SEMG, im Gegensatz zu Nadel-Elektromyografie) liegt auf der Erfassung und Analyse der willkürlichen Muskelaktivierung in funktionellen Bewegungen, [[Posturale Kontrolle|posturalen]] Aktivitäten oder Therapie- und Trainingsübungen.<ref name="ifss" />

=== Motion Capture ===
[[Datei:Proce.jpg|mini|3D-Ganganalyse mit Hilfe von Motion Capture]]
Komplexe dynamische Bewegungen können mit Hilfe von [[Motion Capture|Motion-Capture]]-Verfahren aufgezeichnet und am Computer in 3D analysiert werden. Kleine, reflektierende Markierungen werden auf Mensch oder Objekt angebracht und mittels mehrerer [[Infrarotkamera]]s mit einer [[Frequenz]] von bis zu 240&nbsp;Hz und einer [[Auflösung (Physik)|Auflösung]] von weniger als 1&nbsp;mm detektiert. Mit dieser Information ist es schließlich möglich beispielsweise Gelenkwinkelverläufe während des Laufens oder Springens zu ermitteln (Kinematik). Über Kraftmessplatten extern wirkende Kräfte können [[Synchronität|synchron]] bestimmt werden (Kinetik). Diese können über anthropometrische Körpermodelle auf die Gelenke umgerechnet werden (inverse Dynamik), um somit zum Beispiel Gelenkbelastungen zu bestimmen. Ferner besteht die Möglichkeit die Muskelaktivität (Elektromyografie) zu messen und somit Aussagen über die muskuläre Gelenksteuerung zu treffen. Die Integration der drei Methoden Kinematik, Kinetik und Elektromyographie ermöglicht es Einblicke in die Gelenk- und Bewegungskontrolle während hochdynamischer Bewegungen zu erhalten.<ref name="ifss" />

Über eine geeignete [[Kalibrierung]] werden die Aufnahmen mit einer [[Software]] wie zum Beispiel ''Simi Motion''<ref>[http://www.simi.com/produkte/bewegungsanalyse/simi-motion-2d3d.html Simi Motion]. Abgerufen am 24. September 2012.</ref> oder ''Vicon''<ref>[http://www.vicon.com/ Motion Capture Systems from Vicon]. Abgerufen am 24. September 2012.</ref> weiterverarbeitet. Damit können die zeitlichen Verläufe von Reflexmarker-Koordinaten und Gelenkwinkeln sowie deren Geschwindigkeiten und Beschleunigungen aufgezeigt werden. Zusätzlich kann durch die Verwendung eines standardisierten Massenverteilungsmodells (zum Beispiel Hanavan-Modell) oder durch Eingabe individueller Daten der Massenverteilung die Kinematik des Körperschwerpunkts berechnet werden.

=== Computergesteuertes Laufband ===
Mit computergesteuerten [[Laufband|Laufbändern]] können die Geschwindigkeiten des Bandes über externe [[Trigger (Elektronik)|Triggersignale]] reguliert werden. Aufgrund dieser technischen Vorrichtung und der besonderen Beschleunigungsleistung des Laufbandes ist es zum Beispiel möglich, beschleunigende oder abstoppende Störreize während des Stehens, Gehens oder Laufens zu applizieren. So können beispielsweise Stolpersituationen simuliert und analysiert werden.<ref name="ifss" />

=== Umknickplattform ===
Mit Hilfe einer Umknickplattform ist es möglich Umknickbewegungen des Sprunggelenks zu simulieren und somit Mechanismen von [[Supinationstrauma|Supinationstraumen]] des Sprunggelenks zu untersuchen. Weitere Anwendung findet dieser Messaufbau beispielsweise in der funktionellen Bewertung von Sprunggelenksorthesen. Über einen [[Feder]]mechanismus können mit dieser Versuchsapparatur plötzliche Seitwärtsbewegungen von normierter Stärke ausgelöst werden. Die Plattform besteht aus einer beweglichen Klappe, deren Achslagerung sowohl [[Inversion]]s- als auch [[Plantarflexion]]sbewegungen zulässt. Diese Konstruktion ermöglicht die isolierte Betrachtung der einzelnen Bewegungskomponenten (Inversion, Plantarflexion, [[Rotation (Medizin)|Rotation]], Translation), welche bei typischen Supinationstraumen des Sprunggelenks auftreten. Über einen [[Elektromagnet]]en kann die Kippbewegung auf einen zuvor eingestellten [[Steigung|Neigungswinkel]] ausgelöst werden. Diese Bewegung wird durch ein [[Goniometer|Elektrogoniometer]] und einen [[Beschleunigungssensor]] an der Apparatur analysiert. Durch Anbringung eines Zweiachsengonimeters am Sprunggelenk der Versuchsperson werden Plantarflexion und Inversion direkt am Sprunggelenk während der Simulation eines Supinationstraumas gemessen. Zusätzlich kann die Muskelaktivität während der Bewegung mittels Elektromyographie bestimmt werden.<ref name="ifss" />

=== Weitere Messmethoden ===
In der Biomechanik kommen noch weitere Messmethoden zum Einsatz, wie zum Beispiel:

* [[Wägezelle]]
* [[Kraftaufnehmer]]
* [[Widerstandsmessgerät]]
* [[Hall-Sensor]]
* Kapazitive Messverfahren
* Druckverteilungsmessung
* Goniometer (Winkelmessung)
* Beschleunigungsmesser
* [[Datenhandschuh]]

== Biomechanik in der Verkehrssicherheit ==
[[Datei:Crashtestdummy-computersimulation.jpg|mini|3D-Computersimulation des Verhaltens eines Crashtest-Dummys]]

In der [[Aktive Sicherheit|aktiven Sicherheit]] konzentriert sich die Biomechanik auf dynamometrische und ergometrische Aspekte und deren Einflussfaktoren. Die mechanische Belastbarkeit des lebenden Körpers oder von [[Körperteil]]en wird durch die Biomechanik der [[Passive Sicherheit|passiven Sicherheit]] behandelt und findet bei der Auslegung von [[Auto|Fahrzeugen]] und deren sicherheitsrelevanten Einrichtungen zur Vermeidung zu hoher physikalischer Belastungen und den damit zusammenhängenden [[Trauma (Medizin)|Verletzungen]] des menschlichen Körpers Verwendung.

Im Rahmen von Verkehrsunfällen spielen biomechanische Gutachten eine immer größere Rolle. So hielt in der Schweiz das Bundesgericht fest:

{{Zitat
 |Text=[…] biomechanische Gutachten stellen nach der Rechtsprechung der sozialrechtlichen Abteilung des Bundesgerichts klassische Beweismittel dar, die gewichtige Anhaltspunkte zur –&nbsp;mit Blick auf die Adäquanzprüfung&nbsp;– relevanten Schwere des Unfallereignisses zu liefern vermögen. […] Dass derartige Expertisen aus Sicht des Sozialversicherungsrechts im Rahmen der rechtlichen Beurteilung der Adäquanz bei erstellter natürlicher Kausalität relevant werden, bedeutet nicht, dass entsprechenden Gutachten ausschliesslich zur Bereitstellung der tatsächlichen Grundlagen im Hinblick auf die Rechtsfrage der Adäquanz Beweiswert zuerkannt werden darf. Dies liefe auf die Einführung einer bundesrechtlich nicht statuierten Beweismittelbeschränkung hinaus und liesse sich beweisrechtlich nicht begründen.
 |ref=<ref>so auch Max Berger: ''Unfallanalytik und Biomechanik – beweisrechtliche Bedeutung''. In: ''SJZ'', 102/2006 S. 25 ff., S. 31</ref><ref>Bühler: ''Beweismass und Beweiswürdigung bei Gerichtsgutachten – unter Berücksichtigung der jüngsten Lehre und Rechtsprechung''. In:  ''Jusletter'', 21. Juni 2010, S. 17</ref>}}
Das Bundesgericht selbst erachtete in einem Haftpflicht-Fall, dem wie hier ein Streit über die Ursache des auf ein HWS-Trauma hindeutenden Beschwerdebildes nach einer Auffahrkollision zugrunde lag und in dem die Diagnose eines Schleudertraumas und seiner Folgen nicht durch zuverlässige ärztliche Angaben gesichert war, die Mitberücksichtigung der Ergebnisse eines biomechanischen Gutachtens zur Ermittlung der natürlichen Kausalität implizit für zulässig.<ref>Urteil des Bundesgerichts 4A_494/2009 vom 17. November 2009 E. 2.2 f. und E. 2.9</ref><ref>Urteil des Bundesgerichts 4A_540/2010 vom 8. Februar 2011</ref>

== Studium ==
Da die Biomechanik naturwissenschaftliche als auch [[Ingenieurwissenschaften|ingenieurwissenschaftliche]] Inhalte besitzt, ist der Bachelorabschluss sowohl als [[Bachelor of Science]] (B.Sc.), oder als [[Bachelor of Engineering]] (B.Eng.) möglich. Im Anschluss an das [[Studium|Bachelorstudium]] oder des [[Diplom]]s kann ein [[Master]]studium mit verschiedenen Spezialisierungsmöglichkeiten durchgeführt werden. In [[Deutschland]] und dem deutschsprachigen Ausland ([[Österreich|A]], [[Schweiz|CH]]) ist das Studium der Biomechanik sowohl an [[Fachhochschule]]n (FH), [[Universität]]en (UNI) und [[Technische Universität|technischen Universitäten (TU)]] möglich. Es existiert zum einen die Möglichkeit über ein ingenieurwissenschaftliches Studium der [[Medizintechnik]] beziehungsweise der [[Biomedizintechnik]] in die Biomechanik zu gelangen. Des Weiteren ist der Bereich der Biomechanik auch über den Zweig der Orthopädie oder Sportwissenschaft möglich. Ebenso bietet ein [[Maschinenbau]]studium die Möglichkeit, sich in den Bereich der Biomechanik zu vertiefen.

== Literatur ==
* {{Literatur
   |Autor=David A. Winter
   |Titel=Biomechanics and Motor Control of Human Movement
   |Auflage=4.
   |Verlag=J Wiley
   |Ort=New York
   |Datum=2009
   |ISBN=978-0-470-39818-0}}
* {{Literatur
   |Hrsg=D. Wick
   |Titel=Biomechanik im Sport
   |Auflage=2.
   |Verlag=Spitta
   |Ort=Balingen
   |Datum=2009
   |ISBN=978-3-938509-59-3}}
* {{Literatur
   |Autor=Benno Kummer
   |Titel=Biomechanik
   |Verlag=Dt. Ärzte-Verlag
   |Ort=Köln
   |Datum=2004
   |ISBN=3-7691-1192-3}}
* Steven Vogel: ''Comparative Biomechanics''. New Age International, Neu-Delhi 2006.
* Sigrid Thaller, Leopold Mathelitsch: ''Was leistet ein Sportler? Kraft, Leistung und Energie im Muskel''. In: ''Physik in unserer Zeit'', 37(2), 2006, S. 86–89, {{ISSN|0031-9252}}
* Veronika R. Meyer, Marcel Halbeisen: ''Warum gibt es in der Natur keine Räder''? In: ''Biologie in unserer Zeit'', 36(2), 2006, S. 120–123, {{ISSN|0045-205X}}
* {{Literatur
   |Autor=[[Claus Mattheck]]
   |Titel=Design in der Natur
   |Verlag=Rombach
   |Ort=Freiburg im Breisgau
   |Datum=1997
   |ISBN=3-7930-9150-3}}
* {{Literatur
   |Autor=Klaus Roth, [[Klaus Willimczik]]
   |Titel=Bewegungswissenschaft
   |Verlag=Rowohlt Verlag
   |Ort=Reinbek bei Hamburg
   |Datum=1999
   |ISBN=3-499-18679-9}}
* {{Literatur
   |Autor=[[Georg Kassat]]
   |Titel=Biomechanik für Nicht-Biomechaniker
   |Verlag=Fitness-Contur-Verlag
   |Ort=Bünde
   |Datum=1993
   |ISBN=3-928148-06-0}}
* Klaus Wunderlich, Wolfgang Gloede: ''Natur als Konstrukteur''. Edition Leipzig 1977.

* [[Bernhard Tillmann]], [[Gian Töndury (Mediziner)|Gian Töndury]]: ''Bewegungsapparat''. Band I, in: ''[[August Rauber|Rauber]] / [[Friedrich Wilhelm Kopsch|Kopsch]]. Anatomie des Menschen.'' Herausgegeben von H. Leonhardt, Bernhard Tillmann, Gian Töndury, K. Zilles. [[Georg Thieme Verlag]], Stuttgart / New York 1987.

== Weblinks ==
{{Portal|Sportwissenschaften}}
{{Commonscat|Biomechanics|Biomechanik}}
{{Wiktionary}}
{{Wikisource|Mechanik}}
{{Wikibooks|Mechanik realer Körper}}
{{Wikibooks|Mechanik starrer Körper}}
* [http://www.sportunterricht.de/lksport/lkbeweg.html Bewegungslehre – Materialien zum Leistungskurs Sport]
* [http://www.biomechanics.de/dgbiomech/dgbiomech.html Deutsche Gesellschaft für Biomechanik e.&nbsp;V.], DGfB
* [http://www.esbiomech.org/ European Society of Biomechanics], ESB
* [http://www.asbweb.org/ American Society of Biomechanics], ASB
* [http://isbweb.org/ International Society of Biomechanics], ISB

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4006880-8}}

[[Kategorie:Biomechanik| ]]
[[Kategorie:Motorik]]
[[Kategorie:Betreuungswesen (Sport)]]
[[Kategorie:Physikalische und Rehabilitative Medizin]]