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Biomechanik
und
sportliche Technik
Dr. Barbara Passek
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Biomechanik
?
Wozu brauchen wir denn das?
Ist für mich ein Buch mit sieben Siegeln.
Schon wieder was Neues!
Will ich gar nicht wissen!
Viel zu schwierig.....
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Begriffsdefinition
..... aber geht doch:
“Bio” = “Biologisch” oder “Biologie”
“Mechanik” = Zweig der Physik, der die Bewegungen materieller Systeme
unter dem Einfluss von Kräften
untersucht
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Fragestellungen
= Aufgabenfelder der Biomechanik: :
Wie sieht die Bewegung aus (Bewegungsbeschreibung)?
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Fragestellungen
Welche Faktoren beeinflussen das Bewegungsziel?
Gibt es Grundsätze, die auf jede Bewegung
angewendet werden können?
Welche Muskeln sind an der Bewegung beteiligt?
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Fragestellungen
Wie kann man eine Bewegung optimieren?
→→ Diese Fragestellung ist das Hauptzielbiomechanischer Betrachtungsweisen.
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theoretisch beschrieben
Bewegungen werden
experimentell untersucht
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Biomechanische Prinzipien
•Prinzip des optimalen Bewegungswegesgeradlinig oder stetig gekrümmt, nicht wellenförmig
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Biomechanische Prinzipien
• Prinzip der Anfangskraft
Bewegung mit best. Kraft in best. Richtung
• Prinzip der Koordination von Teilimpulsen
Koordination einzelner Muskelschlingen
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Biomechanische Prinzipien
•Prinzip der Gegenwirkungactio = reactio; Beispiel: Ball werfen
•Prinzip der ImpulserhaltungImpuls über die Zeit konstant, solange keine äußeren Wirkungen
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Biomechanische Prinzipien
..... wir brauchen ein Koodinatensystem:
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Biomechanische Prinzipien
Zur vollständigen Beschreibung einer Bewegung sind
zwei Angaben notwendig:
• das Bezugssystem (Koordinatensystem), in dem die
Bewegung beschrieben wird (räumliche Komponente)
• die Körperkoordinate in diesem Bezugssystem zu jedem Zeitpunkt (zeitliche Komponente)
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Biomechanische Prinzipien
Merksätze:
• Als Bewegung bezeichnet man die Veränderung der Koordinaten eines Körpers im Laufe der Zeit in einem beliebig gewählten, dann aber festen Bezugssystem.
• Um eine Bewegung zu analysieren, benötigt man ein Bezugssystem und eine Zeitinformation.
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Biomechanische Prinzipien
Bezugssysteme:
• der Ursprung kann beliebig gewählt werden
• Analyse wird erleichtert, wenn er richtig gewählt wird
?
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Biomechanische Prinzipien
Aufgaben:
• Analyse der Länge des Schrittes
• Analyse des Bewegungsumfang des rechten Beins
während eines Schrittes
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Biomechanische Prinzipien
Lage des Koordinatennullpunktes beieinem ortsfestenKoordinatensystem
Lage des Koordinatennullpunktes beieinem körperfestenKoordinatensystem
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Biomechanik des Schwimmens (1)
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Biomechanik des Schwimmens
Dichte des Wassers etwa 1000 mal größer ist als die
Dichte der Luft.
Beim Aufenthalt im Wasser wirken
↑(hydro)statischer Auftrieb
↓ Schwerkraft
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Biomechanik des Schwimmens
• Beim Bewegen im Wasser wirken zusätzlich
- der Strömungswiderstand
- der (hydro)dynamische Auftrieb und
- die Trägheitskraft.
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Biomechanik des Schwimmens
Je nachdem, ob der (hydrostatische) Auftrieb kleiner,
gleich oder größer als die Gewichtskraft ist,
- sinkt
- schwebt oder
- steigt (schwimmt) der Körper.
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Biomechanik des Schwimmens
Jeder Mensch hat:
• Volumenmittelpunkt (VM)
(liegt bei vielen kopfwärts vom
Körperschwerpunkt)
• Körperschwerpunkt (KSP)
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Biomechanik des Schwimmens
Und wie sieht dies im Wasser aus?
links: Gleichgewichtszustand ist labil
rechts: Gleichgewichtszustand ist stabil
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Biomechanik des Schwimmens
Warum passiert das?
Die Resultierende der am Körper angreifenden
statischen Auftriebskräfte wirkt am
Volumenmittelpunkt (VM) der verdrängten
Wassermassen, die Schwerkraftresultierende
greift dagegen am Körperschwerpunkt (KSP) an.
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Biomechanik des Schwimmens
Das Kräftepaar Schwerkraft / statischer Auftrieb
bewirkt einen Drehmoment, der von der Länge
des Hebelarms (Abstand VM zu KSP) und dem
Betrag der Schwerkraft (Körpergewicht) abhängt.
Die Drehachse geht durch den VM.
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Biomechanik des Schwimmens
Die Positionen des Körperschwerpunktes und des
Volumenmittelpunktes können durch
- Veränderung der Körperlage,
- Teilkörperbewegungen sowie
- Ein- bzw. Ausatmung
verändert werden.
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Biomechanik des Schwimmens
Stabiler oder labiler
Gleichgewichtszustand ?
Der Körper befindet sich in einem
stabilen Gleichgewichtszustand –
der Körperschwerpunkt liegt
unterhalb des Volumenmittelpunktes
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Biomechanik des Schwimmens
Stabiler oder labiler
Gleichgewichtszustand ?
Der Körper befindet sich
in einem labilen
Gleichgewichtszustand –
der Körperschwerpunkt liegt über
oder auf gleicher Höhe des
Volumenmittelpunktes (=Drehpunkt)
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Technikrelevante Rahmenbedingungen
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Technikrelevante Rahmenbedingungen
Interne Bedingungen:
Muskeln und Nerven
Externe Bedingungen:
antreibende Wasserkraft und
hemmender Wasserwiderstand
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Technikrelevante Rahmenbedingungen
Muskelkontraktionen sind die Ursachen für
Aktionen (z.B. Arm- und Beinbewegungen).
Wir beschäftigen uns zunächst mit:
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Funktionell-anatomische Betrachtungen
Formen und Beispiele für Muskelfaseranordnungen
(„Materialeigenschaften“)
A = parallelfasrig(gerade Bauchmuskulatur)
B = spindelförmig (Bizeps)C = einfach gefiedert
(kurzer Wadenmuskel)
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Funktionell-anatomische Betrachtungen
die Muskelfiederung hat Einfluß auf
die Hubhöhe (=Verkürzungslänge) eines Muskels
parallelfasrige und spindelförmigeMuskeln verkürzen sich stark
gefiederte Muskeln verkürzen sich kaum
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Funktionell-anatomische Betrachtungen
Fazit:
Parallelfaserige und kleinwinklig gefiederte
Muskeln sind die Bewegungsmuskeln
(Schnelligkeitsmuskeln).
Wofür wichtig?
Überall dort wichtig, wo große Bewegungsausschläge
und schnelle Bewegungen erforderlich sind
(Bizeps und äußerer Oberschenkel)
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Funktionell-anatomische Betrachtungen
Großwinklig und vor allem doppelt gefiederte
Muskeln sind die Haltemuskeln (Kraftmuskeln).
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Funktionell-anatomische Betrachtungen
Merke:
Jede sportliche Bewegung ist eine muskuläre
Ganzheitsleistung.
Für biomechanische Aspekte ist daher neben der
physikalischen Betrachtung auch die funktionelle
Muskelanatomie wichtig.
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Funktionell-anatomische Betrachtungen
• Hebel- und Drehmomente (1)
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Funktionell-anatomische Betrachtungen
Hebel- und Drehmomente (2)
Hebelarmverhältnisse am arbeitenden Muskel
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Funktionell-anatomische Betrachtungen
Hebel- und Drehmomente (3)
Die Kraftentwicklung der Beugemuskeln übertrifft
deutlich die der Streckmuskulatur.
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Funktionell-anatomische Betrachtungen
Im Alltag:
• Greif- und Tastbewegungen in Beugestellung
Im (Leistungs)sport:
• maximale Steckung des Ellbogengelenks (Geräteturnen, Kraulschwimmen,...)
Fazit:
• leistungsbegrenzender Faktor
• Überlastungsschäden möglich
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Funktionell-anatomische Betrachtungen
Nutzen des Wissens für die Praxis?
• Nur Bewegungen ausführen/trainieren lassen, die aufgrund der anatomischen Bauweise überhaupt möglich sind.
• Überlastungsschäden durch falsches Üben/Trainieren von vorne herein ausschließen.
• Was funktionell-anatomisch nicht geht, darf man als Ausbilder/Trainer nicht verlangen.
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Funktionell-anatomische Betrachtungen
Ein Tipp für die „Mucki-Bude“:
Die antrainierte Kraft des Bizepsmuskels ist von der
Stellung des Oberarms (bzw. der Schnelligkeits- und
Lastenbeuger zueinander) wichtig:
• gute Kraftentwicklung der Bizepsmuskulatur imKammgriff
• geringe Muskelentwicklung der Bizepsmuskulatur imRistgriff
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Funktionell-anatomische Betrachtungen
Was lernen wir hieraus (unter biomechanischen
Gesichtspunkten)?
Während der Bewegungsabläufe ändern sich
Last- und Kraftmomente
es gibt sog. „ideale Arbeitswinkelbereiche“
diese erforscht u.a. die biomechanische
Wissenschaft
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Funktionell-anatomische Betrachtungen
Muskelschlingen / Muskelketten
Große diagonale Rumpfschlinge
kleine diagonale Rumpfschlinge
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Funktionell-anatomische Betrachtungen
Aktone = Muskelteile, die innerhalb einer Kette agieren
Gehirn denkt in Aktionen, nicht in einzelnen Muskeln
Fazit:
Es gilt, diese Muskelschlingen zu trainieren und nicht die
Einzelmuskeln, soll das Muskeltraining Erfolg haben.
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Biomechanik des Schwimmens (2)
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Biomechanik des Schwimmens / Bezugssysteme
Die Bewegungsstruktur der Schwimmtechniken läßt sich
mit Hilfe von Lichtspuraufnahmen feststellen:
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Biomechanik des Schwimmens / Bezugssysteme
Projizierte Raumbahnen der Schwimmbewegungen bei
der Projektion der Zug-Druck-Phase (Brust)
links bei mitbewegtem (relativem) undrechts bei ortsfestem (absolutem) Bezugssystem
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Biomechanik des Schwimmens / Bezugssysteme
Anhand solcher Bilder wird das Bewegungsmuster,
beispielsweise der Hände während des Armzuges
abgebildet.
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Biomechanik des Schwimmens / Bezugssysteme
Hieraus können dann
• individuelle Analyse der Schwimmtechnik des
Schwimmers
• Bewegungsanalysen die jeweilige Schwimmtechnik betreffend
• wissenschaftliche Beweise für aufgestellte
theoretische Überlegungen
gewonnen werden.
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Biomechanik des Schwimmens
Der Raddampfer - oder das Experiment:
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Biomechanik des Schwimmens
Was lernen wir hieraus für alle Schwimmtechniken?
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Biomechanik des Schwimmens
... und noch eine Frage: Warum fliegt ein Flugzeug?
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Bewegungsmuster der Arme und Hände
Die Luft fließt an der Oberfläche der Tragfläche schneller, dadurch verringert sich der Druck. Dieser ungleiche Druck bewirkt eine Aufwärtskraft: das Flugzeug fliegt.
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Bewegungsmuster der Arme und Hände
Der Druckunterschied zwischen Handfläche und Handrücken wird durch den Anstellwinkel der Hand zu ihrer Bewegungsrichtung bestimmt.
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Bewegungsmuster der Arme und Hände
Diesem Phänomen liegt als physikalische
Gesetzmäßigkeit das Prinzip von Bernoulli
zugrunde.
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Bewegungsmuster der Arme und Hände
Was passiert, wenn der Schwimmer einen
falschen Anstellwinkel hat?
Er wird langsamer, da die Liftwirkung nachläßt.
Fazit:
1. Der Schwimmer muss seine Handstellung während des Zuges ständig neu ausbalancieren.
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Bewegungsmuster der Arme und Hände
2. Armbewegungen verlaufen nicht geradlinig
Kraul-Armzugmuster Brustschwimm-Armzugmuster
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Bewegungsmuster der Arme und Hände
Der Ellbogen wird
gestreckt - gebeugt - gestreckt
hohe Ellbogenstellung
Merke:
Alle Schwimmtechniken haben gemeinsame
Komponenten!
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Bewegungsmuster der Arme und Hände
3.
Abdruck von ruhendem Wasser:
Der Schwimmer setzt seine Hände als
Schiffsschraube ein. Er drückt sich stets von ruhigem
Wasser ab.
Wirkungsvoller Antrieb wird nur dadurch erhalten,
indem eine große Menge Wasser ohne starke
Beschleunigung über eine kurze Strecke bewegt
wird.
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Biomechanik des Schwimmens
Ein guter Schwimmer schöpft alle physikalischen
Gesetzmäßigkeiten vollständig aus.
Dabei hilft ihm die Biomechanik.
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Das Technikkonzept
Fragestellungen:
• Warum sieht die derzeit gültige Kraulschwimmtechnikgenau so aus?
• Welche Ansatzpunkte habe ich zur Korrektur von Technikfehlern?
Antworten leiten sich aus der schwimmspezifischen,
biomechanischen Forschung ab.
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Das Technikkonzept
Bei der Formulierung eines Technikkonzeptes sind
folgende vier hydrodynamische Parameter zu
berücksichtigen:
• die Raumbahn
• die Anströmgeschwindigkeit
• der Anstellwinkel
• die Wasserkraft
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Das Technikkonzept
Schwimmtechnikrelevante Rahmenbedingungen:
• Halte- und Stellreflexe
• Beweglichkeit im Schultergelenk
• Innenrotation der Oberarme
• lockere Fußgelenke
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Das Technikkonzept
Das momentane gültige Technikkonzept resultiert aus:
• Beobachtungen
• Diskussionen
• biomechanische Untersuchungen und
• theoriebegleiteten Interpretationen
Liefert Argumente für ökonomisches und schnelles Schwimmen.
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Das Technikkonzept
Beim Techniktraining müssen Trainer und Ausbilder
• anweisen
• beobachten
• beurteilen
• korrigieren
• variieren
• wieder beobachten.
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Das Technikkonzept
Dafür müssen Ausbilder u. a. folgende Voraussetzungen
erfüllen:
• bewegungstechnische Kenntnisse haben
(Technikmerkmale und Fehler erkennen können)
• die Lernvoraussetzungen wie Kraft und
Gelenkigkeit kennen
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Das Technikkonzept
• um die Zusammenhänge zwischen Technikmerkmalen, Fähigkeiten und dem Bewegungsziel wissen
• bewegungsanalytische Fähigkeiten besitzen
• Kenntnis von alters- und stufenspezifischenBedingungen haben sowie diese beherrschen
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Sportliche Technik
Unter Technik im Sport versteht man
a.)
das Idealmodell einer Bewegung, bezogen auf die
jeweilige Sportdisziplin und weiterhin
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Sportliche Technik
b.)
die Realisation der angestrebten Idealbewegung,
also die Lösungsverfahren zur Ausführung der
optimalen Bewegungshandlung durch den Sportler.
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Sportliche Technik
Eine sportliche Technik ist das Idealbild eines
Bewegungsablaufes.
Der Sportler versucht dieses anzustreben.
Er wird dabei nur persönliche Technik erreichen
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Sportliche Technik
Die sportliche Technik ist Ausdruck eines zu einem
bestimmten Zeitpunkt gegebenen Erfahrungs-
und Wissensstand. Sie ist nicht zeitlos gültig.siehe auch:
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Sportliche Bewegung
Sportliche Bewegung kann man als Betrachter von
außen sehen. Sie erscheinen in verschiedenen Formen:
• einfachen Formen wie eine Schlagbewegung
• komplexe Formen wie Fangen und Werfen
• azyklischen Formen wie ein Sprung
• zyklischen Formen wie Schwimmen
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Sportliche Bewegung
1.
Alle Bewegungen haben bestimmte vorgegebene Ziel-
und Aufgabenstellungen (im Sport gibt es keine
ziellose Bewegungen).
2.
Erfahren die entsprechend der Zielstellung an der
Bewegung beteiligten Objekte stets eine raum-zeitliche
Veränderung.
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Sportliche Bewegung
Definitionen:
• Die sportliche Bewegung ist eine Orts- undPositionsänderung des menschlichen Körpers (oder von Körperteilen).
• Die sportliche Bewegung aus handlungstheoretischerSicht ist ein zielgerichteter Prozeß.
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Strukturierung von Bewegungen
Ein Bewegungsablauf kann in Phasen (=Teilprozesse)
aufgegliedert werden (Phasengliederung).
Die Strukturierung einer Bewegung kann anhand
verschiedener Parameter vorgenommen werden:
• nach zeitlichen Ablaufphasen
• nach Funktionsphasen und
• nach Sequenzen.
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Strukturierung von Bewegungen
Die Grundstruktur einer sportlichen Bewegung wird
als dreiphasig angesehen.
Die Dreiphasigkeit gilt nur für Bewegungen, die
azyklisch sind wie ein Sprung.
Vorbereitungsphase – Hauptphase – Endphase
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Strukturierung von Bewegungen
Die Grundstruktur zyklischer Bewegungen ist
zweiphasig.
Endphase und Vorbereitungsphase fallen hier
zusammen, z.B. Schwimmen oder Laufen.
Hauptphase – Zwischenphase
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Strukturierung von Bewegungen
Die einzelnen Phasen stehen in verschiedenen
allgemeinen Beziehungen zueinander:
Vorbereitungs-phase
EndphaseHauptphase
Ergebnisbeziehung
Kausalbeziehung
Zweckbeziehung
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Strukturierung von Bewegungen
Die sportliche Bewegung kann durch ein
Regelkreismodell dargestellt werden.
Es können dabei drei Phasen unterschieden werden:
• Wahrnehmung
• Programmierung und
• Steuerung und Regelung (sichtbare Bewegung)
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Bewegungslernen (1)
Zu Beginn des Lernprozesses erfolgt die
Herausbildung eines Sollwertes = Bewegungsziel.
Verarbeitet im Sportler entsteht hieraus eine
Bewegungsvorstellung (aus einem Teil Fremd-
informationen und einem Teil Eigeninformation).
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Bewegungslernen (2)
Auf dieser Grundlage entsteht im Sportler ein
Bewegungsentwurf, wobei die im Bewegungs-
gedächtnis (motorisches Gedächtnis)
gespeicherte Bewegungserfahrungen mit einfließen.
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Bewegungslernen (3)
Während des Bewegungsablaufs wirken Störgrößen
aus der Umwelt.
Um ein Bewegungsziel zu erreichen sind Rück-
meldungen während des Bewegungsablaufes
erforderlich.
Rückinformationen sind die Basis für die Regulation
der Bewegung.
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Biomechanisch-anthropometrische Betrachtungen (1)
Arbeitsgebiete:
• Körperbaumerkmale vermessen und diese dann mit
dem körperbaulichen Anforderungsprofil der
betriebenen Sportart vergleichen
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Biomechanisch-anthropometrische Betrachtungen (2)
• Die Optimierung von Beschleunigungsweglängen.
Es werden Informationen über die Länge der an der
Bewegung beteiligten Gliedmaßen benötigt.
• Abschätzung von Belastungen in Bändern, Sehnen und Gelenken bei definierten Bewegungen.