Biomechanik

»Rowing is an art as well as science.«

Alexander, F. H. (1922/26). The theory of rowing. University of Durham Philosophical Society, Vol. VI.III (pp. 160-179).
Im Folgenden wird der Versuch unternommen, einige biomechanische Grundlagen des Ruderns darzustellen, sowie angewandte Prinzipien der Rudertechnik und die Auswirkungen der Biomechanik auf die Bootstechnik. Die Biomechanik des Sports untersucht die sportliche Bewegung des Menschen und die mechanischen Bedingungen dieser Bewegung. Die wissenschaftlichen Grundlagen der Biomechanik sind die Mechanik sowie die biologischen Bedingungen und Gesetzmäßigkeiten der Bewegungssteuerung.

Grundlagen

Einen wesentlichen Teil der biomechanischen Betrachtungen bei Wassersportarten nehmen die hydrodynamischen Grundlagen ein. Hier sind drei Begriffe hervorzuheben:

Wasserwiderstand

Mit dem Strömungswiderstand F wird die Kraft bezeichnet, die entgegen der Strömungsrichtung wirkt und den Körper in seiner Bewegung abbremst. Er ist abhängig von:
v: Geschwindigkeit, mit der sich der Körper (also das Boot) im Wasser bewegt,
c_w: dem Formbeiwert des Körpers oder Strömungswiderstandskoeffizient,
A: Stirnfläche des Körpers und
ρ: Dichte des Wassers.

Zwischen diesen Einflußgrößen besteht folgender grundsätzlicher Zusammenhang: F = 1/2 · ρ · v² · A · c_w

Mit Vortrieb wird die Kraft bezeichnet, die der Mensch in den Ruderblättern in Fahrtrichtung erzeugt. Es gibt zwei verschiedene Arten, Vortrieb zu erzeugen. Einerseits kann durch eine Fläche Wasserwiderstand erzeugt werden, indem die Fläche entgegen der Fahrtrichtung bewegt wird. Oder es wird eine Fläche mit entsprechender Form bzw. entsprechendem Anstellwinkel quer zur Fahrtrichtung bewegt. Nolte spricht hier vom sogenannten hydrodynamischen Lift. Die Tatsache, daß die Bewegung einer Antriebsfläche (z. B. Hand, Ruderblatt) nicht nur Antrieb erzeugt, wenn sie entgegen der Fahrtrichtung verläuft, sondern insbesondere wenn sie quer zur Fahrtrichtung erfolgt, wird als der hydrodynamische Lift bezeichnet. Das schräg angeströmte Ruderblatt wirkt wie eine Tragfläche. Es entsteht am Blattrücken ein Sog, der eine Kraftkomponente in Fahrtrichtung besitzt, obwohl sich das Blatt selbst in Fahrtrichtung bewegt. Die Abbildung zeigt eine schematische Darstellung des Ruderblatts als Tragfläche. Die Überlagerung der Bootsbewegung und der Rotation des Ruders um die Dolle führt zu einer Anströmung des Ruderblatts mit dem Winkel. Nach dem Bernoulli-Prinzip entsteht eine Kraft in Fahrtrichtung, wobei sich das Ruderblatt selbst in Fahrtrichtung bewegt.

Auftrieb

Die Kraft, die das Wasser auf einen Körper senkrecht nach oben ausübt, wird Auftrieb genannt, sofern es sich um den statischen Auftrieb handelt. Auch hier gibt es zwei verschiedene Formen des Auftriebs: statischer und dynamischer Auftrieb.

Der statische Auftrieb wirkt der Schwerkraft des Körpers entgegen. Nach Archimedes ist die Größe des Auftriebs mit dem Gewicht des Wasservolumens identisch, das durch den Körper verdrängt wird. Der statische Auftrieb gehört zu den festen physikalischen Eigenschaften eines Körpers. Die Bootsbauer wissen dieses zu berücksichtigen, indem sie das zu verdrängende Wasservolumen nach dem Gewicht des Bootskörpers und dem des Menschen ausrichten. Wird der Körper durch das Wasser bewegt, so entstehen je nach seiner Form und seiner Stellung im Wasser durch den Aufprall des Wasser Kräfte an der Aufprallfläche, die senkrecht nach oben gerichtet sind. Diese werden als dynamischer Auftrieb bezeichnet (hierfür ist ein Wasserski zur Vorstellung am günstigen).

So hinderlich der Wasserwiderstand für die Fortbewegung im nassen Element ist, ohne diese grundsätzliche Eigenschaft des Wassers wäre kein Sport in und auf ihm möglich. Während der Wasserwiderstand auf der einen Seite der Fortbewegung entgegenwirkt, gibt das Wasser, genauer gesagt die Strömung, auf der anderen Seite die Möglichkeit, Kräfte zum Vortrieb, zur Durchführung von Drehung, Steuerbewegungen und zum dynamischen Auftrieb zu erzeugen. Durch die Formgebung des Geräts bzw. durch entsprechende Körperstellungen beim Schwimmen kann der Mensch versuchen, diese Gegensätzlichkeit von Widerstand und Vortrieb auszunutzen. Um den Wasserwiderstand möglichst gering zu halten, wird beim Bootsbau versucht, den Formbeiwert und die Stirnfläche unter Einhaltung der Wettkampfregeln zu minimieren.

Allgemeine grundlegende Prinzipien

Aufgrund anthropometrischer und konditioneller Unterschiede zwischen einzelnen Sportlern wird es selbst bei effektiver Bewegungsausführung individuelle Unterschiede in der Ausführung geben. Um jedoch effektiv zu arbeiten, müssen bestimmte Prinzipien eingehalten werden. So ist es beim Rudern möglich, eine bestimmte Bewegungsamplitude dadurch zu erreichen, daß der Sportler stärker den Rollsitz ausnutzt (= geringerer Beinwinkel) oder stärker den Oberkörper einsetzt (= größere Vorlage des Oberkörpers). Der für ihn individuelle effektivste Weg, die entsprechende Bewegungsamplitude zu erreichen, wird davon abhängig sein, welche Längen der Unter- und Oberschenkel in bezug auf den Oberkörper besitzen. Es lassen sich also einige Prinzipien angeben, die die sportliche Technik jeweils grundsätzlich beschreiben.

Angewandte Prinzipien der Rudertechnik

Der lange Ruderschlag

Prinzipskizze zum langen Ruderschlag (aus Nolte, 1989, S. 302)

Eine weite Auslage, d. h. ein vom Betrag her großer Ruderwinkel in der Auslage, erhöht die Effektivität des Ruderschlags. Dadurch wird sogleich eine Vergrößerung der Seitwärtsbewegung des Blatts erreicht, was zu einer verbesserten Ausnutzung des hydrodynamischen Lifts führt. Insbesondere erhält die weite Auslage ein großes Gewicht, da aus anatomischen Gründen der Ruderwinkel in der Rücklage begrenzt ist. Allerdings hat der Ruderwinkel in der Auslage auch eine Grenze, nämlich dann, wenn der Anstellwinkel des Ruderblatts zu ungünstig wird. Dieser Punkt scheint in dem Bereich von 75-80° Ruderwinkel in der Auslage erreicht.

Minimale Vertikalbewegung des Körperschwerpunkts

Prinzipskizze zur Auswirkung der Körperhaltung auf die Vertikalbewegung des KSP: (–––) gute Körperhaltung, (- – – ) falsche Körperhaltung (aus Nolte, 1989, S. 303)

Die Bewegung des Ruderers muß derart sein, daß der Körperschwerpunkt eine möglichst geringe Vertikalbewegung aufweist.

Minimierung der Horizontalbeschleunigungen des Körperschwerpunkts

Prinzipskizze zur Auswirkung der Körperhaltung auf die benötigte Bewegung des KSP in Fahrtrichtung, um eine bestimmte Auslage zu erreichen. s1 -Weg: KSP bei ungünstiger Körperhaltung (- – -), s2 -Weg: KSP bei günstiger Körperhaltung (–––) (aus Nolte, 1989, S. 304)

Die Bewegung des Ruderers muss derart sein, daß die Geschwindigkeitsschwankungen des Boots aufgrund dieser Bewegung möglichst gering sind. Horizontale Beschleunigungen des Körperschwerpunkts wirken sich nicht nur dadurch aus, daß hierfür Energie vom Ruderer aufgewendet werden muß. Vielmehr wirken diese direkt auch auf das Boot, das diese Beschleunigungen in Gegenrichtung mitmacht. Dieses Phänomen zeigt sich eindeutig in der Rückholphase, beim Vorrollen, wenn die Ruderblätter außerhalb des Wassers sind. Dadurch daß eben keine Zeit verloren wird und die Gelenkbewegungen gut abgestimmt sind, kann der Ruderer die Geschindigkeitsschwankungen des Boots verkleinern.

Auswirkungen der Biomechanik auf die Bootstechnik

Rudern ist eine sehr stark gerätebedingte Sportart. Durch die Bootskonstruktion ist die Bewegung in weiten Teilen schon vorgegeben bzw. eingeschränkt. Aus diesem Grund beeinflussen sich Rudertechnik und Bootstechnik direkt. Als zwei Beispiele für den Einfluß der Biomechanik auf das Trimmen seien die Einstellung der Dolle in y-Richtung (= Dollenabstand) und in z-Richtung (= Dollenhöhe) genannt.

Wick (2009, S. 171–172) fasst für die mechanischen Aspekte des Ruderns zusammen:

• Rudern zählt zu den zyklischen Sportarten, bei denen die Antriebsphase, der Durchzug, durch synchrone Muskelaktivitäten der linken und rechten Körperhälfte gekennzeichnet ist.
• Das mechanische Antriebssystem kann als ein Hebelsystem betrachtet werden, wobei in der Freilaufphase ein zweiarmiges und in der Durchzugsphase ein einarmiges Hebelsystem vorhanden ist.
• Für die Gestaltung der Freilaufphase hat das Gegenwirkungsgesetz eine besondere Bedeutung.
• Aufgrund der großen Bedeutung der Körpermassen der Ruderer gibt es im Wettkampfrudern eine Klassendifferenzierung in Leichtgewichts- und Schwergewichtsboote.
• Schlagfrequenz und Schlagweite sind voneinander abhängige Größen und sie beeinflussen die Bootsgeschwindigkeit.
• Der ökonomische Ruderwinle von 70 bis 110° bildet nur den Kernbereich des Ruderschlages. Je nach Qualifikation und Kraftniveau muss dieser vergrößert werden.

Literatur

• Nolte, V. (1985). Die Effektivität des Ruderschlages. Berlin: Bartels & Wernitz.
• Nolte, V. & Ungerechts, B. (1989). Wassersport. In K. Willimczik (Hrsg.), Biomechanik der Sportarten (S. 268-281). Reinbek: Rowohlt.
• Nolte, V. (1989). Rudern. In K. Willimczik (Hrsg.), Biomechanik der Sportarten (S. 297-308). Reinbek: Rowohlt.
• Wick, D. (2013). Biomechanik im Sport: Lehrbuch der biomechanischen Grundlagen sportlicher Bewegungen (3. überarb. u. erw. Aufl.). Balingen: Spitta.

Anzeige