Der Sprung zum Erfolg: Chemnitzer Forscher simulieren Skisprünge mit einem biomechanischen Mensch-Modell

Am Institut für Mechatronik an der TU Chemnitz werden Skisprünge im Computer mit Hilfe des biomechanischen Menschmodells DYNAMICUS simuliert. Im Ergebnis kann beispielsweise der Ski-Anstellwinkel in Abhängigkeit der Flugposition des Springers untersucht und daraus Trainingsempfehlungen abgeleitet werden. Foto: TU Chemnitz/Uwe Meinhold

Chemnitzer Forscher simulieren Skisprünge mit einem biomechanischen Mensch-Modell und suchen nach Leistungsreserven


Heute öffnet sich der Vorhang für die Olympischen Winterspiele 2006 in Turin. Der Wettlauf um die begehrten Medaillen beginnt und der Welt stehen aufregende Tage des Spitzensports bevor. Damit auch der deutsche Nachwuchs im Skispringen schnell nach ganz oben rückt, untersuchen Wissenschaftler des An-Instituts für Mechatronik (IfM) an der TU Chemnitz und des Leipziger Instituts für Angewandte Trainingswissenschaft (IAT) Bewegungsabläufe und materialtechnische Einflüsse mit Hilfe von Technikanalysen und eines virtuellen Simulationsmodells. Damit können Trainern und Sportlern wichtige Informationen über die Sprungleistung und Fehlerquellen sowie mögliche Korrekturmaßnahmen aufgezeigt werden.

Auf der Grundlage des leistungsstarken Modellierungs- und Simulationssystems alaska und dessen biomechanischen Zusatzmoduls DYNAMICUS wurde von den Wissenschaftlern ein komplexes 3D-Mehrkörpermodell entwickelt, das den Skisprung vom Anlauf bis zur Landung realitätsnah auf dem Computer abbilden kann. Das System umfasst eine detaillierte Beschreibung des Springers, der Ski und des Systems Schuh-Bindung. Die Forscher interessieren vor allem diese Fragen: Welchen Einfluss hat die Absprungbewegung des Sportlers auf die Flugphase? Wie können Fehler des Sportlers in der Simulation entdeckt und messbar gemacht werden? Und inwieweit wird der Absprung durch materialtechnische Parameter beeinflusst? Antworten geben die biomechanischen Untersuchungen des Chemnitzer Forscherteams unter Leitung von Prof. Peter Maißer, die später in die Trainingsanalyse der Leipziger Projektpartner einfließen.

„Der Skisprung als komplexer Bewegungsablauf stellt große Herausforderungen an die Simulation, da verschiedene Kräfte beim Absprung bis zum Übergang in die Flugphase wirken“, erklärt Projektmitarbeiterin Heike Hermsdorf vom Institut für Mechatronik. Umfangreiche Versuche und Messungen sollen das Simulationsmodell validieren. Aufwendige Windkanaluntersuchungen durch das IAT liefern Informationen über aerodynamische Kräfte (Luftwiderstandskraft und Auftriebskraft). Beim Absprung auftretende Bodenreaktionskräfte können über die schanzendynamometrische Messplattform der Fichtelbergschanze in Oberwiesenthal ermittelt werden. Zudem geben High-Speed-Videoaufnahmen von Testsprüngen des Skinachwuchses, wie beispielsweise von Matthias Mehringer aus dem deutschen B-Kader, Informationen über spezielle Fragen der Wechselwirkung zwischen Körperhaltungen und Materialeinflüssen beim Absprung. Anhand dieser Aufnahmen werden z.B. Knie- und Hüftwinkel, sowie Oberkörper- und Unterkörperwinkel zum Schanzentisch berechnet. Weiterhin werden für den Flug die Körperwinkel und Skianstellwinkel zur Flugbahn ermittelt. Aber auch im Labor gemessene mechanische Kenngrößen von Sprungski und Schuh fließen in die Untersuchung ein.

Im Modell werden schließlich alle Daten zu einer Gesamtsimulation zusammengefügt. Der virtuelle Springer lässt sich dann in allen Bewegungsstadien verfolgen, Tabellen und Kurven von Berechnungsergebnissen unterstützen eine ausführliche biomechanische Auswertung. Wichtige Vergleichswerte finden sich auch in einer Sprungdatenbank des IAT, die Informationen über die Sprungleistung einzelner Springer speichert. Auf diesem Weg kann ein Sprung mit früheren Versuchen verglichen und die Suche nach Fehlern in der Technik begonnen werden, um sich dem Sprung zum Erfolg zu nähern. Untersuchungen der beiden Forschungsinstitute zeigen, dass während der Absprungbewegung eine hohe Absprunggeschwindigkeit und ein optimaler Drehimpuls als wichtige Voraussetzung für einen schnellen Übergang in eine aerodynamisch günstige Flughaltung entwickelt werden müssen.

Im Bereich des Hochleistungssports kam DYNAMICUS schon häufiger zum Einsatz, so z.B. bei Untersuchungen zum perfekten Sprung im Eiskunstlauf mit Aljona Savchenko und Robin Szolkowy. Das gemeinsam vom Institut für Mechatronik und dem Institut für Angewandte Trainingswissenschaft bearbeitete Projekt „Nordische Kombination – Simulative Untersuchungen des Bewegungsablaufes im Absprung und in der Übergangsphase in die Flughaltung und dessen materialtechnische Beeinflussung“ wird noch bis Juni 2007 vom Bundesinstitut für Sportwissenschaft gefördert. Neben den Chemnitzer und Leipziger Forschungsinstituten sind auch der Olympiastützpunkt Oberwiesenthal, der Deutsche Skiverband und der Trainer Frank Erlbeck sowie die Firma RASS Sportschuhe Schönheide in die Kooperation eingebunden.

„Um die Weiterentwicklung des biomechanischen Zusatzmoduls DYNAMICUS, das die Grundlage für ein zukünftiges Trainersimulationstool darstellt, bemühen sich auch Chemnitzer Studenten. Sie setzen sich in Diplomarbeiten oder bei Praktika mit den Potentialen des Systems auseinander und treiben so Innovationen voran“, betont die Diplom-Mathematikerin Hermsdorf, die in diesem Zusammenhang auch auf die gute Zusammenarbeit mit der Juniorprofessur Sportgerätetechnik an der TU Chemnitz hinweist.

Weitere Informationen erteilen Prof. Dr. sc. nat. Peter Maißer, Direktor des Instituts für Mechatronik an der TU Chemnitz, Telefon (03 71) 5 31 – 46 71, E-Mail ifm@ifm.tu-chemnitz.de und Dipl.-Sportlehrer Sören Müller vom Institut für Angewandte Trainingswissenschaft in Leipzig, Telefon (03 41) 49 45 – 176, E-Mail smueller@iat.uni-leipzig.de (Autorin: Janine Mahler)

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