Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis   2

1.  Einleitung und Problemstellung.  4

2.  Der Aufbau des menschlichen Fußes.  6

2.1.  Das Fußskelett  6

2.1.1.  Das Sprunggelenk  7

2.2.  Fußwölbung und Fußformen  8

2.2.1.  Sicherung des Fußgewölbes  10

2.2.2.  Fußformen und Deformitäten  11

3.  Der menschliche Gang und das Laufen  13

3.1.  Der Gang und seine Phasen  13

3.1.1.  Die Standphase.  13

3.1.2.  Die Schwungphase  14

3.1.3.  Muskelaktivität beim Gehen  15

3.1.3.1.  Standphase  15

3.1.3.2.  Schwungphase  16

3.2.  Das Laufen und seine Phasen  16

3.2.1.  Muskelaktivität beim Laufen.  17

3.3.  Der Abrollvorgang beim Laufen  17

3.3.1.  Pronation und Supination  17

3.3.2.  Überpronation und Unterpronation.  17

3.4.  Die Laufstile  18

4.  Laufschuhe  20

4.1.  Der Aufbau von Laufschuhen.  20

4.1.1.  Der Leisten.  20

4.1.2.  Der Schaft.  21

4.1.3.  Das Obermaterial  22

4.1.4.  Die Schnürung  23

4.1.5.  Die Fersenschale  23

4.1.6.  Die Zwischensohle.  24

4.1.7.  Die Einlegesohle.  24

4.1.8.  Die Laufsohle.  25

4.1.9.  Die Pronationsstütze  25

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4.2.  Dämpfungssysteme in Laufschuhen.  26

5.  Untersuchungsmethoden in der Biomechanik.  30

5.1.  Kinemetrie  30

5.2.  Dynamometrie  31

6.  Bodenreaktionskräfte und Laufgeschwindigkeiten  33

6.1.  Die physikalische Größe Kraft und die Bodenreaktionskraft  33

6.1.1.  Bodenreaktionskräfte und ihre Messung durch  

Kraftmessplatten.   34

7.  Zur Untersuchung.  37

7.1.  Versuchs- und Messaufbau  37

7.2.  Mögliche Messfehler und Methodenkritik  40

8.  Ergebnisse der Untersuchung  43

8.1.  Zum Verhältnis der gemessenen Bodenreaktionskräfte und  

Laufgeschwindigkeiten  unter Einbeziehung des Körpergewichtes  

der  Probanden  43

8.1.1.  Formulierung der Hypothesen  43

8.1.1.1.  Hypothese 1  43

8.1.1.2.  Hypothese 2  43

8.1.2.  Ergebnisse zu Hypothese 1  43

8.1.3.  Ergebnisse zu Hypothese 2  48

8.1.4.  Weitere Ergebnisse der Untersuchung  49

8.1.4.1.  Untersuchung des Kraftstoßes der F z -Kurve und des  

Impulses.................................................................   49

8.1.4.2.  Untersuchung des Bremskraftstoßes der F y -Kurve und  

des  Impulses  55

8.1.4.3.  Vergleich der Größe der Integrale der Fy-Kurve  59

8.1.4.4.  Differenzen der Geschwindigkeit zwischen v1 und v2  60

9.  Zusammenfassung und Ausblick  63

10.  Anhang  65

10.1.  Wertetabellen  65

10.2.  Abbildungsverzeichnis  70

10.3.  Tabellenverzeichnis.  72

10.4.  Literaturverzeichnis  73

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1. Einleitung und Problemstellung

Dem heute immer wieder beklagten Bewegungsmangel versuchen viele Menschen durch Lauftraining entgegenzuwirken. So ist es in den letzten Jahren zu einem Laufboom gekommen, um die eigene Gesundheit und das Wohlbefinden zu fördern. Angesichts der stetig wachsenden Zahl an Joggern und Laufsportlern ist auch weiterhin mit einem kaum abflauenden Hoch dieser Sportart zu rechnen. Jedoch hat diese Begeisterung auch ihre Schattenseiten, wie es in jeder Sportart der Fall sein kann, wenn man von Materialien und Sportgeräten abhängig ist. Im Falle des Laufsports ist es der Laufschuh, durch den Verletzungen bzw. Schädigungen entstehen können. Ist es zum Beispiel bei Naturvölkern immer noch üblich, barfuß zu laufen, so greift man in der westlichen Welt auf Laufschuhe zurück, die bis ins kleinste Detail durchdacht sind und deren Konstruktionsmerkmale in den letzten 30 Jahren eine stetige Weiterentwicklung durchlaufen haben.

Dieser Trend zur Technologisierung und Nutzung von hochwertigen Materialien zur Leistungsverbesserung bei Sportartikeln und -geräten ist nicht nur im Laufsport zu beobachten, sondern auch in anderen Sportarten. Als Beispiele wären hier die Formel 1, Rudern, Skifahren oder auch der Schwimmsport zu nennen, wo ein ständiges Bemühen um eine Verbesserung um Zehntelsekunden gegeben ist. Doch diese

Verbesserungen sind nicht ohne die Hilfe und Erkenntnisse der Wissenschaft möglich. Angesprochen wird dabei ein weites Feld der Wissenschaften, z. B. die Chemie, Physik, Biomechanik oder auch die Werkstoffwissenschaften. Beinahe kann von einer Entwicklung zur Verwissenschaftlichung im Sport gesprochen werden. Aufgrund des dem Menschen eigenen Streben nach Leistungsoptimierung existiert auch ein hohes Interesse an qualitativ hochwertigen Laufschuhen, um dieses Ziel zu erreichen. Nun ist es wiederum an der Wissenschaft, bei der Entwicklung von Laufschuhen mitzuhelfen, die den Bedürfnissen seiner Benutzer entsprechen und Verletzungen vorbeugen.

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Die Untersuchungen, die am Institut für Sportwissenschaft in Rostock durchgeführt werden, dienen einerseits dieser Optimierung und Verbesserung im Sinne der Hersteller und Nutzer der Laufschuhe, sind aber auch dazu da, Erkenntnisse über Bewegungsprozesse zu erhalten.

Das Ziel und die Aufgabe dieser Arbeit sind bereits im Titel formuliert: die Durchführung einer empirischen Untersuchung, um die Beziehung der Laufgeschwindigkeit zur Bodenreaktionskraft zu ergründen, um so Erkenntnisse über einen bestimmten Laufschuh zu erlangen und diese für die Weiterentwicklung des Schuhs zu nutzen. Die gewonnenen Informationen sind wichtig für die Herstellung eines nahezu optimalen Laufschuhs, um den Bedürfnissen der Benutzer (Wettkampfambitionen, Leistungsniveau, eventuelle Fußfehlstellungen, Bodengegebenheiten etc.) zu entsprechen, so dass ein gesundes Laufen möglich ist. Doch nicht nur die Untersuchung an sich soll in dieser Arbeit dargelegt werden. Für das Gesamtverständnis der Arbeit und der

Untersuchungsergebnisse wichtige Kapitel wie zum Beispiel die Anatomie des Fußes, der Gang- und Laufzyklus, Laufschuhe und ihr Aufbau, Untersuchungsmethoden in der Biomechanik und Grundlegendes zu Bodenreaktionskräften sollen erläutert werden.

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2. Der Aufbau des menschlichen Fußes

2.1. Das Fußskelett

Laut Weineck (1996) stehen bei der unteren Extremität, im Falle der vorliegenden Arbeit beim Fuß, insbesondere statische Funktionen im Vordergrund der Betrachtungsweise. Dies bezieht sich, trotz des Begriffes ‚statisch’ nicht nur auf den sicheren Stand, sondern auch auf die menschlichen Fortbewegungsarten Gehen und Laufen. Aus diesem Grund sind an den unteren Extremitäten nicht so viele Freiheitsgrade zu finden, wie es bei den oberen Extremitäten der Fall ist, da dies ungünstige Auswirkungen auf die Stabilität des Körpers - besonders im Stand - haben kann (Weineck 1996).

Abb. 1: Das Fußskelett: a - Fersenbein, b - Sprungbein, c - Kahnbein, d, e, f -Keilbein, g - Würfelbein (Wirhed 1999, S. 66)

Der menschliche Fuß kann in Fußwurzel- (Ossa tarsi), Mittelfuß- (Ossa metatarsalia) und Zehenknochen (Ossa digitorium pedis) gegliedert werden (Wirhed 1999).

Als erstes soll auf die Fußwurzel eingegangen werden, die aus sieben Knochen besteht: wadenbeinseitig aus dem Fersenbein (Calcaneus) als dem größten Fußwurzelknochen und dem Würfelbein (Os cuboideum), schienbeinseitig aus dem Sprungbein (Talus), dem Kahnbein (Os naviculare) und den drei Keilbeinen (Ossa cuneiformia) (Graumann 1994). Dem Sprungbein kommt dabei besondere Bedeutung zu, da es die gesamte Last des Körpers auf den Fuß überträgt (Kapandji 1992).

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Der Mittelfuß setzt sich im Gegensatz zur Fußwurzel aus fünf Knochen zusammen (Ossa metatarsalia), die die fünf nach oben gewölbten Mittelfußstrahlen darstellen. Der erste Strahl entspricht der Großzehe, der fünfte Strahl entspricht dem kleinen Zeh. Am körperfernen Ende der Mittelfußknochen setzen gelenkig die fünf Zehen an. Die Großzehe besteht aus nur zwei Gliedern (Phalangen), die anderen Zehen jedoch aus drei Gliedern (Platzer 1991).

2.1.1. Das Sprunggelenk

Ein höchst wichtiges Gelenk im Fuß stellt das Sprunggelenk dar, welches sich aus de facto drei Gelenken aufbaut: einerseits aus dem oberen Sprunggelenk (Articulatio talocruralis) und andererseits dem vorderen unteren (Articulatio talocalcaneonavicularis) und hinteren unteren Sprunggelenk (Articulatio subtalaris) (Moll 1997). Das vordere untere und das hintere untere Sprunggelenk sind zwar anatomisch voneinander getrennt, bilden aber funktionell eine Einheit (Weineck 1996).

Abb. 2: Das Sprunggelenk: a - Fersenbein, b - Sprungbein, c - Kahnbein, d -Keilbein (Wirhed 1999, S. 66)

Das obere Sprunggelenk ist ein reines Scharniergelenk, das sich aus der Gabel der Schienbein- und Wadenbeinenden als Gelenkpfanne und aus der Sprungbeinrolle (Trochlea tali) als Gelenkkopf zusammensetzt. Aufgrund des Scharniergelenktyps sind nur Bewegungen um die quere Achse möglich. Das bedeutet für das obere Sprunggelenk im Folgenden:

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die Dorsalflexion, d. h. ein Heben des Fußes von 20° bis 30° und die Plantarflexion, d. h. ein Senken des Fußes von 30° bis 50° sind möglich (Kapandji 1992).

Im vorderen unteren Sprunggelenk wird der Gelenkkopf durch das Sprungbein gebildet; die Gelenkpfanne stellen das Fersenbein, das Kahnbein und das überknorpelte Pfannenband (Ligamentum calcaneonaviculare plantare) dar.

Das hintere untere Sprunggelenk setzt sich bezüglich Gelenkpfanne und Gelenkkopf aus dem Sprungbein und dem Fersenbein zusammen (Moll 1997).

Neben der Supination (dem Heben des inneren Fußrandes) bis zu 60° ist auch die Pronation (dem Heben des äußeren Fußrandes) bis zu 30° möglich (Weineck 1996).

2.2. Fußwölbung und Fußformen

Der Aufbau des Fußes wird von verschiedenen Autoren mit einem Gewölbe verglichen und infolgedessen auch mit dem Begriff ‚Fußgewölbe’ versehen (Weineck 1996). (Abb. 3) Das Gewölbekonzept wurde jedoch bereits kritisiert und im Gegensatz dazu das Dachstuhlmodell entwickelt, das aus zwei Dachstuhlsäulen besteht, an deren Basis sich ein Spannriegel befindet und dieser so ein Aufspreizen aufgrund von Belastungen am First verhindern soll. (Abb. 4) Die Spannriegel stellen im Falle des menschlichen Fußes die Bänder und Muskeln dar. Trotzdem hat weiterhin der Terminus ‚Gewölbe’ Bestand, da sich dieser bereits nachhaltig durchgesetzt hatte (Kapandji 1992).

Abb. 3: Gewölbemodell (Kapandji 1992, S. 218)

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Abb. 4: Dachstuhlmodell (Kapandji 1992, S. 218)

Beim menschlichen Fuß weist das Gewölbe drei Bögen und drei Auflagepunkte auf. Es ergibt sich also aus der Draufsicht ein Dreieck. Die knöcherne Wölbung des Fußes wird durch den Tuber calcanei (Fersenhöcker) und durch das Caput (körperferne Ende) des fünften und des ersten Metatarsale (Mittelfußknochen) als Auflagepunkte gesichert. Bei der Betrachtung eines Fußabdruckes wird aber deutlich, dass der Fuß nicht nur an diesen drei Punkten Bodenkontakt hat, sondern sich eine wesentlich größere Unterstützungsfläche durch die Weichteile zwischen diesen Punkten ergibt (Platzer 1991). (Abb. 5)

Abb. 5: Unterstützungsfläche des Fußskeletts durch Weichteile (Kapandji 1992, S. 218)

Es ergeben sich also ein Quergewölbe, rekrutiert aus dem ersten bis fünften Strahl der Mittelfußknochen und im Vorfußbereich gelegen, und ein Längsgewölbe mit zwei Strahlen (medial und lateral), die vom Fersenbein bis zu den Zehen reichen. Der mediale Strahl kann als der wichtigste angesehen werden, da er dynamischen und statischen Gesichtspunkten Rechnung trägt, in dieser Region des Fußes sind aber

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auch besonders oft Deformitäten zu finden (Kapandji 1992). Die beiden Strahlen unterscheiden sich jedoch durch ihre Höhe: der laterale Strahl ist flacher als der mediale Strahl des Längsgewölbes (Graumann 1994). (Abb. 6)

Abb. 6: Quer- und Längsgewölbe des Fußes (Kapandji 1992, S. 218)

Die Last des Körpergewichtes verteilt sich vom Talus aus in drei Richtungen auf die oben genannten drei Auflagepunkte des Fußgewölbes (Kapandji 1992).

Die Verteilung des Körpergewichtes auf seine drei Auflagepunkte ist eine Funktion des Fußgewölbes. Eine andere Funktion stellt das Abfangen von Energie dar, was beim Laufen durch den Aufprall des Fußes auf dem Boden und dementsprechend das Annähern des Fußgewölbes zum Boden ermöglicht wird (Nachtigall 2001).

2.2.1. Sicherung des Fußgewölbes

Das Fußgewölbe wird, abgesehen von der spezifischen Anordnung der Knochen, durch die vielen plantaren Bänder ermöglicht und gesichert, die die Knochen miteinander verbinden.

Für eine passive Verspannung des Längsgewölbes durch Bänder im Fuß sorgen das Ligamentum calcaneonaviculare plantare, Ligamentum calcaneocuboideum, Ligamentum plantare longum, die Aponeurosis plantaris und die Ligamenta tarsi plantaria.

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Bei der Querwölbung des Fußes ist das Ligamentum metatarsale transversum profundum für die Verspannung verantwortlich. Aber nicht nur die Bänder erzielen die Fußwölbung, sondern auch die Muskeln, die die aktive Verspannung des Fußgewölbes darstellen (Weineck 1996).

Bei der Aufrechterhaltung der Längswölbung treten also die Sehnen des Musculus flexor hallucis longus, des Musculus flexor digitorum longus, des Musculus tibialis anterior und des Musculus tibialis posterior in Aktion. Dazu werden noch die Fußmuskeln aktiv, so der Musculus flexor digitorum brevis, Musculus quadratus plantae, Musculus abductor hallucis, Musculus flexor hallucis brevis, Musculus abductor digiti minimi und der Musculus opponens digiti minimi.

Im Falle der Querwölbung helfen die Sehnen der folgenden Unterschenkelmuskeln bei der Verspannung: Musculus peronaeus longus und zu geringeren Anteilen der Musculus tibialis posterior. Auch das Caput transversum (körperferne Ende) des Musculus adductor hallucis ist für die aktive Querwölbung verantwortlich (Moll 1997).

2.2.2. Fußformen und Deformitäten

Fußfehlstellungen gehen sehr oft auf ein Absinken des Fußgewölbes zurück, welches sich auf eine Schwäche seiner natürlichen

Unterstützungen, also der Sehnen und Bänder, zurückführen lässt (Kapandji 1992).

Sinkt das Längsgewölbe ab, so kann von einem Plattfuß gesprochen werden (Pes planus). Es wird daher komplett mit der gesamten Fläche des Fußes aufgesetzt. Der Plattfuß ist zumeist gekoppelt mit einem Knickfuß (Pes valgus), wobei sich das Sprungbein auf dem Fersenbein zur Fußinnenseite hin verschiebt und so das Fersenbein unter dem Druck nach außen-unten weggleitet. Eine weitere Deformität in Bezug auf das Längsgewölbe ist der Hohlfuß (Pes cavus). Hier ist eine zu hohe Aushöhlung des Längsgewölbes gegeben, so dass die Auflagefläche des Fußes nur im Vor- und Rückfußbereich liegt.

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Sinkt jedoch das Quergewölbe im Bereich der Mittelfußknochen ab, so liegt ein Spreizfuß (Pes transversoplanus) vor, da sich die Zehen aufgrund des auf sie verlagerten Druckes vermehrt abspreizen und der Vorfuß sich so verbreitert. Die Mittelfußknochen, die den Druck eigentlich tragen, ordnen sich nicht mehr bogenförmig an, sondern liegen auf gleicher Höhe. Der Vorfuß ist dabei verbreitert (Moll 1997).

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3. Der menschliche Gang und das Laufen

Der aufrechte Gang des Menschen ist eine besondere Errungenschaft der Evolution, stellt er insbesondere eine Standortveränderung dar und bedeutet damit ein gewisse Flexibilität und Selbständigkeit des Menschen. Doch nicht nur das: Ausschließlich beim Menschen ist der aufrechte Gang zu finden.

3.1. Der Gang und seine Phasen

Bei der menschlichen Fortbewegung des Gehens wird von einem Gangzyklus gesprochen, der in eine Stütz- und eine Schwungphase unterteilt werden kann, d. h. dass abwechselnd das eine oder das andere oder beide Beine gleichzeitig belastet werden, also Bodenkontakt haben (Nemessuri 1963). Dies unterscheidet den Gang vom Laufen, wo kein gleichzeitiger Bodenkontakt beider Füße gegeben ist. Im Folgenden soll ein vollständiger Gangzyklus beschrieben werden, dessen Beginn durch den Bodenkontakt des rechten Fußes definiert wird (Hennerici 2001).

3.1.1. Die Standphase

Abb. 7: Die Standphase beim Gangzyklus

(http://family.med.und.nodak.edu/course/fmed9320/pronation/gait.htm)

Zu Beginn erfolgt die Standphase, die ausgelöst wird durch den Fersenkontakt des Fußes und schließt, wenn die Zehen desselben Fußes wieder vom Boden abheben. Die Standphase kann in drei einzelne Phasen gegliedert werden: die Stoßdämpfungsphase, die mittlere Standphase und die Abstoßphase (Beckers 1997). Während der Stoßdämpfungsphase wird

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das Körpergewicht auf das vordere Bein verlagert und der Körperschwerpunkt, der sich sonst ebenfalls abwärts verlagern würde und man fallen würde, wird abgebremst (Amortisation). Es kommt zum Fersen- und Fußsohlenkontakt mit dem Boden, wodurch die mittlere Standphase eingeleitet wird. Dabei liegt ein Großteil des Körpergewichts auf dem Standbein. Darauf folgt die Abstoßphase, die mit der Ablösung der Ferse vom Boden beginnt und übergeht in die Ablösung der Fußsohle sowie der Zehen vom Boden.

3.1.2. Die Schwungphase

Abb. 8: Die Schwungphase beim Gangzyklus

(http://family.med.und.nodak.edu/course/fmed9320/pronation/gait.htm)

Die Schwungphase beginnt, wenn sich die Zehen vom Boden gelöst haben, also die Standphase beendet ist. Die Schwungphase kann in drei Unterphasen unterteilt werden: die Beschleunigungsphase, die mittlere Schwungphase und die Abbremsphase.

Die Beschleunigungsphase setzt ein, sobald sich die Zehen vom Boden lösen. Das Schwungbein wird dann in der Luft nach vorne geschwungen und beschleunigt. In der mittleren Schwungphase befinden sich beide Füße nebeneinander. Darauf folgt das Abbremsen des Beines, so dass es wieder Bodenkontakt herstellt und eine neue Standphase beginnen kann. Somit ist ein Gangzyklus vollständig durchlaufen worden.

Wie bereits erwähnt ist das Besondere am Gangzyklus der Doppelstand, d. h. dass beide Beine gleichzeitig Kontakt zum Boden haben. Einige Autoren nennen den Doppelstand auch Bipedalphase und die Phasen, in denen nur ein Fuß Kontakt mit dem Boden hat, Monopedalphasen

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(Hennerici 2001). Bewegt sich der Mensch allerdings schneller, so ist die Bipedalphase nicht mehr gegeben und es erfolgt der Übergang zum Laufen. Ab ungefähr 140 Schritten pro Minute kann vom Laufen gesprochen werden (Beckers 1997).

3.1.3. Muskelaktivität beim Gehen

Abb. 9: Muskelaktivität beim Gehen während der Schwung- und Standphase (in: Weineck 1996, S. 205)

3.1.3.1. Standphase

Während der Standphase kontrahiert der Glutaeus maximus und sorgt so für die Hüftstreckung. Diese wird unterstützt durch die Musculi adductores und die Musculi ischiocrurales. Der Musculus tibialis anterior dient nun dazu, den Unterschenkel zum Fuß heranzuführen. Um überdies den festen Bodenkontakt herzustellen, wird der Musculus triceps surae an der Rückseite des Unterschenkels aktiv, sobald die Zehen aufsetzen. Weiterhin ist der Musculus quadriceps femoris aktiv, um das Bein zu stabilisieren. Für eine weitere Sicherung und Streckung des Kniegelenks ist der Musculus tensor fascie latae an der Vorderseite der Hüfte verantwortlich.

Damit ist die Vollendung der Hüftstreckung erfolgt und es soll zum Abdruck des Körpers vom Boden kommen. Für diesen Teil der Bewegung sind weiterhin der Musculus glutaeus maximus und die Musculi

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