Aspekte der 'Funktionellen Biomechanik' am Beispiel des Handgelenks - Gelenkmechanik & Muskelmechanik für die Gelenkfreiheitsgrade

INHALTSVERZEICHNIS

1 Prolog

2 Einführung in die Biomechanik
2.1 Innere und äußere Biomechanik
2.2 Gegenstand der Biomechanik
2.3 Aufgaben und Untersuchungsziele der Biomechanik

3 Allgemeine Gelenklehre (Arthrologie) & Bestandteile eines Gelenks

4 Spezielle Gelenklehre (Gelenkmechanik) & Gelenkfreiheitsgrade
4.1 Bewegungsausmaß eines Gelenks & Gelenkachsen
4.2 Zweiachsige & Straffe Gelenke

5 Allgemeine Muskellehre (Myologie) & Gelenkfreiheitsgrade

6 Das Handgelenk
6.1 Bänder und Muskulatur des Handgelenkes
6.2 Muskelketten der Handgelenke & Bewegungsamplituden des Handgelenks
6.3 Definition der Handgelenksbewegungen

LITERATURVERZEICHNIS

1 Einführung

Aus rein funktioneller Sicht ist das Handgelenk das distale Gelenk der oberen Extremität, das dem ausführenden Organ Hand ermöglicht, optimale Griffstellungen einzunehmen. Sie besitzt zwei Freiheitsgrade zusammen mit den Umwendbewegungen, der axialen Drehung des Unterarms, kann die Hand unter jeglichem Winkel einen Gegenstand greifen und halten. Das Handgelenk setzt sich aus zwei Einzelgelenken zusammen, dem Radiolkarpalgelenk (Articulatio radiocarpea) und dem Mediokarpalgelenk (Articulatio mediocarpea). Im Ersteren artikulieren Unterarmpfanne und karpaler Gelenkkopf, im Zweiten die beiden Reihen der Handwurzelknochen miteinander (Kapandji 1992, S. 130).

„Warum gerade das Handgelenk?“, könnte man sich jetzt fragen, um diese Frage zu begegnen und alle Bedenken zu zerstreuen möchte ich die Bedeutung der Hände für die Menschen aufzeigen, zugleich aber bei den folgenden Ausführungen immer zu bedenken geben, dass all diese Vielfalt ohne den Einsatz des Handgelenkes niemals zu ermöglichen wären. Die menschliche Hand ist nicht nur ein exekutives Werkzeug, sondern ebenso ein hochgradig empfindsames Sinnesorgan, alles in allem ein beeindruckendes Instrument, das selbst Aristoteles schon als das „Instrument der Instrumente“ bezeichnete. Sie besitzt nicht nur die Fähigkeit zum Greifen um somit eine Vielzahl von Tätigkeiten ausführen zu können, nein die Hand kann einiges mehr. Dank ihr wird unsere Sprache erst intensiv, ausdrucksstark und betont, erst durch ihre Gestiken (auch in der Gebärdensprache der Tauben) werden unsere Worte impulsiv und vermögen es gar Stimmungen und Gefühle auszudrücken und für manche ist sie die einzige Form der Verständigung. Das führt sogar soweit, dass ganze Bevölkerungsgruppen mit ihrer gestenreichen Sprache in Verbindung gebracht werden, man denke an dieser Stelle nur an einen wild mit den Händen gestikulierenden Italiener („mama mia“).

Sie ist in der Lage mit „einfachsten“ (natürlich nicht aus biomechanischer oder medizinischer Sicht) Bewegungen Brücken der Verständigung zu bauen, die Kraft der Musik zu lenken, über Leben und Tod zu entscheiden, Bindungen zu festigen, so selbstverständliche und alltägliche „Handgriffe“ wie essen, trinken, telefonieren, Auto oder Fahrradfahren und gar Gefühle der Lust oder Geborgenheit auszustrahlen, würden ohne Hände zu einer im ersten Moment schier unlösbaren Aufgabe anwachsen. Auf diesen teils auch hier schon genannten sensorischen Fähigkeiten baut sich das räumliche erfassen von Formen, Strukturen und Gegenständen auf. Nur sie vermag unsere Augen zu ersetzen um einen Gegenstand zu erkennen und dessen Beschaffenheit zu bestimmen, sie erlaubt es unsere Umgebung zu formen und (manchmal zum Leidwesen) die anderen Lebewesen zu dominieren, kurz: Ohne die Hand wäre das Bild unserer Umwelt unplastisch und kontrastlos. Mit diesem kurzen Anriss bin ich noch lange nicht auf alle Möglichkeiten der Hand eingegangen, von diesen werde wohl auch ich nie alle anzuwenden erlernen, aber liegt es letztendlich nicht in der Entscheidung jedes einzelnen, wofür er dieses wundervolle Werkzeug einzusetzen vermag?

2 Einführung in die Biomechanik

Das Fach Biomechanik, das 1958 in den Lehrplan der Institute für Körperkultur aufgenommen wurde, soll dem Studium der Bewegungsformen der Materie und ihrer Entwicklung dienen, laut Ballreich & Baumann (1996, S. 10) lassen sich die bestehenden Forschungskonzeptionen der Biomechanik des Sports in vier Richtungen unterteilen:

1. physikalisch – mechanischer Ansatz,
2. biowissenschaftlicher Ansatz,
3. bewegungsstruktureller Ansatz,
4. zweckorientierter Ansatz.

Zu den Voraussetzungen für das Entstehen der Biomechanik als selbstständige Wissenschaft gehört die Anhäufung von Kenntnissen auf dem Gebiet der physikalischen und biologischen Wissenschaften sowie die Entwicklung der Technik. Die Biomechanik ist eng mit benachbarten Spezialwissenschaften verbunden, zum Beispiel mit der Mechanik starrer Körper, der Theorie der Elastizität, der Aero- und Hydrodynamik, der Kybernetik, der Anatomie, Physiologie, Psychologie, Pädagogik, der Theorie und Methodik der Körpererziehung, der Theorie und Methodik der Sportarten. Trotz der Verbindung und Betrachtung von Gesetzen und Begriffen dieser Wissenschaften wird die Spezifik der biomechanischen Untersuchung von Bewegungen erhalten bleiben. Da die Kenntnis der mechanischen Grundlagen für das Verständnis von sportlichen Bewegungen von fundamentaler Bedeutung sind, erscheint es mir wichtig die mechanischen Grundlagen zu kurz definieren: „Die Mechanik befasst sich mit den Bewegungen von Körpern sowie den Kräften, die Bewegungen verursachen oder miteinander im Gleichgewicht stehen. Den Zusammenhang zwischen der Kraft als Ursache und der Bewegung als Wirkung beschreiben in mathematischer Form die mechanischen Gesetze. Sie stellen verallgemeinerte Aussagen als Ergebnis systematischer Messungen und daraus gewonnener, geordneter Erfahrungstatsachen dar. Mechanische Gesetze gelten für alle Körper der belebten und der unbelebten Natur. Demnach unterliegen ihnen auch die menschlichen Körperbewegungen.“ (Willimczik 1989, S. 58). Aus dieser Tatsache heraus gibt es bis heute verschiedene Definitionsversuche der Biomechanik:

1. Nach Hochmuth untersucht: „Die Biomechanik die Bewegungen von Mensch und Tier vom Standpunkt der Gesetze der Mechanik.“ (Ballreich & Baumann 1996, S. 1).
2. „Die Biomechanik ist eine Wissenschaft, die die Bewegungen in lebenden Organismen, ihre Ursachen und Erscheinungen untersucht.“ (Donskoi 1975, S. 11).
3. „Biomechanik ist die Wissenschaft von der mechanischen Beschreibung und Erklärung der Erscheinungen und Ursachen von Bewegungen (zur Unterscheidung der Biomechanik anderer Wissenschaften, spricht man hier nur von sportlichen Bewegungen) unter Zugrundelegung der Bedingungen des Organismus.“ (Willimczik 1989, S. 15).
4. „Nach dem Vorbild der Mechanik, eines Teilgebietes der Physik, kann die Biomechanik des Sports in Biokinematik (Lehre von den Bewegungen biologischer Systeme [Mensch und Tier im Umfeld Sport] bei Vernachlässigung wirkender Kräfte) und Biodynamik (Lehre von den Kräften und ihren Wirkungen auf biologische Systeme [Mensch und Tier im Sport]) unter Berücksichtigung zusätzlich differenzierender Teilgebiete der Mechanik (Biodynamik unterteilt in Biostatik [Lehre vom Gleichgewicht der Kräfte an biologischen Systemen] und Biokinetik [Lehre von der Änderung des Bewegungs- und Spannungszustandes biologischer Systeme unter Einwirkung von Kräften]) gegliedert werden.“ (Ballreich & Baumann 1996, S. 10).

2.1 Innere und äußere Biomechanik

In der historischen Entwicklung der Biomechanik hat sich die Unterscheidung in innere und äußere Biomechanik herausgebildet. Unumstrittenes Kernstück der Biomechanik ist die äußere Biomechanik, sie wird von einer Reihe von Autoren als alleiniger Gegenstandsbereich der Biomechanik angesehen, zu ihnen zählen unter anderem Buchmann, Gutewort & Pöhlmann, andere wollen die innere Biomechanik als gleichberechtigten Pfeiler der Biomechanik ansehen (Willimczik 1989, S. 16). Unter innerer Biomechanik versteht man die Behandlung von Aufgaben/ Problemen, die sich mit Kräften und deren Wirkungen im Inneren beschäftigen. Die äußere Biomechanik befasst sich mit Kräften und Wirkungen an der Peripherie oder außerhalb des Körpers. Diese Trennung hat unter anderem auch methodologische Gründe: Zur Bestimmung innerer Kräfte sind – zusätzlich zu den äußeren Methoden – weitergehende Annahmen und theoretische Ansätze erforderlich. Die innere Biomechanik baut dabei auf den Ergebnissen der äußeren auf.

1. Die äußere Biomechanik befasst sich mit der kinematischen und dynamischen Analyse sportlicher Haltungen und Bewegungen, d.h. mit Größen, die an der Peripherie des Körpers beobachtbar bzw. messbar sind. Grundlage der äußeren Biomechanik ist die Kinematik, die in der Beschreibung der Lage, Haltung und Orientierung des Körpers in Raum und Zeit gegeben ist. Darüber hinaus werden die von außen auf den Körper einwirkenden Kräfte bestimmt: Gewichtskraft, Reaktionskräfte, Widerstandskräfte in Luft und Wasser.
2. Die innere Biomechanik befasst sich mit der Ermittlung von Kräften im Körperinnern, vorrangig mit Muskelkräften bzw. Muskelkraftmomenten, Gelenkkräften sowie Kräften in Bändern und Sehnen. Diese Kräfte sind sowohl die Ursachen der Bewegungen als auch der positiven und negativen Beanspruchungen des biologischen Materials. Aufbauend auf der äußeren Biomechanik werden durch zusätzliche Annahmen bzw. Messungen die nicht direkt messbaren inneren Kräfte berechnet. Trotz der erheblichen Schwierigkeiten der Verfahren und der eingeschränkten Gültigkeit der Ergebnisse stellt die innere Biomechanik die derzeit einzige wissenschaftlich haltbare Vorgehensweise zur Bestimmung von Muskel- und Gelenkkräften dar (Willimczik 1989, S. 92).

2.2 Gegenstand der Biomechanik

Eigenständiger Gegenstandsbereich der Biomechanik des Sports ist unbestritten der Sport treibende Mensch einschließlich der benötigten Sportgeräte (Willimczik 1989, S. 9). Um die Spezifik der Biomechanik von den anderen Wissenschaften klar abtrennen zu können sollte man deren Untersuchungsgrundlagen kennen, so untersuchen die Physik, Chemie, Biologie und andere Wissenschaften die Gesetze der verschiedenen Bewegungsformen der Materie in der nicht lebenden Natur, in der lebenden Natur und in der Gesellschaft. Die einfachste Bewegung – die Ortsveränderungen von Körpern – untersucht die Mechanik. Zum besseren Verständnis des Wesens und der Rolle der mechanischen Bewegungen in lebenden Organismen sind die grundlegendsten Begriffe der Bewegung zu behandeln. Die Bewegung ist die Existenzform der Materie, denn alles auf der Welt bewegt sich. In Bewegung befinden sich die Sterne, unsere Erde, der Mensch, Teile seines Körpers, die Moleküle seiner Zellen, Atome, ihre Elementarteilchen; eine der Bewegungsformen ist das Denken (Donskoi 1975, S. 11). Schon F. Engels (1952, S. 61) formulierte: „Bewegung in dem allgemeinsten Sinn, in dem sie als Daseinsweise, als inhärentes Attribut der Materie gefasst wird, begreift alle im Universum vorgehenden Veränderungen und Prozesse in sich, von der bloßen Ortsveränderung bis zum Denken.“ Infolgedessen wird als Bewegung im philosophischen Sinne jegliche Veränderung überhaupt bezeichnet. Alles Bestehende in der Welt ist Materie, die sich ewig bewegt, verändert. Materie ohne Bewegung ist undenkbar, genauso wie Bewegung ohne Materie undenkbar ist. Entsprechend der Vielfalt der Welt existiert auch eine Vielfalt der Bewegung - unter anderem soll in der Biomechanik der Mensch betrachtet werden, dessen Bewegungen sind primär eine mechanische Ortsveränderung des lebenden Organismus. Die Bewegungen des Menschen sind eine der komplizierteren Erscheinungen der Welt. Sie sind nicht nur kompliziert, wegen der außerordentlichen Komplizierbarkeit des Baus des menschlichen Körpers und die sehr schwierigen Funktionen der Bewegungsorgane in ihrer Bewegungstätigkeit, sondern auch, weil sich darin sein Bewusstsein als Funktion der höchstorganisierten Materie – des Gehirns – widerspiegelt (Donskoi 1975, S. 12). Dazu kommt noch die Kompliziertheit der Wechselwirkung zwischen der mechanischen Form und der höheren Form, der biologischen. In der biologischen Mechanik (Biomechanik) werden gerade die Gesetzmäßigkeiten der mechanischen und der biologischen Formen selbst als auch ihre Wechselbeziehungen untersucht. Die Bewegung der Lebewesen als biologische Erscheinung kann nur auf der Grundlage einer Untersuchung der untrennbaren Verbindung zwischen den biologischen und mechanischen Gesetzmäßigkeiten verstanden werden. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass der Gegenstand der Biomechanik, durch das spezifische Objekt der Erkenntnis bestimmt wird – durch den Kreis von Erscheinungen und Prozessen, deren Gesetzmäßigkeiten diese oder jene Wissenschaft untersucht. Das Objekt der Erkenntnis sind die Bewegungshandlungen des Menschen als System gegenseitig zusammenhängender aktiver Bewegungen und Haltungen des Körpers, im Prinzip müssen zur Biomechanik alle Erscheinungen einer mechanischen Bewegung in lebenden Organismen gezählt werden (Donskoi 1975, S. 13). Laut Ballreich & Baumann (1996, S. 13) ist der zentrale Untersuchungsgegenstand der Biomechanik des Sports: „Die sportmotorische Leistung bzw. der sportmotorische Leistungszustand, am Zustandekommen dieses Zustands sind drei Leistungskomponenten beteiligt: die technomotorische, die konditionelle und die taktische Komponente, wobei die derzeitigen Forschungen hauptsächlich den technomotorischen und konditionellen Leistungsaspekt betrachten.“

2.3 Aufgaben und Untersuchungsziele der Biomechanik

Laut Donskoi bestimmen die Aufgaben jedes Wissensgebietes seinen Inhalt – seine Theorie und Methode drücken sich in den Begriffen und Gesetzen der Wissenschaft aus, die für sie charakteristisch sind. In der Theorie betrachtet man den Bau und die Eigenschaften sowie die Entwicklung des Körpers des Menschen als biomechanisches System; die Effektivität der motorischen Handlungen als Bewegungssystem; die Herausbildung und Vervollkommnung der Bewegungen in den Bewegungshandlungen (Donskoi 1975, S.17). Die Methode der Biomechanik ist eine systematische Analyse und Synthese von Bewegungen auf der Grundlage quantitativer Charakteristika, insbesondere die mathematisch – kybernetische Modellierung von Bewegungen (Donskoi 1975, S. 18). Dabei haben wir in allgemeine Aufgaben, die den Gesamtbereich der Kenntnisse umfassen, und besondere Aufgaben, die nur für einen bestimmten Kreis untersuchter Erscheinungen wichtig sind. Die allgemeine Aufgabe der Untersuchungen der Bewegungen besteht in einer Einschätzung der Effektivität der aufgewandten Kräfte zur Erreichung des gestellten Ziels. Die besonderen Aufgaben der Biomechanik bestehen in der Untersuchung der Bewegungen des Menschen in der Bewegungstätigkeit und der Untersuchung der durch sie in Bewegung gebrachten physikalischen Objekte sowie in der Untersuchung der Ergebnisse der Bewegungsaufgabe und der Bedingungen, unter denen sie verwirklicht wird. Der Bereich der Untersuchung umfasst laut Donskoi die mechanischen und biologischen Prinzipien des Entstehens von Bewegungen und die Besonderheiten ihrer Ausführung. Jede Untersuchung von Bewegungen zielt letztlich darauf ab, zu einer besseren Ausführung der Bewegung beizutragen. Dazu bestimmt man, welche Kräfte die nützliche Arbeit ausführen, woher sie kommen, wann und wo sie eingesetzt werden. Ballreich & Baumann gehen hier einen Schritt weiter und formulieren konkrete Untersuchungsziele:

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