Die Biomechanik des Schwimmens. Widerstand und Antrieb im Wasser


Hausarbeit, 2019

13 Seiten, Note: 1,5


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung

2. Kräfte im Wasser
2.1 Statischer Auftrieb
2.2 Dynamischer Auftrieb

3. Wasserwiderstände
3.1 Formwiderstand
3.2 Wirbelwiderstand
3.3 Reibungswiderstand

4. Konzepte zum Antrieb im Wasser
4.1 Widerstandsprinzip
4.2 Konventionelles Antriebskonzept
4.3 Bernoulli-Konzept
4.4 Vortex-Konzept

5. Diskussion der Antriebsmodelle

6. Biomechanische Betrachtung des Kraulschwimmens

7. Fazit

Literaturverzeichnis

1. Einführung

Die Biomechanik stellt ein Teilbereich der Sportwissenschaft dar, dessen Aufgabe unter anderem die Untersuchung der sportlichen Bewegung ist. Ebenso kann sie als Teildisziplin der Physik verstanden werden (Scheid & Prohl, 2007). Sportbiomechanik als Schnittmenge der Bereiche Physik und Sportwissenschaft befasst sich nach Schnur und Schwameder (2014) mit „sportliche[n] Haltungen und Bewegungen des Menschen, gegebenenfalls auch in Verbindung mit äußeren Größen, wie Sportgeräten oder umgebenden Medien, beispielsweise Wasser oder Luft“ (S.13). Im Schwimmsport ist die Frage von großer Bedeutung, warum Menschen überhaupt schwimmen können und wie es Schwimmern und Schwimmerinnen gelingen kann, Widerstände des Wassers zu überwinden und sich sogar mit Hilfe von Widerständen im Wasser anzutreiben. Das biomechanische Verständnis und Wissen um verschiedene Wasserwiderstände und Antriebstheorien erlaubt es Sportlern und Sportlerinnen, sich effizient im Wasser fortzubewegen und ist deshalb auch für Lehrkräfte von großem Interesse. Da gerade im Schulsport Lehrer und Lehrerinnen kompetent Bewegungen bewerten und hilfreiches Feedback geben sollen, fordern Schnur und Schwameder bei der Ausbildung der angehenden Sportlehrkräften einen stärkeren Fokus auf biomechanischem Verständnis und der sportpraktischen Anwendung (Schnur & Schwameder, 2014).

Durch den (mess-)technischen Fortschritt sind auch die biomechanischen Forschungsmöglichkeiten gewachsen (Schnur & Schwameder, 2014). Mittels Videoanalysen kann beispielsweise genauestens überprüft werden, ob ein Schwimmer oder eine Schwimmerin den Wasserwiderstand während Gleitphasen so gering wie möglich hält und, ob der Widerstand effektiv zum Antrieb genutzt wird.

In der folgenden Arbeit soll anfangs ein Einblick in die im Wasser wirkenden Kräfte gegeben werden und so direkt die Frage beantwortet werden, wieso manche Körper an der Wasseroberfläche schwimmen können und andere nicht. Da für den Schwimmsport Wasserwiderstände von großer Bedeutung sind, werden in einem eigenen Absatz die unterschiedlichen Widerstandsformen vorgestellt. Darauf aufbauend werden schwimmspezifische Antriebskonzepte erläutert und abschließend hinsichtlich ihrer praktischen Umsetzbarkeit diskutiert. Abschließend wird das Kraulschwimmen unter biomechanischen Gesichtspunkten genauer betrachtet.

2. Kräfte im Wasser

Um zu verstehen, warum einige Körper im Wasser untergehen und andere nicht, ist es wichtig, sich mit dem statischen und dynamischen Auftrieb zu befassen. In Folge dessen kann eine für das Schwimmen günstige Wasserlage abgeleitet werden.

2.1 Statischer Auftrieb

Auf jeden Körper wirkt im Wasser zusätzlich zu der Gewichtskraft die sogenannte Auftriebskraft. Die Gewichtskraft wird üblicherweise mit bezeichnet, greift am Körperschwerpunkt und ist in Richtung Erdmittelpunkt gerichtet (Bissig, Gröbli & Cserépy, 2011). Die Auftriebskraft hingegen setzt am Volumenmittelpunkt des Körpers an und wirkt entgegen der Gewichtskraft. Die Größe der Auftriebskraft entspricht gemäß dem Archimedischen Gesetz der Gewichtskraft der vom Körper verdrängten Wassermasse: „Wird ein Körper in eine Flüssigkeit getaucht, so verdrängt er eine Flüssigkeitsmenge, die seinem Volumen entspricht“ (Bissig, Gröbli & Cserépy, 2011, S. 194).

Die vertikale Kraftkomponente, die ein Körper im Wasser erfährt, setzt sich also aus der Gewichtskraft und der entgegengesetzten Auftriebskraft zusammen. Ist die Auftriebskraft betragsmäßig größer als die Gewichtskraft, so schwimmt der Körper an der Wasseroberfläche. Somit ist der Auftrieb abhängig von dem Gewicht des sich im Wasser befindenden Körpers und gemäß dem Archimedischen Gesetz der Dichte der Flüssigkeit (Bissig, Gröbli & Cserépy, 2011).

Da nicht bei allen Körpern Körperschwerpunkt und Volumenmittelpunkt übereinstimmen (z.B. beim menschlichen Körper), setzen Auftriebs- und Gewichtskraft an unterschiedlichen Punkten an. Somit können Rotationsbewegungen die Folge sein. Häufig ist bei Schwimmerinnen eine flachere Wasserlage zu beobachten als bei männlichen Sportlern. Dies liegt unter anderem daran, dass bei Frauen der Körperschwerpunkt näher am Volumenmittelpunkt liegt als es bei Männern der Fall ist. Anders gesagt: Es kommt bei Männern deshalb oftmals zu einem Absinken der Beine und somit zu einer ungünstigeren Wasserlage, weil durch die größere Entfernung des Körperschwerpunkts und des Volumenmittelpunkts eine stärkere Rotation entsteht (Bissig, Gröbli & Cserépy, 2011). Dieser Effekt wird durch ein starkes Einatmen verstärkt, da so das Volumen des Oberkörpers zunimmt und sich der Volumenmittelpunkt weiter kopfwärts verschiebt (Bissig, Gröbli & Cserépy, 2011).

Da es sich beim Schwimmsport nicht um einen statischen, sondern einen dynamischen Vorgang handelt, wird im Folgenden auf die Besonderheiten bei bewegten Körpern im Hinblick auf die wirkenden Kräfte geachtet.

2.2 Dynamischer Auftrieb

Bei bewegten Körpern im Wasser wirkt zusätzlich die dynamische Auftriebskraft, „die durch den Aufschlag des Wassers an der Berührfläche mit dem Wasser bedingt ist. Je schneller sich der Körper bewegt, desto größer ist [ihr] Betrag“ (Bissig, Gröbli & Cserépy, 2011, S.195). Das bedeutet, dass durch das Durchdringen des Schwimmers oder der Schwimmerin der Wassermassen, Wasser nach unten gedrückt wird. Die so entstehende Reaktionskraft ist der dynamische Auftrieb. Für die Sportler und Sprtlerinnen hat das zur Folge, dass bei schnellem Schwimmen an der Wasseroberfläche die Wasserlage flacher wird. Diesen Vorteil können jedoch nur geübte Schwimmer und Schwimmerinnen für sich nutzen (Bissig, Gröbli & Cserépy, 2011).

Nachdem der dynamische Auftrieb an der Wasseroberfläche vorgestellt wurde, stellt sich nun die Frage, welche Kräfte unter der Wasseroberfläche wirken. Hier spielt der sogenannte hydrostatische Druck eine große Rolle. Je tiefer sich ein Körper unter der Wasseroberfläche befindet, desto größer ist der Druck, den er vom umliegenden Wasser erfährt. Alle 10 m nimmt der Druck um 1 bar zu. Durch diesen Druck, den unter anderem auch die Lunge eines Schwimmers oder einer Schwimmerin erfährt, halbiert sich das Lungenvolumen in 10 m Tiefe (Bissig, Gröbli & Cserépy, 2011). Hier ist jedoch anzumerken, dass sich dadurch nicht weniger Luft in der Lunge befindet, sondern die Luft in der Lunge komprimiert wurde, also sich das Lungenvolumen verringert hat.

Für den Schwimmsport bedeutet der hydrostatische Druck, dass während der Unterwasserphasen nach dem Start oder bei Wenden durch ein tiefes Tauchen der Körper weniger Auftrieb erfährt und so länger getaucht werden kann. Das liegt am statischen Auftrieb, denn durch tiefes Tauchen nimmt das Körpervolumen ab (Bissig, Gröbli & Cserépy, 2011).

3. Wasserwiderstände

Grundsätzlich wirken im Wasser auf bewegte Körper Widerstände. Die Größe des Widerstands hängt von mehreren Faktoren ab, die im Folgenden genannt werden. Es sollte beachtet werden, dass die einzelnen Widerstandformen nie isoliert auftreten, sondern stets vorhanden sind (Bissig, Gröbli & Cserépy, 2011). Entscheidend für den Schwimmsport ist die Summe aller Teilwiderstände möglichst gering zu halten.

3.1 Formwiderstand

Bei dem sogenannten Formwiderstand, den ein Körper in Bewegung erfährt, ist entscheidend, wie er vom Wasser umströmt wird. Treten im Rücklauf ungeordnete Wirbel auf, so hat dies eine bremsende Wirkung. Die Qualität der Umströmung des Wassers sehr störanfällig (Reischle & Kandolf, 2015). Der Betrag des Formwiderstands ist abhängig von der Form des Körpers und außerdem von der Wassertiefe, in der sich der Körper bewegt. Denn an der Wasseroberfläche kommen zusätzlich Wellenwiderstände hinzu, die tiefer unter der Wasseroberfläche kaum auftreten. „Der Wellenwiderstand entsteht dann, wenn Wasser z.B. bei der Bugwelle gegen die Schwerkraft angehoben wird. Die dazu benötigte Energie liefert der verursachende Schwimmer“ (Reischle & Kandolf, 2015, S.34). Andererseits wirkt beim Gleiten unter Wasser die Gewichtskraft des angehobenen Wassers senkrecht auf die Bewegungsrichtung, also bremsend. Nichtsdestotrotz zeigt ein Vergleich dieser beiden Kräfte, dass der Widerstand an der Wasseroberfläche größer ist (Bissig, Gröbli & Cserépy, 2011).

Oftmals wird der Formwiderstand auch Stirnwiderstand genannt. Diese Bezeichnung kritisieren Ungerechts, Volck und Freitag (2009) allerdings, da nicht die Stirnfläche alleine die Größe des Widerstands ausmacht. Vielmehr ist das optimale Verhältnis von Stirnfläche und Körperlänge entscheidend. Dennoch müssen Schwimmer darauf achten, ihre Stirnfläche möglichst gering zu halten, da nur so das beschriebene Verhältnis zu beeinflussen ist.

3.2 Wirbelwiderstand

Wasserwirbel treten selbst beim Gleiten im Wasser auf und verursachen eine bremsende Wirkung. Bei Gleitphasen unter Wasser sind die entstehenden Wellen und Wirbel erheblich geringer als an der Wasseroberfläche. In der Praxis wird dies durch eine wesentlich höhere Geschwindigkeit deutlich, die mit Delphin-Kicks unter Wasser geschwommen werden kann, verglichen mit der Geschwindigkeit an der Wasseroberfläche. Beispiele für eine effizientere Technik stellen neben dem langen Gleiten nach Wenden außerdem die Undulationstechnik im Brustschwimmen dar (Bissig, Gröbli & Cserépy, 2011).

3.3 Reibungswiderstand

Sobald Wasser einen Körper umströmt, entsteht an der Oberfläche des Körpers Reibung. Außerdem sind kleine Verwirbelungen des Wassers möglich, da so das Wasser nahe am Körper langsamer strömt. Dies liegt an der Haftreibung der Wasserteilchen an der Körperoberfläche (Reischle & Kandolf, 2015). Um die Haftreibung an der Körperoberfläche zu minimieren, ist die Körperrasur im Leistungssport unerlässlich. Spitzensportler werden mit eng anliegenden Badehosen ausgestattet, deren spezielle Technologie die Wirbelbildung an der Oberfläche regulieren soll (Bissig, Gröbli & Cserépy, 2011).

4. Konzepte zum Antrieb im Wasser

Bis hier wurden Widerstände stets als Hindernis für den Schwimmer oder die Schwimmerin betrachtet. Allerdings ist auch klar, dass ohne Widerstände ein Antrieb im Wasser unmöglich wäre. Als Antwort auf die Frage, wie genau Widerstände zur Fortbewegung genutzt werden können, dienen die folgenden Theorien.

[...]

Ende der Leseprobe aus 13 Seiten

Details

Titel
Die Biomechanik des Schwimmens. Widerstand und Antrieb im Wasser
Hochschule
Universität Konstanz
Note
1,5
Autor
Jahr
2019
Seiten
13
Katalognummer
V913120
ISBN (eBook)
9783346242075
ISBN (Buch)
9783346242082
Sprache
Deutsch
Schlagworte
biomechanik, schwimmens, widerstand, antrieb, wasser
Arbeit zitieren
Sebastian Frosch (Autor), 2019, Die Biomechanik des Schwimmens. Widerstand und Antrieb im Wasser, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/913120

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