2. Explosivkraft und Schnellkraft des Muskels

Inhalt:
2.1  Definitionen: Maximalkraft, Schnellkraft, Explosivkraft, Reaktivkraft
2.2 Muskelfasertypen – mechanische und funktionale Merkmale
2.3  
Isometrisch-explosive Kraftimpulse und Fasertyp-Kraftrelation

2.4    Vergleich der Leistung bei maximalen explosiv-ballistischen Krafteinsätzen
2.4a.  Vergleich der Leistung unterschiedlicher Muskel-Fasertypen anhand eines Rechenmodells
2.4b.  Abhängigkeit  der erzeugten Bewegungsgeschwindigkeit von der maximalen
Muskel-Verkürzungsgeschwindigkeit, der maximalen isometrischen Kontraktionskraft, dem
Trägheitsmoment der Last und der „Anfangskraft“ (Rechenmodell)
  
 

illu.exploAbb. 1a: links: „Start“ (verändert nach K. Tittel 1990);  rechts: Explosivkraft als Anstieg der Kraft-Zeit-Kurve zwischen definierten Prozentwerten der Maximalkraft bzw. innerhalb eines definierten Zeitabschnitts

 

2.1  Definitionen: Maximalkraft, Explosivkraft, Schnellkraft, Reaktivkraft u.a. (s. Abb. 1b)

„Maximalkraft“ ist der von einer Person (von einem Muskel, einer Muskelgruppe) bei einer maximalen willkürlichen Kraftanstrengung erreichbare höchste Kraftwert (gemessen in [N]). Die Maximalkraft ist abhängig vom physiologischen Querschnitt des Muskels sowie von der neuronalen Ansteuerung des Muskels.

„Explosivkraft“ ist der von einer Person (von einem Muskel, einer Muskelgruppe) bei einer maximalen willkürlichen Kraftanstrengung innerhalb einer begrenzten Zeit erreichbare Anstieg der Kontraktionskraft (gemessen in [N/s]; Abb. 1a, rechts). Die Explosivkraft ist abhängig vom Anteil der „schnellzuckenden Muskelfasern“ innerhalb des Muskels (Abb. 1b) sowie von der neuronalen Ansteuerung des Muskels.

„Reaktivkraft“ ist der von einer Person (von einem Muskel, einer Muskelgruppe) innerhalb eines Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus (DVZ) bei einer maximalen willkürlichen Kraftanstrengung unmittelbar nach einem Bremskraftstoß erreichbare Beschleunigungskraftstoß (gemessen in [N*s]). Die Reaktivkraft ist abhängig von der „Anfangskraft“ als Grenzwert zwischen Bremskraftstoß und Beschleunigungskraftstoß sowie vom optimalen Verhältnis der für den Beschleunigungskraftstoß verfügbaren Energiereserven zu den beim Bremskraftstoß verbrauchten Energiereserven des Muskels.

„Schnellkraft“ ist der von einer Person (von einem Muskel, einer Muskelgruppe) bei einer maximalen willkürlichen Kraftanstrengung innerhalb einer begrenzten Zeit erreichbare Kraftstoß (gemessen in [N*s]; Abb. 1a, rechts). Die Schnellkraft ist abhängig von der Maximalkraft und der Explosivkraft des Muskels (Abb. 1b) sowie von dem durch die Skelettarchitektur und die Bewegungstechnik bestimmten Beschleunigungsweg.

tab.schnellkr

Abb. 1b:  Abhängigkeit der Schnellkraft vom Trainingszustand, von der Faserzusammensetzung und von koordinativen Voraussetzungen

 

2.2 Muskelfasertypen – mechanische und funktionale Merkmale

Die Muskelfasern des Menschen werden u.a. im Hinblick auf ihre mechanischen Eigenschaften zu 3 Grundformen zusammengefasst:

Typ I-Fasern: langsam zuckende*) Fasern,
Typ IIA-Fasern: mittelschnell zuckende*) Fasern,
Typ IIB- bzw. Typ IIX-Fasern: schnell zuckende*) Muskelfasern.

( *) Der Begriff „zucken“ bezieht sich auf die Fähigkeit von Muskelfasern, sich auf einen Nervenreiz hin schnell zusammenzuziehen.)

Die obige Einteilung basiert auf der Beobachtung, dass sich die Muskelfasertypen im Hinblick auf die maximale Geschwindigkeit, mit der sie sich bei maximaler Innervation im unbelasteten Zustand zusammenziehen können, voneinander unterscheiden. Demgemäß betragen die Werte der Verkürzungsgeschwindigkeit für Muskelfasern, die bei mittlerem Dehnungsgrad 0,1 m lang sind, annähernd:
a)   Typ I-Faser: 0,1 m/s,
      Typ IIA-Faser: 0,3 m/s,
      Typ IIB/X-Faser: 0,9 m/s.

Ein weiteres für die Muskelfasertypen bedeutsames Merkmal ist die Zeitspanne, die die Faser bei maximaler neuronaler Innervation benötigt, um bei isometrischer Kontraktion die maximal mögliche Kontraktionsspannung aufzubauen: die Kontraktionszeit. Sie beträgt annähernd:
b)   Typ I-Faser: 0,14 s
       Typ IIA-Faser: 0,1 s,
       Typ IIB/X-Faser: 0,06 s.

Abb. 1c:  Kraft-Zeit-Verlauf  bei maximal-isometrischen Kontraktionen eines Modell-Muskels bei angenommener Verteilung der Muskelfasertypen. a) Isolierte Kontraktion der Muskelfasertypen. b) Zeitlich versetzter Kontraktionsbeginn der Muskelfasertypen innerhalb des Muskels (gemäß dem Henneman’schen Rekrutierungsprinzip). Die Fasertypen erreichen in deisem Modell-Fall zum gleichen Zeitpunkt ihre Maximalkraft. c) Zeitgleicher Kontraktionsbeginn aller Muskelfasertypen zur Gewährleistung einer maximalen Schnellkraft (vergleiche Abb. 1a).

Nimmt man für einen Beispielmuskel folgende Fasertyp-Kraftrelation an:
Typ I : Typ IIA : Typ IIX = 23 : 50 : 27,
ergeben sich aus b) bei maximaler Innervation für die jeweiligen Fasertypen die in Abb. 1c, a) dargestellten Kraft-Zeit-Diagramme. Für die intramuskuläre Koordination lassen sich jetzt hypothetisch zwei Grenzfälle betrachten: 1. Die einzelnen Fasertypen werden bei jeweils maximaler Innervation zeitlich versetzt so rekrutiert, dass sie zur gleichen Zeit ihren maximalen Kontraktionszustand erreichen wie in Abb. 1c, b). Dies würde dem Henneman’schen Rekrutierungsprinzip entsprechen. 2. Die einzelnen Fasertypen werden zum gleichen Zeitpunkt rekrutiert. Dadurch erreichen sie ihren maximalen Kontraktionszustand zeitlich versetzt, s. Abb. 1c, c). Dies würde dem in der Realität registrierbaren Kraftzeit-Verlauf einer maximalen isometrischen Willkürkontraktion entsprechen (s. auch Abb. 3). Diese in Abb. 1c-c) dargestellte Art der Rekrutierung liefert den größtmöglichen Kraftstoß, verdeutlicht durch die Fläche unter der Kraft-Zeit-Kurve, und symbolisiert somit die Schnellkraft des Muskels.

 

 

2.3  Isometrisch-explosive Kraftimpulse und Fasertyp-Kraftrelation

Projektleiter: Prof. Dr. Klaus Wiemann
in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Günter Tidow, Humboldt-Universität Berlin
Mitarbeiter: Dr. Thomas Jöllenbeck

Kurzcharakterisierung des Projektes:

Auf der Grundlage der Kontraktionszeiten der unterschiedlichen Fasertypen wurde ein Verfahren entwickelt, um aus dem Verlauf der Kraft-Zeit-Kurven isometrisch-explosiver Krafteinsätze der ischiokruralen Muskeln die Kraftrelation der diversen Fasertypen abschätzen zu können. Dies soll am Beispiel der Kraft-Zeit-Kurve (Abb. 3) einer maximalen explosiv-isometrischen Willkür-Kontraktion der ischiokruralen Muskeln demonstriert werden. Abb. 2 verdeutlicht den zugehörigen Aufbau der Versuchsstation.

fopro.explo.abb,2-3Abb. 2 (links): Versuchsstand zur Quantifizierung explosiv-isometrischer Krafteinsätze der ischiokruralen Muskeln.BA: Oberschenkelauflage für das Gegenbein. G: Gurtung zur Fixierung der Vp. KA: Kraftaufnehmer für das Versuchsbein. SK: Keil zur Unterfütterung des Kreuzbeines
Abb. 3 (rechts): Beispiel zur Quantifizierung der Fasertyp-Kraftrelation aus Kraft-Zeit-Kurven explosiv-isometrischer Willkür-Kontraktionen der ischiokruralen Muskeln

Geht man davon aus, dass bei der zugrunde liegenden maximalen explosiv-isometrischen Willkürkontraktion der ischiokruralen Muskeln alle Fasertypen zum gleichen Zeitpunkt mit der Kontraktion beginnen und jeweils maximal kontrahieren, lässt sich aus dem Kurvenverlauf bestimmen:
a) die Kontraktionszeit pro Fasertyp,
b) der prozentuale Anteil der Kontraktionskraft pro Fasertyp.

Demnach betragen die Kontraktionszeiten *):
Typ I-Fasern       ~ 150ms
Typ IIa-Fasern   ~ 120ms
Typ IIb-Fasern    ~ 40ms
Der Anteil der Kontraktionskraft beträgt **):
Typ I-Fasern       ~ 26%
Typ IIa-Fasern    ~ 51%
Typ IIb-Fasern    ~ 23%

*) Kontraktionszeit: Die minimale Zeitspanne von der neuronalen Stimulation bis zum Erreichen des maximalen Kontraktionszustandes.
**) Kontraktionskraft: Hier: Die isometrische Kraft bei maximaler Willkürstimulation.

  (Detaillierter Bericht)

Publikationen

TIDOW. G./ WIEMANN, K. (1993): Zur Interpretation und Veränderbarkeit von Kraft-Zeit-Kurven bei explosiv-ballistischen Krafteinsätzen. Teil I: Physiologische Grundlagen. In: Deutsche Zeitschrift für Sportmedizin, 44, 3, S.92-103.
[Zusammenfassung/Summery] [vollständiger Text]

TIDOW. G./ WIEMANN, K. (1993): Zur Interpretetion und Veränderbarkeit von Kraft-Zeit-Kurven bei explosiv-ballistischen Krafteinsätzen. Teil II: In: Deutsche Zeitschrift für Sportmedizin, 44, 4, S.136 ff.
[Zusammenfassung/Summery] [vollständiger Text]

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2.4    Vergleich der Leistung  bei maximalen explosiv-ballistischen Krafteinsätzen
2.4a   Vergleich der Leistung unterschiedlicher Muskel-Fasertypen anhand eines Rechenmodells

Projektleiter: Prof. Dr. Klaus Wiemann
Wissenschaftliche Mitarbeit: Daniela Gertz

Kurzcharakterisierung des Projektes:

Befunde aus Untersuchungen mit maximalen explosiv-isometrischen Krafteinsätzen der ischiokruralen Muskeln (TIDOW / WIEMANN 1993) lassen vermuten, dass die einzelnen Muskel-Fasertypen bei explosiv-isometrischen Kontraktionen des gesamten Muskels nicht in der von HENNEMAN vorgeschlagenen Rekrutierungsfolge (HENNEMAN 1981) mit der Kontraktion beginnen, sondern derart innerviert werden, dass ihr Kontraktionsbeginn zeitlich zusammenfällt. Dadurch können schon zu Beginn der Kontraktion dieTyp-IIB-Fasern mit Ihrer kurzen Kontraktionszeit den Kraftstoß wesentlich mit beeinflussen [Detaillierter Bericht]. Berücksichtigt man darüber hinaus die unterschiedlichen Verkürzungsgeschwindigkeiten der Fasertypen, lässt sich vermuten, dass auch bei explosiv-ballistischen Krafteinsätzen die Typ-IIB-Fasern die Leistung des Muskels determinieren, während die langsameren Fasertypen nur einen unbedeutenden Beschleunigungsbeitrag zu leisten im Stande sind.

Um diese Annahme zu stützen, wurde mit Hilfe des Kakulationsprogramms EXCEL 97 das Modell eines einfach konstruierten Gelenksystems (Abb. 4) entwickelt, mit dessen Hilfe die hypothetischen Leistungen der verschiedenen Fasertypen bei der Aufgabe, ein Wurfobjekt in vorgegebenen Grenzen maximal zu beschleunigen, kalkuliert werden können.explomod.abb.1

 
Abb. 4:
Geometrische Anordnung des Models (links) und konstante Größen (rechts; berechnet für eine 1,80 m große und 80 kg schwere Person)

Das Wurfmodell stellt ein in vertikaler Bewegungsebene funktionierendes Eingelenksystem dar – mit den Dimensionen eines vereinfachten Ellenbogengelenkes.
Das Programm
– berechnet unter Berücksichtigung der Kraft-Faserlängen-Relation und der Kraft-Kontraktionsgeschwingigkeits-Relation (Hill’sche Beziehung) die Wurfleistung bei maximaler Kontraktion mit wählbaren Wurfgewichten (bis maximal 5 kg),
– stellt die Bahn der Gelenkbewegung, den erreichten Abwurfwinkel und die resultierende Wurfparabel im Diagramm dar.

Als Abwurfwinkel wird derjenige Gelenkwinkel festgelegt, in dem die maximale Bahngeschwindigkeit des Wurfobjektes ( = distales Ende des drehbaren Segmentes) oder der 85°-Winkel erreicht wird.

Das Modell simuliert 3 hypothetische Muskeltypen, die entweder ausschließlich aus Typ-I-Fasern (blau) oder Typ-IIA-Fasern (grün) oder Typ-IIB-Fasern (rot) bestehen und berücksichtigt folgende Kontraktionszeiten (= Zeit vom Beginn der Innervation bis zum Erreichen des Maximalen Kontraktionszustandes): Typ I: 0,14 s, Typ IIA: 0,1 s, Typ IIB: 0,06 s und folgende maximale Verkürzungsgeschwindigkeiten für 0,1m lange Muskelfasern: Typ I: 0,1 M/s, Typ IIA: 0,3 m/s, Typ IIB: 0,9 m/s. Ziel des Modells ist es, die möglichen Schnellkraftleistungen der Muskelfasertypen zu demonstrieren.  

 explomod.abb.2

Abb. 5: Wurfleistung bei maximaler explosiv-ballistischer Kontraktion dreier Modellmuskeln (aus nur je einem Fasertyp bestehend) mit zweiunterschiedlich schweren Wurfgewichten. Wurfbeweg.: Bewegungsbahn des Wurfgewichtes von der Startposition bis zum Abwurfwinkel (Abw.-Wi.). Der jeweilige Abwurfwinkel pro Fasertyp und die damit erreichte Abwurfgeschwindigkeit ist den Abbildungen zu entnehmen.

Das Modell (xls-Datei) stützt die Annahme, dass bei explosiv-ballistischen Krafteinsätzen fast ausschließlich die Typ-IIB-Fasern die Leistung bestimmen, weil die langsameren Fasertypen aufgrund der niedrigeren Verkürzungsgeschwindigkeit kurz nach Bewegungsbeginn den schnellen Fasern „hinterher hinken“ und deshalb keinen Beschleunigungsbeitrag leisten können. Somit hängt die explosiv-ballistische Leistung eines Muskels vom Anteil der Typ-IIB-Fasern ab. Unterschiedliche zeitliche Rekrutierung der Fasertypen hat nur einen minimalen Einfluss auf die Beschleunigungsleistung. Detaillierter Bericht (pdf-Datei)

 


2.4b.  Abhängigkeit  der erzeugten Bewegungsgeschwindigkeit von der maximalen Muskel-Verkürzungsgeschwindigkeit, der maximalen isometrischen Kontraktionskraft, dem Trägheitsmoment der Last  und der „Anfangskraft“

Ein wesentlicher Faktor zur Erzeugung hoher Bewegungsgeschwindigkeiten durch den menschlichen Bewegungsapparat sowohl im Laufe der Alltagsmotorik, als auch bei sportmotorischen Aktionen ist die begrenzte maximale Verkürzungsgeschwindigkeit der Muskelfasern. Dies soll anhand eines Modells einer explosiv-ballistischen Gliedmaßenbewegung in Form einer Schlagbewegung mit einem Sportgerät (Tennisschläger) demonstriert werden. Das Modell ist reduziert
–  auf eine starre Gliedmaße mit den metrischen Dimensionen und den Masseverteilungen eines Armes + Tennisschläger,
–  auf eine Drehbewegung um ein Gelenk in horizontaler Bewegungsebene um einen Bewegungswinkel von 75°,
–  auf nur einen agierenden Muskel mit den anatomischen und physiologischen Kennwerten des Brustmuskels und
–  auf nur einen Muskelfasertyp (IIX).
– (weitere Faktoren wie insbesondere die Elastizität des Muskel-Sehnen-Komplexes, die verfügbaren Energiereserven u.a.  können nicht berücksichtigt werden)

 In einer Zeitspanne von 0,5 s ab Bewegungsstart wird in Schritten von 0,0025 s berechnet, welche Endgeschwindigkeit im distalen Punkt des Systems erzeugt wird, nach dem Überstreichen welchen Winkels die Maximalgeschwindigkeit erreicht  und welche Zeitspanne dazu benötigt wird.   Das Modell erlaubt, in vorgegebenen Grenzen das Schlägergewicht, die Muskelmaximalkraft und eine von Null abweichende Anfangskraft (zur Simulierung einer Ausholbewegung) abzuändern, um deren Einfluss auf die erreichte Endgeschwindigkeit zu testen. Weitere Erläuterungen sind dem Modell „Schlagarm Tennis“ zu entnehmen.   

Das Ergebnis der Berechnung der eingegebenen Daten werden in einem Diagramm sichtbar gemacht sowie in einer Ergebnistabelle wiedergegeben (Beispiel s. unten stehend).tab.tenn 

 

 

 

 

Die Ergebnisse des Modells stützen die alltägliche Erfahrung, dass zum Erzielen maximaler sportmotorischen Leistungen z.B. in den Wurfdisziplinen, aber auch in Ballsportarten mit einem Schlaggerät  (Tennis) aufgrund der begrenzten Verkürzungsgeschwindigkeiten auch der schnellsten Muskelfasern sich die notwendige Bewegungsgeschwindigkeit kaum durch eine isolierte Teilaktion erreichen lässt, sondern nur durch eine simultane oder sukzessive Addition von Teilimpulsen, die in mehreren Gelenksystemen erzeugt werden können. So addieren sich im Kugelstoßen die Impulse der Streckung des Stoßbeines, des Vordrehens der Stoßseitenhüfte und der Stoßseitenschulter so wie des Ausstoßens des Stoßarmes. Da sich die Impulse von Körperabschnitten mit großen Massen (Unterkörper > Oberkörper)  schrittweise auf Körpermassen mit kleinern Massen (Arm > Sportgerät) übertragen, müssen im gleichen Verhältnis wie die Abnahme der Massen die Geschwindigkeiten ansteigen. Dies erfolgt  u.a. gemäß einem Peitscheneffekt, der sich insbesondere beim Speerwurf beobachten lässt und im Tennissport  im Besonderen  in Form der „Vorhandpeitsche“ ausgenutzt wird. (Näheres dazu z.B. bei www.tennisanalyse.de. )

 

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