Biomechanik

Ein Beitrag von Markus Feltens

Mit „biomechanischem Wissen“ die Technik weiterentwickeln

1] Eine kurze sportwissenschaftliche Einführung in die Biomechanik
Die Biomechanik der Sportarten ist neben weiteren Wissenschaften wie zum Beispiel Sportpsychologie, Sportpädagogik oder Sportsoziologie eine eigenständige, der allgemeinen Sportwissenschaft untergeordnete Wissenschaft. Sie ist zudem als Subdisziplin der Sportmedizin einzuordnen.
Biomechanik ist die „Wissenschaft von der mechanischen Beschreibung und Erklärung der Erscheinungen und Ursachen von Bewegungen unter Zugrundelegung der Bedingungen des Organismus.“ (WILLIMCZIK 1989, 15) Dabei ist die Biomechanik nicht zu verwechseln mit der Sportmechanik. Sie stellt eine Spezifizierung der Sportmechanik dar, bei der zusätzlich die biologischen Voraussetzungen des Sportlers mit einbezogen werden.
Die Mechanik
In der Mechanik geht es um die Bewegungen von Körpern und Kräften, die Bewegungen verursachen oder miteinander im Gleichgewicht stehen. Sie wird in die beiden Teilgebiete Kinematik und Dynamik unterteilt.

Dabei befasst sich die Kinematik mit der räumlich-zeitlichen Charakterisik, wohingegen sich die Dynamik auf die Wirkung von Kräften bezieht. Die Dynamik lässt sich zusätzlich in Statik und Kinetik aufteilen. Die Statik geht auf die Bedingungen ein, unter denen Kräfte miteinander im Gleichgewicht stehen. Im Gegensatz dazu beschäftigt sich die Kinetik mit der Bestimmung von Bewegungen, die von bestimmten Kräften hervorgerufen werden. (vgl. WILLIMCZIK 1989, 58)
Kinematik
Beim Vorhand Topspin im Tischtennis spielt vor allem die Kinematik eine Rolle. In der Kinematik werden Bewegungen als Ortsveränderungen von Körpern in Raum und Zeit aufgefasst. (vgl. WICK 2013, 32)
In Bezug auf die räumliche Charakteristik wird zwischen zwei Bewegungsarten unterschieden. Die eine Bewegungsart nennt sich Translation. Hierbei handelt es sich um fortschreitende Bewegung, wenn sich also ein Körper auf einer geraden Linie oder einer beliebig gekrümmten Kurve bewegt. Dabei müssen jedoch alle Punkte des Körpers auf parallel zueinander laufenden Bahnen bleiben, was sehr selten vorkommt.
Die zweite Bewegungsart nennt sich Rotation. Hiermit sind Drehbewegungen gemeint. Alle Punkte des Körpers beschreiben konzentrische Kreise um den Drehpunkt. Der Drehpunkt kann dabei sowohl innerhalb, als auch außerhalb des Körpers liegen. Auch Rotation alleine kommt sehr selten vor. Fast alle menschlichen Körperbewegungen sind Kombinationen aus Translation und Rotation. (vgl. WICK 2013, 32)
In Bezug auf die zeitliche Komponente der Kinematik kann zwischen gleichförmigen (konstanten) und ungleichförmigen (variablen) Bewegungen unterschieden werden. Bei gleichförmigen Bewegungen ist die Geschwindigkeit (v) konstant, in gleichen Zeiten werden also gleich Strecken zurückgelegt. Bei ungleichförmigen Bewegungen ist die Geschwindigkeit je nach Zeit unterschiedlich. Das bedeutet, dass eine Beschleunigung (a) erfolgt.
Daher wird auch nach einer gleichmäßig beschleunigten (a ist konstant) und einer ungleichmäßig (a ist variabel) beschleunigten Bewegung differenziert. (vgl. WICK 2013, 34)
Geschwindigkeit und Beschleunigung
Der Unterschied zwischen Geschwindigkeit und Beschleunigung besteht darin, dass Beschleunigung eine Geschwindigkeitszunahme meint. So errechnet sich die Geschwindigkeit aus der Formel zurückgelegter Weg pro benötigte Zeit. Die Beschleunigung errechnet sich aus der Formel Geschwindigkeitsveränderung pro Zeit. (vgl. WICK 2013, 35)

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Nach dieser kurzen theoretischen Einführung  folgt nun eine Technikbeschreibung vom Vorhandtopspin, um anschließend an diesem Beispiel biomechanische Gesetze anzuwenden / darzustellen.

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2] Technikbeschreibung Vorhand-Topspin
Ausgangsstellung

Die Füße stehen schräg zur Grundlinie und das Bein der Schlagarmseite ist hinten. Man spricht von einer geöffneten Position. Die Zehenspitzen zeigen leicht schräg nach vorne zur Schlagarmseite. Der Blick ist nach vorne auf den kommenden Ball gerichtet. Die Knie sind gebeugt und der Körperschwerpunkt liegt durch die leichte Oberkörpervorlage auf  Bauchnabelhöhe leicht vor dem Körper. Das Körpergewicht wird auf das Bein der Schlagarmseite verlagert und liegt hauptsächlich auf den Fußballen. (vgl. DEUTSCHER TISCHTENNIS-BUND 2007, 15)

Die Schlagarmseite (Hüfte, Oberkörper, Schulter) wird nach hinten rotiert. Zur Unterstützung der Gewichtsverlagerung wird die Schulter der Schlagarmseite leicht abgesenkt.

Der Schläger wird durch Strecken des Unterarms nach hinten unten geführt. Dabei ist der Schläger leicht geschlossen. Der Körper schwenkt wird deutlich abgesenkt, das Gewicht liegt jetzt noch mehr auf den Fußballen. (DEUTSCHER TISCHTENNIS-BUND 2007, 20)

In der Schlagphase erfolgt eine Gewichtsverlagerung von der Schlagarmseite auf die andere Körperhälfte.

Sie wird eingeleitet durch ein Eindrehen der Fußgelenke nach vorne. Knie und Hüfte drehen im Anschluss ebenfalls nach vorne, gefolgt von einer aktiven Rumpfrotation. (vgl. DEUTSCHER TISCHTENNIS-BUND 2007, 21)
Im Zuge der Rumpfdrehung dreht auch die Schulter der Schlagarmseite nach vorne, sodass auch Schläger und Unterarm nach vorne beschleunigt werden. Der größte Impuls erfolgt durch eine Beugung im Ellenbogengelenk explosiv nach vorne oben beschleunigt.

Das Handgelenk unterstützt diesen Impuls indem es die Bewegung des Unterams leicht mitführt. So wird letztendlich auch der Schläger auf der Ebene der Unterarmbewegung mitgeführt. Der Ball wird tangential am höchsten Punkt der Flugbahn seitlich auf der Schlagarmseite leicht vor dem Körper getroffen. (vgl. DEUTSCHER TISCHTENNIS-BUND 2007, 21)

 

Ausschwungphase
In der Ausschwungphase liegt das Körpergewicht auf dem Bein der Schlagarm fernen Seite.

Die Schulter und Hüfte der Schlagarmseite drehen weiter nach vorne bis der Rumpf  parallel zur Grundlinie steht. Der Unterarm wird angewinkelt bis der Schläger in Stirnhöhe ausschwingt. Der Ellenbogen befindet sich am Ende der Schlagbewegung in Schulterhöhe. (vgl. DEUTSCHER TISCHTENNIS-BUND 2007, 25)

Im Anschluss werden die wichtigsten biomechanischen Gesetze anhand des Vorhand-Topspins dargestellt.

3] Biomechanische Prinzipien Prinzip der kinematische Kette
Das hohe Anforderungsniveau beim Erlernen des Vorhand Topspins wird besonders anhand des biomechanischen Prinzips der konematischen Kette deutlich. Das Ziel eines Topspins ist es, dem Ball möglichst viel Rotation und Geschwindigkeit mit auf den Weg zu geben. Daher sollte die Hand der Schlagarmseite im Moment des Balltreffpunktes eine maximale Geschwindigkeit erreichen.

Diese maximale Geschwindigkeit der Hand erreicht man nur durch eine präzise abgestimmte Gesamtkörperbewegung, beginnend beim schlägerfernen Körperteil, dem Fuß, endend am schlägernahen Körperteil, der Hand. Die Bewegung wird eingeleitet durch eine Rotation im Fußgelenk (1). Nach maximaler Beschleunigung wird die Drehung abrupt abgestoppt und gleichzeitig die Drehung des „nächstschlägernäheren“ Körperteils (Knie) eingeleitet (2).
Durch das abrupte Abstoppen wird ein Impuls auf das Knie übertragen, der im Laufe der Gesamtkörperbewegung von Körperteil zu Körperteil (Hüfte 3, Schulter 4, Unterarm 5) immer weiter intensiviert wird und schließlich zu einer maximalen Geschwindigkeit im Handgelenk (6) führt. Dieses Phänomen wird auch das Prinzip der kinematischen Kette oder Prinzip der zeitlichen Koordination von Einzelimpulsen genannt. (vgl. TISCHTENNIS VERBAND RHEINLAND 2007, 17)
Prinzip des optimalen Beschleunigungsweges
Grundsätzlich ist die Endgeschwindigkeit bei einer relativ kurzen Bewegung wie einer Schlagtechnik im Tischtennis zunehmend größer, je länger der Beschleunigungsweg ist. Schließlich hat der Schlagarm bei einer längeren Ausholphase mehr Zeit, um zu beschleunigen.
Allerdings ist die Zeit im Tischtennis immer begrenzt. Vom Treffpunkt des Balles des Gegners bis zum eigenen Balltreffpunkt ist meistens nicht einmal eine Sekunde zur Verfügung. Während dieses Zeitfensters ist zudem nicht nur die Ausholbewegung auszuführen. Der Spieler benötigt zuerst noch Zeit, um die Flugbahn des ankommenden Balles einzuschätzen, eine Entscheidung bezüglich der folgenden Schlagbewegung zu treffen, sich mit Sprüngen zum Ball zu stellen usw.
Daher sollte die Ausholbewegung möglichst effektiv sein. Effektiv bedeutet, dass sie situationsangemessen kontrolliert verkürzt werden kann, ohne ihre beschleunigende Funktion zu vernachlässigen. Wichtiger als die Beschleunigungslänge ist daher der Beschleunigungsweg. Die Armbewegung sollte möglichst zielgerichtet verlaufen.

Damit ist gemeint, dass eine ökonomische Bewegung notwendig ist, bei der Teilbewegungen, die nicht der Beschleunigung des Schlägers dienen, möglichst einzuschränken sind.
Da die Flugkurve des Balles nach vorne beginnen soll, sollte auch der Schläger nach vorne oben geführt werden. Am ökonomischsten ist daher eine möglichst geradlinige Bewegung des Schlägers. Diese Bewegungsrichtung nach vorne oben wird auch die „gerade Ebene“ genannt.
Sie ist in der Abbildung durch den Richtungspfeil dargestellt. Neben der Ökonomie sprechen außerdem folgende Aspekte für eine gerade Ebene:
1. maximale Beschleunigung
2. Zeitdruck
3. Unterstützung der kinematischen Kette
4. Unabhängigkeit vom Balltreffpunkt
Eine maximale Beschleunigung erreichnet man nur dann, wenn allle verfügbar Kraft in die gleiche Bewegungsrichtung übertragen wird. Durch die gerade Ebene ist dies gewährleistet.
Außerdem ist eine geradlinige Bewegung in deutlich kürzere Zeit ausführbar als beispielsweise eine wellenförmige Bewegung. Da man im Tischtennis fortwährend unter Zeitdruck steht, hat man bei einer geradlinigen Bewegung bei einem ankommenden Ball eine gute Chance, die Schlagtechnik kontrolliert ausführen zu können.
Des weiteren kann durch die gerade Ebene die Impulsübertragung der kinematischen Kette optimal genutzt werden. Schließlich führen alle Bewegungen der kinematischen Kette von den Füßen bis zum Schläger ebenfalls in die Bewegungsrichtung nach vorne oben. Bei einer wellenförmigen Armbewegung könnte die Impulsübertragung gestört werden, da nicht alle Impulse in die exakt gleiche Bewegungsrichtung verlaufen würden.
Eine Vorhandtopspintechnik, die auf der geraden Ebene verläuft, hat nicht nur das Potenzial, maximal beschleunigt werden zu können. Außerdem ist die Technik deutlich weniger fehleranfällig. Im Spiel kann der Vorhandtopspin mit einer geradlinigen Beweung meist sicherer auf den Tisch gespielt werden.
Dies hängt hauptsächlich damit zusammen, dass der Balltreffpunkt in jeder Phase der Bewegung mit dem gleichen tangentialen Winkel zum Ball getroffen werden kann.

In den Abbildungen 9+10 wird deutlich, dass eine gewölbte oder wellenförmige Schlagbewegung fehleranfälliger ist als eine Bewegung in der geraden Ebene. Schließlich ist der entscheidende Moment der Schlagbewegung der Balltreffpunkt. Bei einer gewölbten oder wellenförmigen Schlagbewegung ist die Schlägerneigung abhängig von der Phase (z.B. Phase 1,2 oder 3 in der Abbildung), in der der Ball getroffen wird. Somit ist eine ungeradlinige Bewegung darauf angewiesen, dass sich der Spieler richtig zum Ball stellt und die Flugbahn des ankommenden Balles genau einschätzt.
Grundsätzlich gilt daher auch, dass die Geradlinigkeit in einer bestimmten Phase der Schlagbewegung umso wichtiger ist, je näher diese Schlagphase am Moment des Balltreffpunktes liegt. Denn im Moment des Balltreffpunktes ist es besonders wichtig, die richtige Schlägerneigung zu haben, da in diesem Moment dem Ball der entscheidende Impuls mitgegeben wird. Je weiter die Abweichung von der geraden Ebene vom Moment des Balltreffpunkts entfernt ist, desto mehr Zeit hat der Spieler noch die Schlägerneigung bis zum Balltreffpunkt zu korrigieren. (vgl. TISCHTENNIS VERBAND RHEINLAND 2007, 18)
Prinzip der erhöhten Anfangskraft
Beim Prinzip der erhöhten Anfangskraft wird die Reaktivkraft genutzt, um eine möglichst maximale Beschleunigung zu erzielen. Dazu ist eine exakte zeitliche Koordination erforderlich.

In der Ausholphase (Abbildung 11) arbeiten hauptsächlich die Armstrecker. Die Armbeuger, die letztendlich den Schläger nach vorne beschleunigen sollen, kontrahieren in dieser Phase nur exzentrisch.

Der entscheidende Moment für das Erreichen einer erhöhten Anfangskraft ist in Abbildung 12 dargestellt. Beim Wechsel von der Rückwärts- in die Vorwärtsbewegung des Armes müssen die Armbeuger den Schwung der Rückwärtsbewegung abbremsen.

Hier werden die Armbeuger bei einer kurzen isometrischen Kontraktion aktiviert. Durch diese kurzzeitige Abbremsarbeit entsteht ein erhöhtes Ausgangskraftpotential. Durch die vorherige Aktivierung können die Armbeuger in der Schlagphase schneller beschleunigen, so dass im Moment des Balltreffpunktes (Abb. 13) eine höhere Geschwindigkeit des Schlägers erreicht werden kann. Dementsprechend wird auch der Ball eine höhere Geschwindigkeit erreichen.

Wichtig für das Gelingen dieses Prinzips ist die zeitliche Komponente. Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Armes müssen nahtlos ineinander übergehen. Entsteht eine Pause zwischen Vorwärts-und Rückwärtsbewegung, geht die Spannung in den Armbeugern verloren. Daher kommt es für den Sportler darauf an, die Ausholbewegung im richtigen Moment zu beginnen. Es gilt die Bewegung so einzuschätzen, dass die Ausholphase direkt in die Schlagphase übergeht, ohne dabei die Ausholbewegung zu verkürzen. (vgl. TISCHTENNIS VERBAND RHEINLAND 2007, 19)
Fazit
Diese Arbeit zeigt deutlich, dass das Erlernen der Vorhand Topspin Technik ein hohes Anforderungsniveau für Spieler darstellt. Die biomechanischen Prinzipien zum Erlernen des Vorhand Topspins sind sehr komplex. Es benötigt viel Zeit, bis Spieler die entsprechenden Bewegungsabläufe verinnerlicht haben.
Weil der Vorhand-Topspin der wichtigste Schlag im Tischtennis ist, hat die gute und geduldige Vermittlung der biomechanischen Prinzipien der kinematischen Kette, des optimalen Beschleunigungsweges und der erhöhten Anfangskraft des Trainers einen großen Einfluss auf die sportliche Entwicklung des Schülers. Nur wenn eine gute Grundlage beim Erlernen des Vorhand Topspins gelegt wird und vom Trainer genau beobachtet wird, ob der Spieler die biomechanischen Prinzipien in seiner Schlagbewegung umsetzt, hat dieser in der Zukunft bei anstehenden Wettkämpfen Aussicht auf Erfolg.

Der Autor:
Markus Feltens
C-Lizenz-Trainer
» Sportstudent an der
Universität Koblenz
» Verbandsoberliga-Spieler beim TTC
Mülheim-Urmitz/Bhf.

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Praxisbox: Übungen für den Trainingsalltag!
Übungen zur Schulung der kinematischen Kette
» Belagschleudern
Zur Schulung der kinematischen Kette eignet sich die Übung „Belagschleudern“. Die Schüler sollen die Ausgangsstellung wie beim Vorhand Topspin einnehmen und aus dieser Standposition heraus mit einer Topspin ähnlichen Bewegung einen Belag möglichst weit wegschleudern. Diese Übung schult die kinematische Kette, da bei einem Wurf grundsätzlich eine maximale Endgeschwindigkeit gefragt ist und diese nur durch eine Impulsübertragung vom Fuß bis zur Hand erreicht werden kann. Hierbei sollte darauf geachtet werden, dass die Wurftechnik nicht zu stark von der Vorhand Topspin Bewegung abweicht. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass beim Wurf die Beugung im Ellenbogengelenk vernachlässigt wird. Daher sollte diese Übung erst dann eingesetzt werden, wenn die Grobtechnik des Vorhand Topspins bereits verinnerlicht und automatisiert ist. Die Übung sollte nur kurz zur Unterstützung der kinematischen Kette eingeschoben werden. (vgl. TISCHTENNIS VERBAND RHEINLAND 2007, 152)
» Balleimerübung Gewichtsverlagerung
Danach sollte eine Übung folgen, die die erlernte Bewegung aufgreift und in spielnäherer Form eingesetzt werden kann. Dazu eignet sich am besten ein Balleimertraining. Der Trainer spielt dem Schüler immer nur einen Ball ein, den der Schüler mit einem Vorhand Topspin zurückspielen soll. Dabei soll der Schüler die Bewegung aus der Übung „Belagschleudern“ im Hinterkopf haben und den Topspin mit einer möglichst starken Körperrotation unterstützen. Diese darf anfangs auch übertrieben gezeigt werden, um sie nach und nach kontrolliert in die Schlagbewegung integrieren zu können. Hilfreich ist bei dieser Übung den Topspin aus der Rückhandseite diagonal zu spielen (Abbildung 11). So ist der Schüler gezwungen eine geöffnetere Ausgangsstellung einzunehmen und dementsprechend den eigenen Körper durch eine starke Rotationsbewegung einzusetzen. (vgl. TISCHTENNIS VERBAND RHEINLAND 2007, 149)
Übungen zur Schulung des optimalen Beschleunigungsweges
» Banktopspin
Die gerade Ebene kann durch die Übung „Banktopspin“ gefördert werden. Der Schüler nimmt die Ausgangsstellung des Vorhand Topspin ein. Er führt die Armbewegung der Schlagphase aus und streift dabei einen Ball, der sich der Rille einer Bank befindet.
Der Ball soll entlang der Bank nach oben geführt werden. Dazu muss der Schlägerwinkel beibehalten werden. Der Schüler soll sich bewusst auf die Armbewegung konzentrieren. Dazu ist es hilfreich die Bewegung bei den ersten Wiederholungen sehr langsam auszuführen und zwischen den Wiederholungen immer wieder Pausen einzulegen.
Problematisch bei dieser Übung ist, dass sie für Grundschüler oft sehr langweilig ist. Bei dieser Übung geht es rein um die Verinnerlichung der Bewegung. Daher sollte der Lehrer seinem Schüler eine genaue Wiederholungszahl vorgeben. Dadurch ist der Schüler motivierter und konzentriert sich besser auf die Übung. Außerdem ist es aus dem gleichen Grund sinnvoll, den Schüler diese Übung nur kurz ausführen zu lassen, dafür aber immer mal wieder als Übung einzuschieben. Dazu eignen sich vor allem die Pausen während des Balleimertrainings. Nur wenn diese Übung oftmals wiederholt wird, kann der Schüler die Bewegung in der geraden Ebene automatisieren und auch in spielnahen Situationen anwenden.
Auch bei dieser Übung sollte eine Anschlussübung folgen, die die ausgeführte Bewegung aufgreift und zum Spiel am Tisch hinführt. (vgl. FÜRSTE 2013, 34)
» Balleimerübung Kappen-Topspin
Auch bei der Übung zum Erlernen des optimalen Beschleunigungsweges ist als Organisationsform wiederum das Balleimertraining sinnvoll. Bei dieser Übung bekommt der Schüler eine Kappe aufgesetzt und ein kleiner Kasten wird neben ihm postiert. Der Schüler soll die Bewegung bewusst auf dem Kastenoberteil beginnen und den Schläger mit einer geradliningen Bewegung zur Kappenspitze führen. Dabei sollte der Schüler immer wieder an die Übung „Banktopspin“ erinnert werden, um eine Verbindung zur isoliert ausgeführten Bewegung herzustellen. So kann die gerade Ebene automatisiert werden.
» Balleimerübung Spinnrad
Soweit vorhanden kann vor dem Balleimertraining das Spinnrad eingesetzt werden (Abbildung 16). Das Spinnrad hat den Vorteil, dass der Schüler selbst sehen kann, wie viel Rotation er dem Rad verleiht. Außerdem hat das Spinnrad einen längeren Kontakt mit dem Schläger als ein Ball, sodass das Streifen des Balles bzw. Rades deutlicher gespürt werden kann. Dies soll die Rotation des Topspins verbessern. Die Bewegung sollte dabei genau wie bei der Übung „Banktopspin“ und auch bei der nachfolgenden, schon erläuterten Balleimerübung, ausgeführt werden. Nur so kann der Schüler die Bewegung automatisieren. (vgl. FÜRSTE 2013, 32)
Übungen zur Schulung der erhöhten Anfangskraft
» Balleimerübung Frequenzvariation
Entscheidend für die Nutzung der erhöhten Anfangskraft ist die optimale zeitliche Koordination. Die Herausforderung für den Grundschüler besteht darin, genau einschätzen zu können, wie lange der ankommende Ball noch bis zum Balltreffpunkt unterwegs ist. Dem entsprechend muss er die richtige Länge seines Beschleunigungsweges auswählen und zum richtigen Moment mit der Ausholbewegung beginnen.
Daher ist eine Balleimerübung sinnvoll, bei der der Schüler nicht weiß, wie viel Zeit er für die Ausführung der Vorhand Topspin Schlagtechnik hat. Deshalb sollte der Lehrer beim Einspielen der Bälle die Frequenz variieren. So bekommt der Schüler mit jedem Schlag ein besseres Gespür dafür, wann er mit der Ausholbewegung zu beginnen hat.
Bei Fortgeschrittenen kann die Platzierung und das Tempo der eingespielten Bälle variiert werden. So lernt der Spieler die Flugbahn des Balles und dem entsprechend die zur Verfügung stehende Zeit anhand verschiedener Faktoren einzuschätzen. (vgl. TISCHTENNIS VERBAND RHEINLAND 2007, 165)

Literaturverzeichnis
DEUTSCHER TISCHTENNIS-BUND: Tischtennis Lehrplanreihe. Schlag- und Beinarbeitstechniken. Schimmel Satz & Graphik GmbH Co KG, Würzburg³ 2007
FÜRSTE, F.: Topspin – leicht gemacht. In: Dts 35 (2003), 11, 32-35
TISCHTENNIS VERBAND RHEINLAND: Skript zur Tischtennis C-Übungsleiterlizenz. Koblenz 2007
WICK, D.: Biomechanik im Sport. Lehrbuch der biomechanischen Grundlagen sportlicher Bewegungen. Spitta, Balingen³ 2013
WILLIMCZIK, K.: Biomechanik der Sportarten. Rowohlt, Reinbek 1989
WILLIMCZIK, K./ROTH, K.: Bewegungslehre. Rowohlt, Reinbek 1983