Der biomechanische Zusammenhang zwischen Gangbild und Sprintleistung wurde bei einem Skeletonathleten der Eliteklasse untersucht. Der Athlet, bei dem Defizite in der Anschubleistung beim Sprintstart festgestellt wurden, zeigte bei Zeitlupenaufnahmen des Startvorgangs ein Ausrotieren der rechten Ferse. Als experimentelle Plattform zur weiteren Analyse diente eine hochauflösende Druckmessplatte.
Mit zusätzlichen Videoanalysen konnte ein ganzheitliches Bild der biomechanischen Vorgänge erhalten werden. Die Ganganalysen förderten signifikante Unterschiede in der Druckverteilung zwischen linkem und rechtem Fuß zu Tage. Zudem wurde deutlich, dass als Folge des Ausrotierens der große Zeh nahezu keinen Kontakt mit dem Untergrund eingeht, was zu fehlender Kraftentwicklung führt. Als Reaktion auf Video- und Druckmessplattenuntersuchungen wurde eine Anpassung des Schuhs vorgenommen und das Trainingsprogramm daraufhin abgestimmt. Die Zunahme der Startgeschwindigkeit war danach sehr beeindruckend.
Der Start im Skeletonsport ist nicht nur ein Auftakt, sondern eine messbare Determinante der Gesamtzeit: Ein Zehntel Vorsprung oder Rückstand verdreifacht sich im Ziel. Startet man beispielsweise auf der Bobbahn Winterberg in 4,99 s statt 5,00 s, kommen im Ziel drei Zehntel Laufzeit hinzu, was bei der sehr starken internationalen Konkurrenz siegentscheidend ist. Anders als in der Leichtathletik [1-5] gibt es im Kufensport (Bob und Skeleton) kaum wissenschaftliche Analysen zum Sprint und zu Asymmetrien beim Sprint.
Während der Saisonvorbereitung fiel dem Trainer auf, dass sein Athlet beim Sprint über die Fußaußenseite abrollt. Eine solche Fehlstellung beeinträchtigt die Kraftübertragung deutlich. Statt die Antriebskraft über den großen Zeh in den Untergrund zu leiten, „versickert“ ein Teil der Energie lateral. Im Training äußerte sich dies in einem subjektiven Verlust an Beschleunigungsintensität und in objektiven Zeitverlusten im Bereich von mehreren Hundertstelsekunden.
Test Setup
Zur Stand- und Ganganalyse kam eine 2 m lange und 60 cm breite Druckmessplatte (molibso dyneos 2) zum Einsatz, in deren Oberfläche 15.360 kapazitive Kraftsensoren integriert sind. Die Kräfte werden in Echtzeit ausgelesen und dem Bediener auf dem Bildschirm als präzise Druckinformationen präsentiert. Nach nur 10 Sekunden ist die Messung abgeschlossen, und ein umfassendes Bild mit bis zu 64 Einzelparametern der biomechanischen Abläufe während des Gehens liegt vor.
Ein besonderer Einzelparameter, der Verlauf des Center of Pressure (CoP), wird als Abrolllinie dargestellt, wobei der ideale Verlauf von der Mitte der Ferse über die Mitte des Vorfußes bis hin zum Abdruck durch die Großzehe reicht, siehe Abbildung. Diese Abrolllinie ist von zentraler Bedeutung, um die Gangbewegung präzise zu verstehen. Anhand der Belastungslinie können Unsicherheiten während der Standphase sowie Unregelmäßigkeiten im rechts-links-Vergleich aufgedeckt werden.
Die Ganganalyse ermöglicht die Bewertung entscheidender Indikatoren für das Gehen und Laufen, darunter die Neigung zum Vorfuß-, Mittelfuß oder Fersenlaufen. Zudem werden die Fortbewegungsmuster als Neutralfußläufer, Supinierer oder Überpronierer kategorisiert. Diese präzisen Messungen wurden auch durchgeführt, um das Abrollverhalten und die Gangstabilität des Athleten zu untersuchen.
Derartige Platten sind seit zehn Jahren im Einsatz. Mit mehr als 70 Systemen weltweit und jährlich mehr als 100.000 Analysen liegt ein so großer Datenvorrat vor, dass der Einsatz von Algorithmen der Künstlichen Intelligenz (KI) sinnvoll wird, um Muster oder Abweichungen im Gangbild zu erkennen. Durch KI entstehen Möglichkeiten, die weit über herkömmliche Analysen per Auge oder Expertenmeinung hinausgehen. Dadurch können individuelle Empfehlungen für die Optimierung des Gehens oder die Anpassung von orthopädischen Hilfsmitteln abgeleitet werden.
Stand- und Ganganalyse
Zu Beginn der Messung erfolgte eine Standanalyse. Durch die sehr hohe Auflösung der Druckmessplatte wurden im Trittbereich ca 1.200 Sensoren angesprochen. Somit konnten auch Details, wie z.B. das Druckbild einzelner Zehen, aufgelöst werden. Bei der folgenden Ganganalyse wurde der Proband mehrfach über die Platte geschickt. Alle hinterlassenen Druckbilder wurden gemittelt und sind in der Abbildung rechts dargestellt. Im Bild ist der Weg des Massenschwerpunkts des Probanden zu erkennen. Je breiter die einzelnen Ganglinien streuen, desto unruhiger ist der Lauf über die Platte.
Es zeigte sich, dass bereits die Standposition nach links auf die Ferse verlagert ist, was an der intensiveren Belastung der linken Ferse ablesbar ist. Hinzu kommt die moderate Tendenz zu einem hohen Fußgewölbe auf beiden Seiten und so gut wie kein Zehenkontakt. In der Dynamik verläuft die gemittelte Ganglinie bei beiden Füßen nicht bis zu den Zehenspitzen. Die Hauptlast wird vom Ballen getragen und eine intensive Abstoß- oder Abdruckbewegung über die Großzehen ist nicht erkennbar. Zudem wurde eine Neigung zum Spreizfuß beidseitig sichtbar, die wiederum eine Verlangsamung der Abrollbewegung hervorrufen kann. Die Unsicherheit beim Abrollen wurde besonders rechts beobachtet, so dass die Vortriebskraft zum Teil zur Seite abgelenkt wird. Deutlich wird dies durch das Auffächern der einzelnen Ganglinien im Ballenbereich. Für einen Athleten fällt die insgesamt geringe Kraftübertragung in den Untergrund auf.
Anpassung der Laufschuhe
Als erste Maßnahme erfolgte die Anpassung der Laufschuhe. Im Bob- und Skeletonsport sind die Laufschuhe (auch Spikes genannt) ein entscheidendes Ausrüstungsteil, das speziell für den Sprintstart entwickelt wurde. Ihr Aufbau unterscheidet sich deutlich von herkömmlichen Laufschuhen und ist optimal auf den kurzen, explosiven Antritt auf Eis abgestimmt. Das Obermaterial ist leicht und eng anliegend und häufig aus synthetischen Materialien oder Kunstleder gefertigt. Es bietet seitliche Unterstützung, um dem Fuß Halt zu geben. Die Sohle ist zur optimalen Kraftübertragung im Mittelfuß steif. Sie ist flach und dünn, um ein direktes Bodengefühl auf dem Eis zu gewährleisten und eine hochdynamische Laufbewegung zu ermöglichen. Zum Abdruck auf dem Eis sind in die Schuhe sehr feine Metallspitzen eingelassen, meistens 250 bis 300 pro Schuh.
Auf Grundlage der erhobenen Daten wurde eine passgenaue Einlage angefertigt, die speziell auf den Skeletonsprintspike abgestimmt ist. Sie besteht aus einem flexiblen, aber formstabilen Kern, um die medialen Fußpartien gezielt aufzurichten, und einer dynamisch geschnittenen Druckzone unter dem Großzehenballen. Durch die exakte Einbettung in die Innenform der Spike-Sohle entstand eine optimierte Kraftlinie von der Abstoßposition bis über die Zehen.
Trainingsanpassung
Gemeinsam mit dem Physiotherapeuten des Athleten wurde ein spezieller Trainingsplan bereits vor den biomechanischen Tests entwickelt und genutzt. Die sehr intuitiven Ergebnisse der Druckmessplattenuntersuchungen wirkten auf diese Intervention wie ein Katalysator. Durch biomechanisch korrekte Abrollbewegungen wurde ein deutlich ökonomischeres Sprintmuster erlangt, wodurch auch Verletzungsrisiken – insbesondere an Fuß- und Sprunggelenk – deutlich verringert werden konnten. Parallel zur Technikoptimierung konnte durch spezifische Drills die Ferseninitiierung langfristig zugunsten eines Großzehen-Abrollens verringert werden, sodass selbst ohne Einlage das gewünschte Abrollmuster stärker ausgeprägt war. Bereits beim ersten Training mit den angepassten Einlagen bemerkte der Trainer eine deutliche Steigerung der Beschleunigung. Messdaten untermauerten diesen Eindruck: Die 30 m-Sprintzeit verkürzte sich um 0,05 s – 0,10 s.
Fazit
Mit optischen Mitteln nicht zu identifizierende Besonderheiten in der Sprintbewegung konnten durch hochauflösende und dynamische Druckmessplattentests aufgedeckt werden. Durch eine spezielle Schuh- und Trainingsanpassung konnten die vortriebskraftverringernden Einflüsse deutlich abgemildert werden. Die Nagelprobe findet statt, wenn der Athlet sich bei den nationalen Selektionsrennen beweisen muss
Literatur
[1] George Vagenas, & T. Blaine Hoshizaki (1986). Optimization of an Asymmetrical Motor Skill: Sprint Start. International Journal of Sport Biomechanics, 2(1), 29 – 40.
[2] Eikenberry, A., McAuliffe, J., Welsh, T., Zerpa, C., McPherson, M., & Newhouse, I. (2007). Starting with the „right“ foot minimizes sprint start time. Acta Psychol (Amst), 127(2), 495–500.
[3] T.A. Exell, M.J.R. Gittoes, G. Irwin, & D.G. Kerwin (2012). Gait asymmetry: Composite scores for mechanical analyses of sprint running. Journal of Biomechanics, 45(6), 1108-1111.
[4] Meyers, R., Oliver, J., Hughes, M., Lloyd, R., & Cronin, J. (2016). Asymmetry During Maximal Sprint Performance in 11- to 16-Year-Old Boys. Pediatr Exerc Sci, 29(1), 94–102.
[5] Valamatos, M., Abrantes, J., Carnide, F., Valamatos, M.J., & Monteiro, C. (2022). Biomechanical Performance Factors in the Track and Field Sprint Start: A Systematic Review. Int J Environ Res Public Health, 19(7).
Autoren
studierte Physik und Technik Elektronischer Bauelemente an der TH Ilmenau und an der TU Bratislava. Im Jahre 1992 promovierte er zu „Materialtransport in Leitbahnen der VLSI Technik“ an der TU Ilmenau. 2007 wurde er Leiter des Bereichs Mikro- und Nanotribologie des Fraunhofer Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg und 2009 Leiter und Sprecher des MikroTribologie Centrums μTC. Seit 2011 ist Matthias Scherge Leiter des Geschäftsfelds Tribologie des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM.
ist Gründer und Geschäftsführer der molibso Entwicklungs- und Vertriebs GmbH, Langenfeld.
