Energy Aspects Associated with Sport Shoes

Einleitung: Bei jedem Bodenkontakt eines Sportlers wird Energie vom Körper des Athleten über den Sportschuh auf den Untergrund übertragen. Dabei geht mit jedem Bodenkontakt Energie in Form von Reibung oder Deformation verloren. Sportschuhe sollten durch Ihre Konstruktion den Energietransfer zwischen Sportler und Untergrund optimieren. Dabei kann das „Optimum” sehr unterschiedlich definiert werden. Mögliche Ziele können Komfort, Prävention von Verletzungen oder best mögliche Sporttauglichkeit sein. Die vorliegende Arbeit analysiert zwei grundsätzliche Möglichkeiten des Energietransfer die Maximierung der Energierückgabe an den Sportler und die Minimierung des Energieverlusts. Beide Aspekte werden diskutiert und neue Konzepte zum Energietransfer des Sportschuhes werden vorgestellt. Prinzipien der Energieerhaltung: Energiebetrachtungen der menschlichen Bewegung sind extrem komplex: Sie müssen einerseits den Energieerhaltungssatz berücksichtigen, andererseits zwischen erhaltbarer und nichterhaltbarer Energie unterscheiden. Diese komplexen internen Kräfte werden im ersten Thermodynamischen Gesetz beschrieben (Abb. [1]). Die Gleichung beinhaltet die unterschiedlichsten Energieformen eines Systems. Eine Zunahme der gesamten Energie [U] muss dabei Zufuhr von Arbeit oder Wärme (Abb. [1]) bedeuten. Unter rein mechanischen Aspekten besagt das Energieerhaltungsgesetz, dass die Summe der äußeren kinetischen Energie und der inneren potentiellen und kinetischen Energie konstant ist, sofern innere und äußere Energie erhaltbar sind. Typische erhaltbare Kräfte sind z. B. die Schwerkraft, während z. B. Reibungskräfte oder Luftwiderstand zu den typischen nichterhaltbaren Kräften gehört, da ihre Energie in andere Energieformen z. B. Wärme umgewandelt wird. Energie bedeutet aber nichts anderes als die Fähigkeit Arbeit zu verrichten. In Bezug auf den Sportschuh kann nun entweder der Athlet oder der Sportschuh als interessierendes, geschlossenes System betrachtet werden: Je nach Sichtweise übt einmal der Sportler Kräfte auf den Schuh aus, bzw. im anderen Fall wirken Kräfte des Schuh auf den Sportler zurück. Maximierung der Energierückgabe: Die während des Laufens auf den Schuh ausgeübten Kräfte können durch Deformation, meist der Mittelsohle, in potentielle Energie umgewandelt werden. Man könnte sich vorstellen, diese gleichsam gespeicherte Energie unmittelbar während des Laufen an den Sportler zurückzugeben. Sinnvoll wäre dies nur, wenn diese Kräfte zum richtigen Zeitpunkt, mit einer geeigneten Richtung und Frequenz auf den Sportler zurückwirken. Ferner ist in Frage zu stellen, ob die Energierückgewinnung aus dem Sportschuh die reale sportliche Betätigung ausreichend und positiv beeinflusst. Nach Kenntnis der Autoren fehlt hierfür jede wissenschaftliche Grundlage. Die Tatsache, dass ein bestimmter Prozentsatz zurückgewonnener Energie als positiv bewertet wird ist rein willkürlich. Der Energieverbrauch eines Bodenkontaktes wird auf etwa 182 Joule geschätzt, hiervon können etwa 3-8% aus dem Schuhwerk an den Läufer zurückgegeben werden. Im Verhältnis hierzu ist z.B. allein die Achillessehne in der Lage 42 Joule aus einem Bodenkontakt zu speichern. Der Körperschwerpunkt bewegt sich während einer Schrittphase nicht nur auf- und abwärts, sondern auch nach vorn und hinten. Aus der Lage und der Bewegungsrichtung des Körperschwerpunktes (Abb. [1]) leiten sich die Zeiten und die Richtungen ab mit der eine Kraft vom Sportschuh zurückgegeben werden muss, um den Sportler sinnvoll zu unterstützen. In analoger Weise muss dem Wechsel zwischen Belastung und Entlastung, der von der Körpermasse des Athleten und der Steifigkeit des Schuhes beeinflusst wird, Rechnung getragen werden. Letztendlich muss auch die Kraft anatomisch an der richtigen Stelle einwirken. Für den normalen Bewegungsablauf sollte die Kraft deshalb während des Abhebens auf den Vorfuß einwirken. Damit kann die beim Auftreffen der Ferse gewonnene Energie in aller Regel nicht sinnvoll vom Sportler genutzt werden. Minimieren des Energieverlustes: Nach diesem Konzept soll möglichst wenig Energie des Sportlers verbraucht werden, die nicht unmittelbar der sportlichen Zielsetzung dient. So kann z.B. durch eine Minimierung des Luftwiderstandes mehr Energie für das Laufen selber verwendet werden. Dieses Konzept kann natürlich auch auf den Sportschuh angewandt werden. Ein typisches Beispiel ist die Masse, bzw. das Gewicht des Sportschuhs. Eine Steigerung der Masse um 100g verbraucht zusätzlich etwa 5 Joule pro Schritt, etwa 1% des gesamten Energieverbrauches. Auch die Dämpfung des Sportschuh hat Einfluss auf den Sauerstoff- bzw. Energieverbrauch. Durch das Dämpfen der Belastungsspitzen im Schuh muss der Sportler weniger Muskelkraft verwenden, um eine vergleichbare Dämpfung durch die Muskulatur zu erreichen. Basierend auf einem Resonanzkonzept konnten aktuelle experimentelle Studien [26] diese Minimierung des Energieverlustes durch Dämpfung unterstützen. In analoger Weise wird Energie verbraucht, um das Sprunggelenk muskulär zu stabilisieren oder den Schuh in seiner Mitte zu biegen. Auch diese Kräfte können durch Sportschuhe minimiert werden. Aufgrund der vorliegenden Studien und Überlegungen erscheint es nicht sinnvoll, das Konzept der Energierückgewinnung durch den Sportschuh weiter zu verfolgen. Wesentlich wirkungsvoller ist es, Energieverluste durch den Sportschuh zu minimieren und damit die sportliche Leistung zu optimieren.

Summary.

Sport shoes can have an influence on the energetics of human movement. The two main aspects where sport shoes can play a role are in maximizing the energy which is returned to the athlete and minimizing the energy which is lost by the athlete. Maximum values of energy storage in a shoe sole are on the order of 10 J. However, not all of this energy is returned to the athlete as shoe midsoles lose approximately 30 % of the energy input. Depending on the movement, energy return sometimes occurs at the wrong time, frequency, location and in the wrong direction which compromises the ultimate influence on improving performance. As a result, the actual influence that energy return has on performance is probably minimal. Examples of the strategy to minimize energy loss include (1) reducing the mass of the shoe, (2) using appropriate midsole materials which dissipate unwanted vibrations, (3) implementing constructions which improve the stability of the ankle joint and (4) increasing the bending stiffness of shoe midsoles which reduces the energy lost at the metatarso-phalangeal joint. Energy that has not been lost for tasks not directly related to the actual performance may be applied to the movement and may result in an increase of athletic performance. We propose that athletic footwear can have a much larger influence on performance by minimizing the energy which is lost as opposed to maximizing the energy which is returned.

Energieaspekte bei Sportschuhen.

Sportschuhe können die Energetik menschlicher Bewegungen beeinflussen. Die beiden hauptsächlichen Aspekte einer möglichen Einflussnahme von Sportschuhen auf den Leichtathleten sind eine Maximierung der an den Sportler zurückgegebenen Energie sowie eine Minimierung des Energieverlustes. Die Maximalwerte der Energiespeicherung einer Schuhsohle sind in der Größenordnung von 10 J. Diese wird jedoch nicht vollständig an den Sportler zurückgegeben, da der Energieverlust bei Schuhmittelsohlen etwa 30 % der empfangenen Energie beträgt. Je nach der erfolgten Bewegung kann es vorkommen, dass die Energierückgabe zur falschen Zeit, Frequenz, an der falschen Stelle und in der falschen Richtung erfolgt, wodurch der Endeffekt einer Leistungsverbesserung wieder relativiert wird. Letzten Endes ist daher der tatsächliche Einfluss des Energierückflusses auf die Leistung wahrscheinlich minimal. Beispiele einer möglichen Strategie zur Minimierung des Energieverlustes sind: (1) Reduzierung des Schuhgewichts (d. h. der Masse); (2) Verwendung geeigneter Mittelsohlmaterialien zur Dämpfung unerwünschter Vibrationen; (3) Realisierung von Konstruktionseinzelheiten zur Stabilisierung des oberen Sprunggelenks; (4) Erhöhung der Biegesteifigkeit der Schuhmittelsohlen zur Reduzierung des Energieverlustes am Zehengrundgelenk (Metatarsophalangealgelenk). Energie, die nicht für Aufgaben verloren geht, die zur tatsächlichen Leistung in keiner Beziehung stehen, kann zur Bewegung beitragen und dadurch die sportliche Leistung erhöhen. Wir sind der Ansicht, dass Sportschuhwerk einen noch größeren Einfluss auf die Leistung haben kann, wenn der Energieverlust minimiert wird, im Gegensatz zu einer Maximierung der zurückgegebenen Energie.

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