Dieses Lehrbuch behandelt anschaulich mit aussagekräftigen Abbildungen die Grundlagen der Biomechanik sowie Anwendungen auf den menschlichen Bewegungsapparat. Ein Schwerpunkt liegt auf der Mechanik der Knochenbrüche und dem Einsatz der FEM in der Biomechanik. Anschauliche Beispiele vertiefen die Theorie und geben hilfreiche Hinweise für die professionelle Behandlung von Knochenbrüchen.
Prof. Dr.-Ing. Hans Albert Richard leitet die Fachgruppe Angewandte Mechanik und lehrt Technische Mechanik an der Universität Paderborn. PD Dr.-Ing. Gunter Kullmer ist dort Oberassistent in der Fachgruppe Angewandte Mechanik und lehrt Biomechanik und bruchsichere Gestaltung.
/ AUS DEM INHALT: / / /
1 Biomechanik - Definitionen, Aufgaben und Fragestellungen 1
1.1 Definition der Biomechanik 1
1.2 Grundaufbau des menschlichen Bewegungsapparats 1
1.2.1 Passiver Bewegungsapparat oder Skelettsystem 2
1.2.2 Aktiver Bewegungsapparat oder Muskelsystem 3
1.2.3 Lage- und Richtungsbeschreibung beim Bewegungsapparat 4
1.2.4 Beschreibung der Relativbewegungen beim Bewegungsapparat 5
1.2.5 Gewichtsanteile des menschlichen Körpers 7
1.3 Aufgaben der Biomechanik 8
1.4 Einteilung der Biomechanik 8
1.5 Spezielle Fragestellungen der Biomechanik 9
1.6 Schwerpunkte und Inhalte des Buchs 13
Literatur zu Kapitel 1 14
2 Statik des Stützapparates 15
2.1 Kräfte und ihre Wirkungen 15
2.1.1 Äußere Kräfte, wirkende Lasten 16
2.1.2 Reaktionskräfte und innere Kräfte 21
2.1.3 Axiome der Statik 22
2.1.4 Zerlegung einer Kraft in verschiedene Richtungen 25
2.1.5 Zerlegung einer Kraft in Komponenten 26
2.1.6 Rechnerische Ermittlung der resultierenden Kraft eines ebenen Kräftesystems 27
2.1.7 Rechnerische Ermittlung der resultierenden Kraft eines räumlichen Kräftesystems 29
2.2 Momente und ihre Wirkungen 31
2.2.1 Moment einer Kraft 31
2.2.2 Vektordarstellung eines Moments 32
2.2.3 Ermittlung des Moments einer ebenen Kräftegruppe 33
2.2.4 Ermittlung des Moments einer räumlichen Kräftegruppe 35
2.2.5 Moment eines Kräftepaars 36
2.3 Gleichgewichtsbedingungen 37
2.3.1 Gleichgewichtsbedingungen für ebene Probleme 37
2.3.2 Gleichgewichtsbedingungen für räumliche Probleme 38
2.4 Schwerpunkt 39
2.4.1 Schwerpunkt eines Körpers 39
2.4.2 Schwerpunkt des Menschen bei verschiedenen Körperhaltungen 41
2.4.3 Schwerpunkte von Flächen 43
2.5 Bewegungsapparat als mehrteilige Struktur 46
2.5.1 Passiver Bewegungsapparat 46
2.5.2 Aktiver Bewegungsapparat 46
2.5.3 Grundstrukturen der Statik 47
2.5.4 Gelenke 49
2.6 Wechselwirkung des Bewegungsapparats mit der Umgebung 50
2.6.1 Grundlegende Lagerungsarten der Technischen Mechanik 50
2.6.2 Freiheitsgrade, stabile Lagerung und statische Bestimmtheit von Tragwerken und Körpern 52
2.6.3 Stützen und Halten beim menschlichen Bewegungsapparat 53
2.6.4 Haftung, Haftreibung : 54
2.6.5 Gleitreibung 56
2.7 Bestimmung von Reaktions- und Kontaktkräften bei einteiligen Systemen 57
2.7.1 Abstrahieren des Systems und Freischnitt 57
2.7.2 Ermittlung der Auflagerreaktions- bzw. Haltekräfte mittels der Gleichgewichtsbedingungen 58
2.8 Bestimmung von Reaktions- und Zwischenreaktionskräften bei mehrteiligen Systemen 59
2.8.1 Freiheitsgrade, stabile Lagerung und statische Bestimmtheit mehrteiliger Systeme 59
2.8.2 Freischnitt des Gesamtsystems 61
2.8.3 Freischnitt von Teilsystemen 61
2.8.4 Ermittlung von Reaktions- bzw. Kontaktkräften und Gelenkkräften 61
2.8.5 Hypothesen zur Berechnung von Stütz- und Haltekräften beim menschlichen Bewegungsapparat 62
2.9 Bestimmung von inneren Kräften, Schnittgrößen 63
2.9.1 Schnittprinzip nach EULER/LAGRANGE 63
2.9.2 Ermittlung der Schnittgrößen 64
2.10 Standfläche und Standsicherheit 75
2.10.1 Definition der Standfläche 75
2.10.2 Standsicherheit 76
2.11 Räumliche Kräftesysteme 77
Literatur zu Kapitel 2 78
3 Festigkeit des Stütz- und Bewegungsapparats 79
3.1 Statik, Elastostatik, Festigkeitslehre 79
3.1.1 Statik 79
3.1.2 Elastostatik 79
3.1.3 Festigkeitslehre 79
3.2 Belastungs- und Verformungsarten 80
3.3 Spannungen 81
3.3.1 Beanspruchung durch Normalkräfte bei Zugbelastung 81
3.3.2 Beanspruchung durch Normalkräfte bei Druckbelastung 83
3.3.3 Beanspruchung durch Normalkräfte, Querkräfte und Biegemomente 84
3.3.4 Beanspruchung durch Torsionsmomente 87
3.4 Verformungen 88
3.4.1 Verformungen bei einachsigem Zug 89
3.4.2 Verformungen durch Schubbelastungen 90
3.4.3 Allgemeine Formänderungen: Verzerrungen 90
3.4.4 Stoffgesetze 91
3.4.5 Längenänderungen und Federkonstanten von Seilen und Stäben 92
3.4.6 Durchbiegungen von Balken 93
3.4.7 Verdrehungen infolge Torsionsbelastungen 94
3.5 Kombinationen von Belastungen 96
3.5.1 Überlagerungen von Normalspannungen 96
3.5.2 Überlagerung von Normal-und Schubspannungen 96
3.6 Federschaltung elastischer Systeme 106
3.6.1 Reihenschaltung elastischer Systeme 107
3.6.2 Parallelschaltung elastischer Systeme 107
Literatur zu Kapitel 3 108
4 Kinematik und Kinetik der Bewegungen 109
4.1 Idealisierungen 109
4.1.1 Massenpunkt 109
4.1.2 Massenpunktsystem 110
4.1.3 Starrer Körper 110
4.2 Einteilung der Bewegungen 111
4.3 Kinematik des Massenpunktes 111
4.3.1 Bewegungsbahn 111
4.3.2 Geschwindigkeit 112
4.3.3 Beschleunigung 113
4.3.4 Geradlinige Bewegung 114
4.3.5 Bestimmung von Geschwindigkeit und Beschleunigung aus bekannter Weg-Zeit-Beziehung 114
4.3.6 Bestimmung von Geschwindigkeit und Weg aus gegebener mBeschleunigung 118
4.4 Kinematik des starren Körpers 126
4.4.1 Freiheitsgrade eines starren Körpers 126
4.4.2 Translation 127
4.4.3 Rotation 128
4.5 Kinetik des Massenpunktes 130
4.5.1 Axiome der Dynamik 131
4.5.2 NEWTONsches Grundgesetz in kartesischen Koordinaten 132
4.6 Kinetik des starren Körpers 132
4.6.1 NEWTONsches Grundgesetz für den starren Körper bei Translation, mSchwerpunktsatz 132
4.6.2 NEWTONsches Grundgesetz für starre Körper bei Rotation 133
4.6.3 Massenträgheitsmomente einzelner starrer Körper 134
4.6.4 NEWTONsche Grundgleichungen für allgemeine ebene Bewegungen ... 135
4.6.5 Anwendungen der NE WTONschen Grundgleichungen 135
4.6.6 Impulssatz 141
4.6.7 Arbeit, Leistung, Energie 141
Literatur zu Kapitel 4 146
5 Zusammenhang zwischen Aufbau und Funktion des Bewegungsapparats 147
5.1 Aufbau und Eigenschaften der Knochen 147
5.1.1 Funktion der Knochen 147
5.1.2 Mikroskopischer Aufbau der Knochen 148
5.1.3 Aufbau der Kortikalis 150
5.1.4 Aufbau der Spongiosa 150
5.1.5 Makroskopischer Aufbau der Knochen 151
5.1.6 Formen von Knochen 152
5.1.7 Materialeigenschaften der Knochensubstanzen 153
5.2 Anatomie und Funktionsweise der Gelenke 158
5.2.1 Einteilung der Gelenke 158
5.2.2 Aufbau und Einteilung der Synarthrosen 158
5.2.3 Aufbau der Diarthrosen 159
5.2.4 Einteilung der Diarthrosen oder echten Gelenke 160
5.3 Aufbau und Eigenschaften der Bänder und Sehnen 162
5.3.1 Funktion der Bänder 163
5.3.2 Funktion der Sehnen 164
5.4 Aufbau und Eigenschaften der Muskeln 165
5.4.1 Einteilung der Muskulatur 166
5.4.2 Funktion der Skelettmuskeln 166
5.4.3 Aufbau der Skelettmuskeln 167
5.4.4 Formen der Skelettmuskeln 168
5.4.5 Zusammenhang zwischen Muskelfaseranordnung und Leistung der mSkelettmuskeln 170
5.5 Aufbau und Funktionsweise des Kniegelenks 175
5.5.1 Anatomie des Kniegelenks 175
5.5.2 Menisken des Kniegelenks 176
5.5.3 Bandapparat des Kniegelenks 177
5.5.4 Kinematik des Kniegelenks 178
5.5.5 Belastung des Kniegelenks 179
5.5.6 Alternative Betrachtung der Biomechanik des Kniegelenks 180
5.6 Anpassung des Bewegungsapparats an die mechanische Belastung 190
5.6.1 Gestaltung der Lasteinleitung in die tragenden Elemente 190
5.6.2 Anpassung der Gestalt eines tragenden Elements an die typische mBelastung 196
5.6.3 Anpassung der Werkstoffeigenschaften an die lokale Beanspruchung ....203
Literatur zu Kapitel 5 205
6 Finite-Elemente-Analysen des Bewegungsapparats 209
6.1 Prinzipielles Vorgehen bei Finite-Elemente-Berechnungen 209
6.2 Modellerstellung und Festlegung der Randbedingungen 210
6.3 Modellierung der Materialkennwerte 211
6.4 Erstellung von FE-Netzen aus CT-Daten 212
6.4.1 Allgemeine Bemerkungen zu CT-Daten 213
6.4.2 Ermittlung der Knochengeometrie aus radiologischen Bilddaten 214
6.4.3 FAMGOFEG: Geometrieorientierte FE-Netzgenerierung 215
6.4.4 FAMVoFEG: Voxelorientierte FE-Netzgenerierung 217
6.5 Beispiele für FE-Spannungsanalysen 219
6.5.1 Analyse für ein Kniegelenk 219
6.5.2 Analyse für ein Hüftgelenk 223
6.6 Simulation der Kniebeuge mit FE-Kontaktanalysen 225
6.7 Bewegungsstudien am ebenen Kniemodell 227
6.7.1 Modellbildung 227
6.7.2 Definition der Randbedingungen 230
6.7.3 Durchführung der FE-Analyse 231
6.7.4 Ergebnisse der FE-Analysen mit ebenem Kniemodell 232
6.8 Bewegungsstudien am räumlichen Kniemodell 238
6.8.1 Modellbildung 239
6.8.2 Definition der Randbedingungen 240
6.8.3 Durchfuhrung der FE-Analyse 241
6.8.4 Auswertung der Ergebnisse 241
6.8.5 Entwicklung eines räumlichen Kniegelenkmodells auf der Basis der Hüllflächentheorie 244
Literatur zu Kapitel 6 248
7 Anwendungsbeispiele der Biomechanik in Sport und Medizin 251
7.1 Ausgewählte Anwendungsfälle aus dem Bereich des Sports 251
7.1.1 Wurf- und Stoßbewegungen in der Leichtathletik 251
7.1.2 Fahrradfahren bei Windstille, Rücken- und Gegenwind 254
7.2 Untersuchung von Heilungsmaßnahmen sowie von Bewegungs- und mHeilungshilfen 261
7.2.1 Betrachtung von REHA-Maßnahmen nach Implantation eines mkünstlichen Hüftgelenks 261
7.2.2 Knochenbrüche und ihre Heilung 267
7.2.3 Entwicklung eines künstlichen Kniegelenks 273
7.2.4 Präoperative Studien für einen Unterarm 277
Literatur zu Kapitel 7 280
Sachwortverzeichnis 282