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Sport- und angewandte Trainingswissenschaften

Modul 3: Bewegungswissenschaften I Bewegungsanalyse und -entwicklung Stefan Lehner

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Gliederung 1. Begriffsbestimmungen 1.1. Kinematik & Dynamik 1.2. Grundlagen der Bewegungsbeschreibung 2. Grundlagen der Mechanik I. - Kinematik 2.1. Bewegungsformen 2.2. Bewegungsarten 2.3. Bezugssysteme 2.4. Newtonsche Axiome 3. Kinemetrie/Kinetik – Biomechanische Bewegungsanalyse I. 3.1. Kinematische Grundgrößen 3.2. Dynamometrie 3.3. Dynamik 3.3.1. Newtonsche Gesetze 3.4. Kraftmessung im Sport 3.4.1. DMS 3.5. verschiedene Formen der Kräfte 3.5.1. Kraftstoß und Impuls 3.5.2. Impuls 3.5.3. Impulserhaltung 3.5.4. Drehimpuls 4. Definition Arbeit und Energie 4.1. potentielle Energie 4.2. kinetische Energie 4.3. Erhaltungssatz 5. Kräfte und Diagnostik 5.1. Horizontale Reaktionskräfte 5.2. Vertikale Reaktionskräfte 5.3. Sprungkraftdiagnose 5.3.1. Squat Jump 5.3.2. Counter Movement Jump 5.3.3. Drop Jump 5.4. Dynamik rotatorisch 5.5. Dynamik translatorisch 6. Biomechanische Prinzipien 7. Bewegungsanalyse 7.1. Ablaufstruktur: Azyklisch vs Zyklisch 7.2. Komplexität: Einfach vs Komplex 7.3. Gütekriterium: verlaufsorientiert vs resultatsorientiert 7.4. morphologische Bewegungsanalyse 7.5. Funktionale Bewegungsanalyse 8. Muskeleigfenschaften und EMG 8.1. Muskeleigenschaften 8.2. EMG Klausurschwerpunkte

Modul 3: Bewegungswissenschaften I.,

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1. Begriffsbestimmungen 1.1. Kinematik & Dynamik „Kinematik“: Lehre von Bewegungen ohne Berücksichtigung von Masse und Kraft. Beschreibung des räumlich-zeitlichen Ablaufes von Bewegungen durch Translation = fortschreitende Bewegungen Rotationen = Bewegung um eine Drehachse „Dynamik“: Lehre vom Zusammenhang zwischen Kraft und Bewegung. Statik = Ruhezustand (Gleichgewicht von Kräften) Kinetik = Bewegung (Ungleichgewicht von Kräften)

1.2. Grundlagen der Bewegungsbeschreibung „Anthropometrie“: ist die Lehre der Ermittlung und Anwendung von Messungen des menschlichen Körpers. u.A. wichtig für Arbeitsplatzgestaltung, Kleidergrößen, etc. Modul 3: Bewegungswissenschaften I.,

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1.2.1. Hauptachsen und - ebenen 1 Longitudinal- oder Vertikalachse 2 Transversal- oder Horizontalachse 3 Sagittalachse 4 Sagittalebene - alle vertikalen Ebenen, die entlang der Sagittalachse ausgerichtet sind - die vertikale Ebene, die den Körper in 2 seitengleiche Hälften teilt, wird Medianebene genannt 5 Frontalebene - alle parallel zur Stirn ausgerichteten Ebenen 6 Transversalebene - alle quer durch den Körper verlaufenden Ebenen (s = Körperschwerpunkt)

1.2.2. Anatomische Richtungsbezeichnungen

→ tibial ← fibular

→ radial ← ulnar

Plantar

palmar/ volar Modul 3: Bewegungswissenschaften I.,

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1.2.3. Relativbewegungen beim menschlichen Bewegungsapparat

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2. Grundlagen der Mechanik I. - Kinematik 2.1. Bewegungsformen

→ Translation → Rotation Translation: definiert als eine Bewegung, bei der alle Punkte eines Körpers auf parallelen Bahnen in derselben Zeit den gleichen Weg zurücklegen, wobei die Bahn der Punkte geradlinig oder gekrümmt sein kann. Verwendung von Massenpunkten (idealisierter Körper mit Masse des Originals) zur Beschreibung der Bewegung. Rotation: im Gegensatz zur Translation ist die Rotation definiert als Bewegung, bei der alle Punkte eines Körpers in derselben Zeit den gleichen Winkel (φ) durchstreichen.

Grundsätzlich werden Bewegungen in horizontale Richtung (x-Achse) und vertikaler Richtung (y-Achse) unabhängig voneinander zu betrachten! Trotzdem überlagern sich Bewegungen → Translation und Rotation

2.2. Bewegungsarten

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7 2.3. Bezugssysteme Betrachtung von Bewegungen eines Körpers erfolgt immer in Relation zu einem Bezugssystem (z.B. zur Erdoberfläche/ Beobachter). (Problem: bewegliche Bezugssysteme! → Beschränkung auf ruhendes Bezugssystem und Betrachtung von Massepunkten in kartesischen Koordinaten in einem Inertialsystem) 2.4. Newtonsche Axiome Axiom I: Gleichgewichtsbedingung Ein Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Translation, sofern er nicht durch einwirkende Kräfte zur Änderung seines Zustands gezwungen wird. Axiom II: Grundgleichung der Mechanik Die Änderung der Bewegung ist der Einwirkung der bewegenden Kraft proportional und geschieht nach der Richtung derjenigen geraden Linie, nach welcher jene Kraft wirkt. Axiom III: Gegenwirkungsprinzip Kräfte treten immer paarweise auf. Übt ein Körper A auf einen anderen Körper B eine Kraft aus (actio), so wirkt eine gleich große, aber entgegen gerichtete Kraft von Körper B auf Körper A (reactio).

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3. Kinemetrie – Biomechanische Bewegungsanalyse I. Kinemetrie = Erfassung, Analyse und Darstellung kinematischer Merkmale bei Haltungen und Bewegungen. Bei der Erfassung gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten: die Direkte und die Indirekte. Direkte Messung - Zeit (Uhr, Kontaktschalter-/matten, Lichtschranken) - Weg und Geschwindigkeit (Seilzug, Drehscheiben IGR-Inkrementalgeber, Laser, GPS) - Winkel und Neigungsmessung (Winkelmesser, elektronischer Winkelmesser = Goniometer, Inklinometer) - Beschleunigung (Akzelerometer → Richtung!) - Positions- und Rictungsmessung (Akzelerometer, Magnetometer, Gyroskope, GPS) - Markerpositionierung und koordinaten (Aktiv/Passivmarker auf relevamten Punkten des Körpers/Geräts) Indirekte Messungen -Kinemetrie durch optische Verfahren (Rückrechnung der zuvor beschriebenen Parameter) - 2D und 3D Analyse 3.1. Kinematische Grundgrößen Zeit Weg Geschwindigkeit Beschleunigung

t s v a

[s] [m] [m/s] [m/s2]

Gleichmäßige (beschleunige) Bewegungen:

Beschleunigter freier Fall: (g= Fallbeschleunigung= 9,81 m/s2 ~ 10 m/s2) in Abhängigkeit von a: s=1/2*a*t2

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9 (theoretische Funktionen durch Integrieren und Differenzieren) Wegfunktion

Geschwindigkeitsfunktio n

Beschleunigungsfunktion

s(t)

s(t)=∫v(t)dt

↓Differenzieren

↑Integrieren

v(t)=s′(t)

v(t)=∫a(t)dt

↓Differenzieren

↑Integrieren

a(t)=v′(t)=s′′ (t)

a(t)

letzten 7 Seiten von der Präsentation fehlen ?! Wurf und Sprung?

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10 3.2. Dynamometrie umfasst Methoden und Verfahren, die Messgrößen im Ergebnis liefern, welche sich in Folge von Krafteinwirkungen proportional verändern. - Interaktionen zwischen dem Mensch und Umwelt (Medium, Boden, Gerät, …), d.h. Messung von Reaktionskräften und Drücken - Messung von Spannungen oder Dehnungen an Strukturen des Bewegungsapparats - Messungen von resultierenden Gelenkkräften -…

Bsp.: Belastung im Hüftgelenk Angaben der resultierenden Kräfte in % der gesamten Körpergewichtskraft (body weight – BW) der Patienten → 50% BW eines Patienten mit m=75kg?

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11 Bsp.2: Gangzyklus

3.3. Dynamik Mit Kenntnis der Beschleunigung kann der künftige Ort eines Objekts vorhergesagt werden – wenn wir nur seine Beschleunigung als Funktion der Zeit kennen ABER: Wie wir sehen werden, benötigt man zur Angabe der Beschleunigung Informationen über auf den Körper einwirkenden Kräfte und die Körpermasse Dynamik untersucht die Wirkung von Kräften und Drehmomenten als Ursache der Beschleunigung bzw. Winkelbeschleunigung von Körpern. Im Gegensatz zur Kinematik werden nun reale Körper betrachtet, welche neben Ort und Geschwindigkeit auch MASSE, IMPULS, und ENERGIE besitzen.

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12 3.3.1. Newtonsche Gesetze

Bsp.: Kugelstoß, Pass BB, Schuss FB, Stand Up Paddle auf Wasser

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13 3.4. Kraftmessung im Sport (Welche Arten der Kraftmessung existiert im Sport? → Nennen sie Systeme und erläutern sie ihren Aufbau, Nennen sie Bsp aus der Praxis) Grundlage jeder Kraftmessung: 3. Newtonsches Axiom Kraft tritt nie isoliert auf, sondern immer in Verbindung mit einer gleich großen Gegenkraft Daher Kraftmessungen basieren auf dem Prinzip der Deformation eines Messfühlers WICHTIG: Es muss eine Proportionalität zwischen Kraftwirkung und Durchbiegung des elastischen Messfühlers existieren. Grundsätzlich können unterschieden werden: - Dehnungsstreifen (DMS) - Piezo-elektrisch / piezo-resistiv (aus mechanischer Deformation wird elektrische Spannung erzeugt.) - Kapazitativ Messung von Dehnung an Strukturen des Bewegungsapparats magnetische Widerstand oder Reluktanz Rm ist Proportionalitätsfaktor zwischen der magnetischen Spannung Um und dem magnetischen Fluss Φ (-→ Hopkinsonsche Gesetz) 3.4.1. Dehnungsmessstreifen (DMS)

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14 3.5. Verschiedene Formen der Kräfte zwei Arten von Reibung: 1. Innere Reibung: tritt bei Gasen und Flüssigkeiten in den einzelnen Molekülen auf (Viskosiät – Zähflüssigkeit) 2. Äußere Reibung: tritt zwischen zwei sich berührenden Festkörpern auf. Bewegen sich zwei Körper aneinander vorbei und berühren sich, so treten auf den sich berührenden Grenzflächen Kräfte auf, die ihre Bewegung hemmen oder verhindern. (Coulomb`sche Reibungsgesetz)

Der Reibungskoeffizient μ ist abhängig von : - den beiden Reibeparametern (Material) - deren Oberflächenbeschaffenheit (insbesondere Rauigkeit) - Temperatur - Feuchtigkeit - von eventuellen Stoffen zwischen den beiden Körpern (z.B. Öl als Schmiermittel) etc. Man unterscheidet zwischen 3 Arten von Reibung: - Haftreibung mit μH - Gleitreibung mit μG - Rollreibung mit μR

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15 3.5.1. Kraftstoß und Impuls

3.5.2. IMPULS

3.5.3. IMPULSERHALTUNG

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3.5.4. DREHIMPULS

Unter dem Drehimpuls L eines rotierenden Körpers verstehen wir das Produkt aus Trägheitsmoment J und der Winkelgeschwindigkeit w: L= J*ꞷ

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17 4. Definition von Arbeit, Energie Energie ist die Fähigkeit eines Körpers, Arbeit zu verrichten: Energie = Arbeitsvermögen Die Arbeit W ist eine Energiemenge E, die von einem System in ein anderes System übertragen wird. Durch Zufuhr oder Abgabe mechanischer Arbeit wird die Energie E eines Körpers erhöht oder erniedrigt. Energiesatz der Mechanik:

4.1. Potentielle Energie Die Hubarbeit entspricht der potentiellen Energie im Gravitationsfeld. Potentielle Energie = Lageenergie

4.2. Kinetische Energie Die Beschleunigungsarbeit ist die Arbeit die benötigt wird, um einen Körper von der Geschwindigkeit v1 auf eine Geschwindigkeit v2 zu beschleunigen. Kinetische Energie = Bewegungsenergie

4.3. Energieerhaltungssatz der Mechanik In einem abgeschlossenen mechanischen System bleibt die Summe der mechanischen Energie (potentielle und kinetische) konstant. In der Praxis treten immer Reibungsverluste auf, weshalb ein Teil der mechanischen Energie in Wärmeenergie verwandelt wird. Die Wärmeenergie kann nicht in mechanische Energie zurückgewandelt werden.

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18 Bsp. Zum Energieerhaltungssatz Ein Pendel mit einer Masse von 100kg hat an seinem tiefsten Punkt eine kinetische Energie von 5000 J. Wie groß ist unter Annahme der Reibungsfreiheit die maximale Höhe, die das Pendel erreichen kann? Energieerhaltung eines nicht gedämpften Systems: → Am tiefsten Punkt: keine potentielle Energie → Am höchsten Punkt: keine kinetische Energie

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19 5. Kräfte und Diagnostik weiter zu Kraftstoß Geschwindigkeitsänderungen aus Kraft-Zeit-Verläufen bestimmen : Der Kraftstoß entspricht der Fläche unter der Kraft-Zeit-Kurve → Gleiche Kraftstöße können durch geringe Krafteinwirkung über längere Zeit oder durch große Kräfte über kurze Zeit erzeugt werden.

5.1. Horizontale Reaktionskräfte FX

Beachte: Vorzeichen der Teilkraftstöße ! 5.2. Vertikale Reaktionskräfte FZ

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20 5.3. Sprungkraftdiagnostik

5.3.1. Squat Jump (SJ) - Strecksprung aus einer ruhenden Kauerstellung (etwa 90° Knie- und Hüftwinkel) in die Vertikale - tiefere Hockposition führt zu einem längeren Beschleunigungsweg, aber: dadurch auch zu größeren Drehmomenten, hohe Muskelkräfte notwendig - an der Bein- und Hüftstreckung beteiligte Muskulatur leistet ausschließlich konzentrische Arbeit - Ausführungsgeschwindigkeit relativ langsam – Kontaktzeit über 200ms Im Fokus: - dynamische realisierbare Kraftmaximum – Maximalkraft - SJ hauptsächlich zur Bestimmung des Maximalkraftniveaus der Muskulatur der Beinstrecker 5.3.2. Counter Movement Jump - Hock-Streck-Sprung aus dem aufrechten Stand - schnelle Ausholbewegung (bis Kniewinkel 90°) - aus exzentrisch arbeitende Beinstreckmuskulatur resultiert eine maximale Streckbewegung in die Vertikale bei konzentrischer Muskelkontraktion - Großer Ausführungsspielraum – aber Ausholbewegung sollte flüssig in Streckbewegung übergehen

21 - durch die exzentrische-konzentrisch arbeitende Muskulatur bei mittlerer Horizontalgeschwindigkeit und relativ starker Kniebeugung vor allem Schnellkraftleistungen im langen Dehnungs-Verkürzungszyklus. Bodenkontaktzeiten von deutlich mehr als 200ms Im Fokus: - dynamisch realisierbares Kraftmaximum (Maximalkraft) - elastischen Eigenschaften der tendo-muskulären Strukturen 5.4.3. Drop Jump (DJ) - aus einer erhöhten Ausgangsposition (Podest) in aufrechtem Stand - durch das Vorschwingen eines Beines wird eine kurze Phase des freien Falls eingeleitet - beginn der Kontaktphase durch exzentrischen Kontraktion der Beinstreckmuskulatur, um negative Aufprallgeschwindigkeit zu eliminieren - anschließende konzentrische Beinstreckung, um vertikale Abfluggeschwindigkeit nach möglichst kurzer Bodenkontaktzeit zu erzeugen - Fallhöhe kann variieren und hat einen direkten Einfluss auf die Sprungleistung Im Fokus: - Schnellkraftfähigkeit im kurzen Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus – Reaktivfähigkeit - maximale Kraftanstieg, die elastischen Eigenschaften des Muskel-Sehnen-Systems - Dehnungsreflex

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22 5.4. Dynamik rotatorisch

5.5. Dynamik translatorisch

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23 6. Biomechanische Prinzipien Zur Beurteilung der Zweckmäßigkeit sportlicher Techniken sind Kriterien erforderlich, die anhand des zeitlichen Verlaufs mechanischer Parameter eine entsprechende Bewertung des Bewegungsablaufs erlauben. Allgemeine Kenntnisse über das rationelle Ausnutzen von mechanischen Gesetzen bei sportlichen Bewegungen.

6.1. Prinzip des optimalen Beschleunigungswegs Soll im Laufe einer sportmotorischen Fertigkeit der Körper des Sportlers oder eines Sportgeräts auf eine hohe Endgeschwindigkeit gebracht werden, muss der Beschleunigungsweg eine optimale Länge haben und geradlinig oder stetig gekrümmt sein. Bei Körperbewegungen, mit denen eine möglichst hohe Endgeschwindigkeit erreicht werden soll, ist ein optimal langer Beschleunigungsweg auszunutzen. Dabei soll der geometrische Verlauf des Beschleunigungsweg gradlinig oder stetig gekrümmt sein. Zielt auf die Optimierung der Länge und Struktur des Beschleunigungswegs - lang genug, um genügend Zeit zu haben, die verfügbaren Energiereserven für die Beschleunigung zu mobilisieren - aber nicht zu lang, um nicht genug Kraft und Energie zu verschenken - Beschleunigungsweg möglichst gradlinig oder gleichmäßig gekrümmt → künstliche Verlängerung des Beschleunigungswegs in Wurfdisziplinen

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24 6.2. Prinzip der optimalen Tendenz im Beschleunigungsverlauf Die größten Beschleunigungskräfte sollen am Anfang der Beschleunigungsphase wirksam werden, wenn es darum geht, schnellstmöglich hohe Kräfte zu entwickeln (Bsp. Boxen). → Hauptbeschleunigung erfolgt zu Beginn der Bewegung, damit die Geschwindigkeit möglichst schnell ansteigt (Maximierung der Durchschnittsgeschwindigkeit = Minimierung der Bewegungszeit) Sollen hohe Endgeschwindigkeiten erreicht werden, liegen die größten Beschleunigungen am Ende des Beschleunigungswegs (Bsp. Leichtathletische Wurfdisziplinen). → Hauptbeschleunigung erfolgt im letzten Drittel der Bewegung, d.h. künstliche Verzögerung des Bewegungsablaufs um z.B. Körperspannung für zusätzliche Kraftmobilisierung aufzubauen.

6.3. Prinzip der Impulserhaltung / Drehimpulserhaltung Ausnutzen des Impulserhaltungssatzes zum Erreichen einer maximalen Geschwindigkeit. Impulserhaltungssatz: In einem abgeschlossen System (Summe der äußeren Kräfte = 0) bleibt der Gesamtimpuls konstant. Bsp.: Start eines 2er Bobs Zeitpunkt t1 Bremser schiebt noch, Fahrer sitzt bereits im Bob → 2 Teilimpulse kurz vor dem Einstieg des Fahrers: Bob mit Fahrer:

Ibob = (mbob + mFahrer) * vbob

Bremser:

Ibremser = mBremser * vBremser

Zeitpunkt t2 Bremser steigt ein → Impulsbilanz: Gesamtimpuls = Summe der Teilimpulse Ibob = (mbob + mFahrer) * vbob + mBremser * vBremser

Prinzip der Drehimpulserhaltung Auf der Grundlage des Drehimpulserhaltungssatzes kann die Drehgeschwindigkeit und die Drehebene bei freien Flugbewegungen gesteuert werden.

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25 Situation: - Drehimpuls ist in Flugphase konstant - Flugbahn des KSP ist durch Absprunggeschwindigkeit und Winkel vorgegeben Problem: Wie steuert der Turner seine Drehgeschwindigkeit? Kann er mit den gegebenen Anfangsbedingungen einen 2- oder 3-fach Salto springen? - Flugzeit ist vorgegeben, aber - die Anzahl der Drehungen ist abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit L = J * ꞷ = konstant

ꞷ = L(konstant) / J

Beispiele untersch. Positionen mit unterschiedlichen Trägheiten:

6.4. Prinzip der Gegenwirkung 3. Newtonsche Axiom: actio = reactio (gilt für translatorische und rotatorische Bewegungen) Mit dem Gegenwirkungsprinzip lassen sich viele Phänomene sportlicher Bewegungen erklären. Beispiele:

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26 6.5. Prinzip der zeitlichen Koordination von Einzelimpulsen - optimale Übertragung der Teilimpulse von Schwungelementen auf das Gesamtsystem - Summation von Anlauf- und Absprung- bzw. Abwurfgeschwindigkeit zu max. Endgeschwindigkeit Durch die Streckbewegung der Beine und die Schwungbewegung der Arme werden beide Impulse für die Aufwärtsbewegung genutzt. → Abb. Teilaktion muss gut aufeinander abgestimmt sein. So beeinflusst z.B. beim Hochsprung nicht nur die Aktion des Sprungbeins die Sprungleistung. Auch das Schwungbein und die Armbewegung erzeugen Impulse, die für die Gesamtbewegung wichtig sind und die in einem optimalen Verhältnis stehen müssen.

6.6. Prinzip der optimalen Anfangskraft Eine Körperbewegung, mit der ein großer Kraftstoß erreicht werden soll, ist durch eine entgegengesetzt gerichtete Bewegung einzuleiten. Durch das Abbremsen der Gegenbewegung ist zu Beginn der Zielbewegung bereits eine positive Kraft (Anfangskraft) für die Beschleunigung vorhanden. Dieses vergrößert den Kraftstoß, wenn Brems- und Beschleunigungskraftstoß dabei in einem optimalen Verhältnis stehen. Auftaktbewegung zur Erhöhung der Vorspannung (Anfangskraft). Regelung der Anfangskraft so, dass der anschließende Beschleunigungskraftstoß maximal wird, d.h. günstiges Verhältnis zwischen eingeleitetem Bremsstoß und anschließendem leistungsrelevantem Beschleunigungskraftstoß. Nutzung physiologischer Effekte infolge der Auftaktbewegung (z.B. Dehnungsreflex)

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27 Anmerkungen zu Prinzipien Die Prinzipien basieren ausdrücklich auf mechanischen Überlegungen, schließen dabei in ihre Aussagen die mechanische Erscheinung der biologisch bedingte...