Forscher der TU München haben ein biomechanisches Prüfgerät für Schuhe entwickelt.
Forscher der TU München haben ein biomechanisches Prüfgerät für Schuhe entwickelt. (Bild: Uli Benz / TUM);
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Forscher der TUM untersuchen die Leistungsfähigkeit von SportschuhenDer perfekte Fußballschuh

Er bietet dem Fußballspieler Stabilität, optimiert die Kraftübertragung auch bei schwierigen Platzverhältnissen und sorgt für den perfekten Spin beim Ballkontakt: der Fußballschuh. Worauf es dabei wirklich ankommt, messen Prof. Veit Senner und sein Team von der Professur für Sportgeräte und -materialien der Technischen Universität München (TUM). Zu diesem Zweck haben sie ein Prüfgerät samt künstlichem Fuß entwickelt, mit dessen Hilfe die Fußbewegungen und die Kräfte zwischen Boden und Schuh perfekt nachgebildet werden können.

Die Wahl der optimalen Schuhe ist für Fußballspieler wohl genauso wichtig wie die Wahl der Reifen für Rennfahrer. "Über den Schuh findet die Kraftübertragung des Fußes auf den Boden und den Ball statt", erklärt Prof. Veit Senner. So hat der Schuh einerseits die Aufgabe, alle typischen Bewegungen des Sportlers wie Sprints, Turns und Finten möglichst verlustfrei auf den Boden zu übertragen – und dabei gleichzeitig das Abrollverhalten des Fußes nicht zu beeinträchtigen. Andererseits muss der Schuh aber auch beim Schuss möglichst viel Energie auf den Ball übertragen.

Diese Anforderungen führen zu Konflikten, was das Design der Schuhe betrifft: So wird über eine steife Sohle beim Ballkontakt mehr Energie übertragen. Die Steifigkeit der Sohle verhindert außerdem, dass sich der Fuß beim Schuss verformt und sich die Stollen in das Fußbett drücken. Andererseits beeinträchtigt gerade diese Steifigkeit wiederum das Abrollverhalten des Fußes und auch die verlustfreie Übertragung der Bewegungen auf den Boden.

Verletzungsgefahr durch Verblockung

Die Herausforderungen an den Schuh ändern sich je nachdem, um welchen Untergrund es sich handelt wie etwa Natur- oder Kunstrasen, trockener oder nasser Boden. So sorgen zum Beispiel längere Stollen zwar für mehr Halt bei nassem Untergrund, bohren sich dabei aber tiefer in den Boden. Der Sportler muss dann mehr Kraft für die Bewegungen aufwenden, insbesondere bei Sprints und sehr schnellen Richtungsänderungen.

Auch steigt das Risiko des Verblockens. Die Stollen setzen sich dabei im Boden fest. Will der Sportler sich nun drehen, kann der Fuß der Bewegung nicht folgen. "Dadurch entstehen Rotationslasten im Knie", erklärt Senner. Im schlimmsten Fall kann dies zu einem Kreuzbandriss führen – eine Verletzung, die sich vor wenigen Tagen Antonio Rüdiger beim ersten Training der DFB-Elf in Frankreich zuzog.

Aber nicht nur an den Untergrund sollte der Schuh optimal angepasst sein, auch die Abstimmung auf das Material des Balles ist entscheidend. So will der Spieler beim Schießen oft auch ein Drehmoment auf den Ball übertragen. Daher spielt neben einer guten Technik auch die Reibung zwischen Schuhspann und Ball eine Rolle.

Biomechanisches Prüfgerät mit Silikonfuß

Senner untersucht gemeinsam mit seinen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern unter anderem die optimale Steifigkeit und das Stollendesign der Schuhe in Abhängigkeit vom Untergrund. Die Forscher entwickelten ein biomechanisches Prüfgerät mit einem künstlichen Fuß aus Silikon, den sogenannten TrakTester. Die Apparatur besteht unter anderem aus einem Kolben, der mithilfe von Luftdruck betrieben wird. Er hat die Aufgabe, die entsprechende Kraft auf den Fuß zu übertragen.

Unterhalb des Kolbens ist ein künstliches Sprunggelenk angebracht, dessen Achsen der menschlichen Anatomie nachempfunden sind. An der Ferse befindet sich ein dickes Band, das die Achillessehne darstellt. Der Fuß kann in alle für sportliche Bewegungen typische Positionen gebracht und dann entsprechend dem Versuch belastet werden. Eine Mehrkomponenten-Messzelle registriert die im Bein wirkenden Kräfte und Drehmomente.

Die mechanische Nachbildung verhält sich auch realistisch in Bezug auf die Druckverteilung im Fuß: Stößt sich der Sportler zum Beispiel mit den Zehen ab, entstehen hohe Drücke im Vorfuß. "Wir können mit diesem Verfahren die Leistungsfähigkeit der Schuhe und indirekt auch das Gefährdungspotenzial für Knieverletzungen messen", erklärt Senner.

3D-Modellierungen des Bewegungsablaufes

Digitale Modellierungen ergänzen das Verfahren. So analysierten die Wissenschaftler zum Beispiel Fernsehaufzeichnungen von Fußballspielen, bei denen Sportler Knieverletzungen davontrugen. Sie modellierten den Bewegungsablauf in 3D, um nachvollziehen zu können, wie die Belastungen des Beins ausgesehen haben.

Mit dem TrakTester können dann die am Unterschenkel wirkenden Lasten ermittelt werden. Um das Gefährdungspotential für das Knie zu bestimmen, werden die entsprechenden Kräfte an einem ebenfalls von Senners Gruppe entwickelten Kniesimulator nachgestellt. Die Forscher können hier messen, wie diese sich auf die einzelnen Strukturen des Knies übertragen. Dabei werden auch verschiedene Muskelanspannungen berücksichtigt.

Senner: "Auf diese Weise lässt sich durch systematische Forschung der Zielkonflikt zwischen optimalen Traktionseigenschaften und Verletzungsprophylaxe lösen."

Kontakt:
Prof. Veit Senner
Technische Universität München
Fachgebiet Sportgeräte und -materialien
Tel. +49 (89) 289 - 15364
senner@tum.de
http://www.lfe.mw.tum.de/

Bildmaterial zum Download

: mediatum.ub.tum.de

Technische Universität München

Corporate Communications Center Stefanie Reiffert
reiffert(at)zv.tum.de

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