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.
