E3 Umweltmechanische Wechselwirkungen

Thema

Die Interaktion des Fußes oder Hufes mit dem Boden erzeugt die Bodenreaktionskraft, die neben der Schwerkraft die einzige äußere Kraft ist, die den Impuls des Säugetiers während der Fortbewegung an Land verändern kann. Diese Bodenreaktionskraft hat drei Komponenten: eine vertikale Komponente, die das Körpergewicht trägt und für den Aufwärtsschub sorgt; eine anteroposteriore Komponente, die den Körper während der Aufprallphase der Standphase abbremst und ihn während der Abstoßphase vorwärts treibt; und eine mediolaterale Komponente, die den Körper seitlich stabilisiert.

Die vertikale Komponente der Bodenreaktionskraft folgt während der Standphase einem charakteristischen zeitlichen Verlauf, abhängig von der Gangart: Beim Gehen, das dem Verhalten eines umgekehrten Pendels des Körperschwerpunkts folgt, weist diese vertikale Komponente zwei durch ein dazwischenliegendes Minimum getrennte Maxima auf; beim Laufen hingegen, das dem federartigen Verhalten des Körperschwerpunkts folgt, zeigt die vertikale Komponente während der gesamten Standphase ein einzelnes Maximum.

Innerhalb desselben Zeitraums ist die Geschwindigkeit, mit der die vertikale Komponente der Bodenreaktionskraft von null auf ihren ersten Maximalwert ansteigt – die Belastungsrate – ein wichtiger Indikator für das Verletzungsrisiko: Je abrupter die Kraft zu Beginn der Stützphase ansteigt, desto größer ist das Risiko einer Überlastungsverletzung der Strukturen, die den Aufprall aufnehmen.

Die maximale Größe, die die anteroposterioren und mediolateralen Komponenten der Bodenreaktionskraft – die in der horizontalen Ebene wirkenden Komponenten – zusammen erreichen können, wird durch den Reibungskoeffizienten zwischen Fuß und Boden begrenzt: Je höher dieser Reibungskoeffizient ist, desto größer ist die maximale horizontale Kraft, die der Fuß ohne Abrutschen auf den Boden ausüben kann; je niedriger der Koeffizient, desto geringer die maximal verfügbare horizontale Kraft.

Der genaue Punkt auf der Fußsohle, an dem die Bodenreaktionskraft in einem bestimmten Moment angreift – der Druckpunkt – stimmt im Allgemeinen nicht mit der Projektion des Körperschwerpunkts auf den Boden überein. Dieser Abstand zwischen den beiden Punkten definiert das äußere Moment, das die Bodenreaktionskraft auf den Körperschwerpunkt des Tieres ausübt.

Wie bereits erwähnt, wird die genaue Art und Weise, wie die Bodenreaktionskraft den Impuls des Tieres verändert, durch das Integral dieser Kraft über die Dauer der Standphase bestimmt. Dieses Integral, der sogenannte Impuls, ist betragsmäßig gleich der Impulsänderung des Tieres während derselben Standphase.

Vergleicht man die Bodenreaktionskraft bei Säugetieren sehr unterschiedlicher Körpergröße, so ist der Spitzenwert ihrer vertikalen Komponente, ausgedrückt als Vielfaches des Körpergewichts, für dieselbe Fortbewegungsart annähernd gleich, unabhängig davon, ob das Tier klein oder viel größer ist. Diese relative Konstanz erlaubt es uns, die Fortbewegung von Säugetieren sehr unterschiedlicher Größe in dieser Interaktion mit dem Boden als gleichwertig zu betrachten.

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