M3 Impulsive Fortbewegung

Thema

Impulsive Fortbewegung erzeugt in kürzester Zeit eine konzentrierte mechanische Kraft, um den Körperschwerpunkt zu verlagern – entweder vertikal, wie beim Springen, oder horizontal, wie bei bestimmten Hüpfformen.

Viele Springer führen vor der Krafterzeugung einen Gegenbewegungszyklus durch: Der Körper senkt sich zunächst ab und spannt dabei die Sehnen exzentrisch vor – das heißt, sie werden gedehnt, während sich die Muskeln zusammenziehen, um die Abwärtsbewegung abzubremsen. Diese Vorspannung speichert zusätzliche elastische Energie, die dann der Energie der konzentrischen Muskelkontraktion beim Absprung hinzugefügt wird. Dadurch erhöht sich die maximale Kraft, die das Tier kurz vor dem Absprung erreicht. Beim Roten Riesenkänguru steigt die Effizienz wiederholter Hüpfbewegungen mit der Bewegungsgeschwindigkeit, genau weil bei höheren Geschwindigkeiten ein größerer Anteil der Gesamtenergie elastisch zurückgewonnen wird, anstatt aktiv vom Muskel erzeugt werden zu müssen.

Sobald das Tier abhebt, beschreibt sein Körperschwerpunkt während der Flugphase des Sprungs eine ballistische Flugbahn, die nur der Schwerkraft unterliegt: Bei einem Sprung in freier Luft, ohne Luftwiderstand, wird die maximale horizontale Weite erreicht, wenn der Absprungwinkel 45 Grad zum Boden beträgt.

Diese ballistische Flugbahn endet bei der Landung, wo der Körper eine Aufprallkraft absorbieren muss, die das Fünf- bis Zwanzigfache des Körpergewichts des Tieres betragen kann. Diese Kraft wird durch exzentrische Muskelarbeit abgebaut, die sich auf Sprunggelenk, Knie und Hüfte verteilt, wobei jedes Gelenk einen Teil der Aufprallenergie aufnimmt, anstatt sie in einer einzelnen Struktur zu konzentrieren.

Bei einigen spezialisierten Springern, wie dem Buschköder oder dem Frosch, übersteigt die Absprungkraft pro Muskelmasse die maximale Kraft, die derselbe Muskel isoliert durch seine eigene Kontraktion erzeugen kann. Dies ist nur möglich, weil der Muskel die Kraft nicht direkt freisetzt, sondern zunächst in einer langsameren Phase eine Sehne mit elastischer Energie auflädt. Diese Sehne gibt die Energie dann schlagartig ab, viel schneller, als der Muskel sich selbst zusammenziehen könnte. Sie funktioniert wie ein Katapult, das die zuvor gespeicherte elastische Energie schlagartig freisetzt.

Die wiederholten Hüpfer, die eingangs als eine Form dieser impulsiven Fortbewegung erwähnt wurden, sind periodisch und wiederholen sich von Sprung zu Sprung: Das gesamte System schwingt mit seiner Resonanzfrequenz, der Frequenz, bei der die minimale aktive Energie benötigt wird, um den Sprung aufrechtzuerhalten. Bei Kängurus stimmt die von Natur aus bevorzugte Hüpffrequenz exakt mit der Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems überein, das von den elastischen Sehnen ihrer Hinterbeine gebildet wird.

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