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Biomechanische Diagnostik mit dem neuen Mobilen
Messsystem 2020 und Sonifikation von Parametern
der dreidimensionalen Bootsbewegung im Nach-
wuchstraining (U23 und U19-Juniorennational-
mannschaft 2019)
(AZ 071603/19-20)
Klaus Mattes (Projektleitung), Martin Reischmann, Stefanie Wolff, Nina Schaffert
& Björn Losekamm
Universität Hamburg, Arbeitsbereich Bewegungs- und Trainingswissenschaft
1 Problemstellung fert & Mattes, 2016; Schaffert & Mattes, 2015)
sowie zum Einfluss der Windrichtung (Mattes, et
In Vorbereitung auf die Juniorenweltmeister- al., 2017) unmittelbar in die Trainingspraxis ein.
schaften (JWM) finden jährlich Selektionsun- Im Transferprojekt 2018-19 lag ein Schwerpunkt
tersuchungen zur Auswahl der Crewbesatzun- auf der Diagnostik der Bootsbewegung mit der
gen für die Groß- und Mittelboote (Vierer und sogenannten Basisstation des neuen mobi-
Achter) statt. Die individuelle Ruderleistung und len Messsystem 2020 (MMS 2020) (Mattes et al.,
-technik wird dabei mittels eines standardisier- 2018). Im Weiteren werden sowohl Messergeb-
ten Testprotokolls (Schlagfrequenzstufentest nisse als auch Erfahrungen aus der Anwendung
und simuliertes 2000-m-Rennen) im Rennboot des Bootsgerätes als eigenständiges Messsystem
erhoben und nach bootsklassenspezifischen zur Diagnostik von Stampfen, Gieren und Rollen
Kriterien bewertet. Auf dieser Basis wird ein des Bootes dargestellt.
Ranking zur Ruderleistung und -technik im
Rennboot erstellt, das neben Regattaergebnis-
sen sowie Befunden aus leistungsphysiologi-
schen Tests eine Grundlage für die Auswahlent-
scheidung durch die Trainer bildet.
In der anschließenden unmittelbaren Wett-
kampfvorbereitung (UWV) auf die JWM müssen
in vergleichsweise kurzer Zeit die Ruderleistung
und -technik optimiert und im Mannschaftsge-
füge fein eingestellt werden, um international
konkurrenzfähige Bootsbesatzungen zu formen.
Mittels biomechanischen Feedbacktrainings im
Rennboot kann dieser Prozess schnell und ziel-
gerichtet gesteuert (Böhmert & Mattes, 2003;
Schaffert & Mattes, 2015) und die Arbeit der Trai-
nerrinnen und Trainer unterstützt werden. In
die Diagnostik und das anschließende Feedback-
training fließen die Ergebnisse vorangegangener
Forschungsprojekte zur Sonifikation und dem
akustischen Feedback im Wassertraining (Schaf-
Abb. 1: Basisstation (Bootsgerät) des MMS 2020
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2 Biomechanische Diagnostik mit dem neuen Mobilen Messsystem 2020...
Die Basisstation (Synonym Bootsgerät) des
MMS 2020 kann als eigenständiges Messsys-
3 Ergebnisse und Erfahrungen
tem im Rennboot eingesetzt werden (Abb. 1). aus der Diagnostik
Das Bootsgerät verfügt über einen integrierten
Bewegungssensor, der die 3-D Bootsbewegung 3.1 Stampfwinkel (Rotation des
erfasst. Dabei wird zwischen der Translation Bootes um die Breitenachse)
(Parallelverschiebung) des Bootes mit Bootsge-
schwindigkeit und Bootsbeschleunigung sowie Die Stampfbewegung war abhängig von der
der Rotation des Bootes (Kreisbewegung um die Massenverschiebung der Sportlerin bzw. des
drei Bootsachsen) mit Rollen (Rotation um die Sportlers relativ zum Boot sowie von vertika-
Längsachse), Gieren (Rotation um die Tiefen- len Stemmbrett- und Blattkräften, wobei in der
achse) und Stampfen (Rotation um die Breiten- Vorlageposition das Heck und in der Rücklage-
achse) unterschieden. position der Bug des Bootes tiefer ins Wasser
eintauchte. Die Stampfbewegung veränderte
die benetzte Außenhaut des Bootes und erhöhte
2 Methode dadurch den Wasserwiderstand und die inner-
Trainingsfahrten mit dem neuen Bootsgerät zyklische Schwankung der Bootsgeschwindig-
wurden mit sämtlichen Groß- und Mittelbooten keit. Die Reduktion der Stampfbewegung des
der Juniorennationalmannschaft durchgeführt Bootes stellt somit ein wesentliches Ziel des
(Tab. 1). Wassertrainings dar.
Tab. 1 Übersicht über die Stichprobe
Bootsklasse Juniorinnen Junioren
Boote Platzierung Boote Platzierung
JWM 2018 JWM 2018
Riemenvierer mit Steuermann - - JM4+ 8. Platz
Riemenvierer ohne Steuermann JF4- 7. Platz JM4- 4. Platz
Doppelvierer JF4x 2. Platz JM4x 3. Platz
Achter JF8+ 4. Platz JM8+ 3. Platz
Die Bootsbesatzungen absolvierten innerhalb Die Minima, Maxima und der Mittelwert des
der Trainingseinheit ein festgelegtes Testpro- Stampfwinkels variierten über die Zyklenfolge
gramm von zweimal 1000 m mit Schlagfrequenz der 1000-m-Strecke mit Schlagefrequenz 20 Schl./
20 ± 0,5 Schl./min. Das neue Bootsgerät regist- min. Trotz dieser permanenten Änderung des
rierte den Bootsweg mittels GPS (± 2 cm), die Stampfwinkels über die Zyklenfolge wurde ein
Bootsbeschleunigung (± 0,05 m/s2) sowie den typischer intrazyklischer Verlauf reproduziert
Stampf-, Roll- und Gierwinkel (jeweils ± 0,01°). (Abb. 2). Einzelne Ruderzyklen konnten jedoch
Für die Schlagerkennung sowie die Detektion von der typischen Charakteristik abweichen.
von Durchzug und Freilauf wurde die Bootsbe- Da sich der Sensor auf dem Heck befand und
schleunigungs-Zeitkurve verwendet. aufgrund der Kalibration auf eine 0-Lage des
Zur Bestimmung der relativen und abso- Bootes an Land, zeigten positive Werte ein
luten Reproduzierbarkeit wurde die erste Anheben des Hecks und negative Werte ein
1000-m-EXA-Etappe herangezogen. Die relative Eintauchen (Absinken) des Hecks an. Das Maxi-
Reproduzierbarkeit wurde mittels ICC(3.1) und mum des Stampfwinkels wurde in der hinteren
die absolute Reproduzierbarkeit als Differenz der Bewegungsumkehr erreicht. Das Minimum des
Einzelwerte der Messwiederholung berechnet. Stampfwinkels lag in der vorderen Bewegungs-
Die Normalverteilung und Varianzhomogeni- umkehr. Der Verlauf des Stampfwinkels erfolgte
tät wurden mit dem Kolmogorov-Smirnov-Test sowohl im Freilauf als auch im Durchzug nicht
bzw. Levene-Test geprüft. Die mathematisch- stetig, sondern wurde durch Plateaus unterbro-
statistische Auswertung erfolgt mit SPSS Ver- chen. Die Ausprägung dieser Plateaus war mann-
sion 21.0, SPSS Inc., Chicago, IL, USA. schaftsspezifisch.
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Abb. 2: Stampfwinkel-Zeit-Verlauf in zwei Schlagfrequenzstufen (20 und 32 Schl./min) als Mittelwert über 10 Ruder-
zyklen mit Kennzeichnung wichtiger Merkmale des Stampfwinkels.
Den wichtigsten Kennwert des Stampfwinkels metrischen Belastung der Sportlerin bzw. des
bildet die Stampfwinkelamplitude während des Sportlers auf der Back- oder Steuerbordseite.
Ruderzyklus, die möglichst klein ausfallen sollte. Besonders bei Gegenwind traten solche asym-
Die Stampfwinkelamplitude lag im Bereich von metrischen Belastungen auf. Lange Fahrstrecken
0,3 bis 1,0° in Abhängigkeit von der Bootsklasse mit permanentem Gegenwind von einer Boots-
und Schlagfrequenz. Der Betrag der Stampfwin- seite sollten folglich im Wassertraining vermie-
kelamplitude zeigte eine hohe absolute Repro- den werden. Bei solchen Bedingungen sollte
duzierbarkeit von 0,001 bis 0,02°. Bei vergleich- häufiger die Fahrtrichtung gewechselt werden,
baren Wetterbedingungen können Reduktionen um einseitige Mehrbelastungen zu mindern.
der mittleren Stampfwinkelwinkelamplitude Der zyklische Verlauf des Gierwinkels zeigte
von größer als 0,1° als Verbesserung des Stamp- Abschnitte mit Schrägfahrt, d. h. die Fahrt- oder
fens interpretiert werden. Gierrichtung nach Steuer- oder Backbord blieb
über mehrere Ruderzyklen gleich, um anschlie-
3.2 Gierwinkel (Rotation des Bootes ßend infolge von Kurskorrekturen in die andere
um die Tiefenachse) Richtung zu drehen. Kurskorrekturen erfolgten
Das Gieren wurde durch Seitenwind, asymme- über wenige Ruderzyklen (1-3).
trische Blattkräfte auf Back- und Steuerbord Aufgrund der hohen Variabilität des zyklischen
während des Durchzugs und bei Booten mit Verlaufs des Gierwinkels war eine Mittelwert-
Steuerruder durch Kurskorrekturen mit dem bildung von begrenzter Aussagekraft und kann
Steuer verursacht. Das Gieren als Kursabwei- unter Umständen zu Fehlinterpretationen füh-
chung verlängerte die Fahrtstrecke bis zum Ziel ren. Entsprechend empfiehlt es sich, die Lage
und beeinträchtigte direkt die mittlere Bootsge- von Minimum und Maximum des Gierwinkels
schwindigkeit. Eine falsche Trimmung des Boo- von repräsentativen Ruderzyklen zu identifi-
tes begünstigte ein ungewolltes Gieren. Zielstel- zieren und dieses Ergebnis mit der gemittelten
lung des Trainings ist folglich die Minimierung Kurve zu vergleichen (Abb. 3). Im Beispiel zeigte
der Gierwinkelamplitude. der intrazyklische Verlauf des Gierwinkels ein
Besonders in steuerruderlosen Booten (1x, 2x Maximum mit Gierrichtung nach Backbord im
und 4x) aber auch in den anderen Bootsklas- Freilauf und ein Minimum mit Gierrichtung
sen bedingten Seitenwind-Kurskorrekturen ein nach Steuerbord im Durchzug.
„Überziehen“ mit höheren Innenhebelkräften
auf einer Bootsseite und führten zur asym-
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Abb. 3: Gierwinkel-Zeit-Verlauf in zwei Schlagfrequenzstufen (20 und 32 Schl./min) als Mittelwert über
10 Ruderzyklen.
Die Gierwinkelamplitude stellte den wichtigsten Freilauf konnte eine Rollbewegung des Bootes
Kennwert des Gierwinkels dar und sollte mög- ein Aufschlagen der Blätter auf das Wasser ver-
lichst klein ausfallen. Die Gierwinkelamplitude ursachen und die Bootsgeschwindigkeit verrin-
lag im Erwartungsbereich von 0,5 bis > 1,6° in gern.
Abhängigkeit von der Bootsklasse und Schlag- Die Minima, Maxima und der Mittelwert des
frequenz. Der Betrag der Gierwinkelamplitude Rollwinkels variierten unsystematisch über
zeigte eine gute absolute Reproduzierbarkeit die Zyklenfolge. Aufgrund der hohen Variabili-
von < 0,01 bis 0,1°. Bei vergleichbaren Wetter- tät des zyklischen Verlaufs des Rollwinkels war
bedingungen können Reduktionen der mittle- eine Mittelwertbildung von begrenzter Aussa-
ren Gierwinkelamplitude von größer als 0,1° als gekraft und konnte unter Umständen zu Fehl-
Verbesserung des Gierens interpretiert werden. interpretationen führen. Entsprechend empfahl
es sich, die Lage von Minimum und Maximum
3.3 Rollwinkel (Rotation des Bootes des Rollwinkels von repräsentativen Ruderzy-
um die Längsachse) klen zu identifizieren und dieses Ergebnis mit
Das Rollen war abhängig von der Höhe der der gemittelten Kurve zu vergleichen (Abb. 4).
Körpermasse über dem Metazentrum des Boo- Im Beispiel zeigte der intrazyklische Verlauf des
tes sowie dem Abweichen der Körpermasse Rollwinkels ein Minimum mit Rollen des Bootes
der Sportlerinnen bzw. Sportler aus der Sym- nach Backbord im Freilauf und ein Maximum
metrielinie des Bootes. Ungleiche Tauchtiefen mit Rollen nach Steuerbord im Durchzug.
der Blätter auf Back- und Steuerbord sowie ein Den wichtigsten Kennwert des Rollwinkels
„Hängebleiben“ beim Ausheben begünstigten bildete die Rollwinkelamplitude während des
ein Rollen des Bootes. Seitliche Wellen und Sei- Ruderzyklus, die möglichst klein ausfallen sollte.
tenwind trugen ebenfalls zur Rollbewegung bei. Die Rollwinkelamplitude lag im Bereich von 1,5
Die Rollbewegung des Bootes beeinflusste im bis > 3° in Abhängigkeit von der Bootsklasse und
Durchzug die Stellung der Ruderblätter im Was- Schlagfrequenz. Der Betrag der Rollwinkelamp-
ser. Rollte das Boot nach Steuerbord, konnte litude zeigte eine geringe relative Reproduzier-
das Ruderblatt auf der Backbordseite zum Teil barkeit, aber eine gute absolute Reproduzier-
aus dem Wasser gehoben werden, wodurch eine barkeit von < 0,001 bis 0,3°. Bei vergleichbaren
geringere Blattkraft resultierte. Umgekehrt wur- Wetterbedingungen können Reduktionen der
den auf der Gegenseite die Tauchtiefe des Blat- mittleren Rollwinkelamplitude von größer als
tes und somit der Widerstand erhöht, wodurch 0,3° als Verbesserung des Rollens interpretiert
die Gefahr des „Hängenbleibens“ resultierte. Im werden.
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Abb. 4: Rollwinkel-Zeit-Verlauf in zwei Schlagfrequenzstufen (20 und 32 Schl./min) als Mittelwert über 10
Ruderzyklen.
4 Diskussion Die Ergebnisse erbrachten eine sehr hohe bis
hohe absolute Reproduzierbarkeit der Tester-
Die Erfahrungen der vergangenen Jahre zeigen, gebnisse für die mittlere Stampfamplitude. Ein
dass sich die biomechanische Betreuung mit Erklärungsansatz für dieses Ergebnis liegt in
den eingesetzten Mess- und Feedbacksystemen der Robustheit dieser Werte gegenüber Störgrö-
im Deutschen Ruderverband bei der Selektion ßen. Das betrifft das zyklische Wiederholen der
der Bootsbesatzungen und im Feedbacktrai- Stampfminima und -maxima im Ruderschlag
ning bewährt hat und zu einem unverzichtba- infolge der Massenverschiebung der Mann-
ren Bestandteil in der Formierung der Groß- schaft relativ zum Boot.
boote und der Entwicklung leistungsfähiger Dagegen erreichten der Roll- und Gierwinkel
Bootsklassen in Vorbereitung auf die JWM und eine sehr hohe bis nur geringe Reproduzierbar-
internationalen Wettkampfhöhepunkte gewor- keit über die 1000-m-Testdistanz in Abhängig-
den ist. Der biomechanisch-trainingswissen- keit von der Bootsbesatzung. Für den Gierwin-
schaftliche Hintergrund dieser Entwicklungen kel kann als wesentliche Ursache für diese große
basiert auf Ergebnissen, die im Rahmen von Spannweite die Überlagerung von innerzykli-
Forschungsprojekten an der Universität Ham- schen und extrazyklischen Kursabweichungen
burg generiert wurden und deckt sich mit inter- angenommen werden. Dabei überlagern sich
nationalen Ergebnissen (Baudouin & Hawkins, Kursabweichung und -korrektur innerhalb des
2004; Hofmijster, Landmann & Van Soest, 2002; Ruderzyklus mit Kurskorrekturen über mehrere
Kleshnev, 2010; Nolte, 2011). Die Erprobung und Ruderschläge, um eine vorliegende Schrägfahrt
Evaluation der technischen Entwicklungen und auszugleichen. Die untersuchten Bootsbesat-
deren Wirkung auf die Rudertechnik und -leis- zungen realisierten dieses „Kurshalten“ unter-
tung erfolgten in der Trainingspraxis. schiedlich, sodass im Einzelfall eine sehr hohe
Im Transferprojekt 2019-20 wurde das Bootsge- oder nur geringe Reproduzierbarkeit resultierte.
rät des MMS 2020 als eigenständiges Mess- und Das Rollen war durch einen typischen inner-
Auswertesystem verwendet. Die automatische zyklischen Verlauf gekennzeichnet, der jedoch
Detektion der Ruderzyklen erfolgte anhand durch starke Rollamplituden einzelner Ruderzy-
der Bootsbeschleunigungs-Zeitkurve (globa- klen unsystematisch überlagert wurde. Das Rol-
les Minimum) und nicht über den Ruderwin- len des Bootes zu einer Seite bedingt Ausgleichs-
kel bzw. die Ruderkraft. Auf dieser Grundlage bewegungen, bis sich die Lage des Bootes wieder
wurden die Kennwerte (Minimum, Maximum, einschwingt („normalisiert“). Auch hier unter-
Amplitude oder Mittelwert) der Rotationsbewe- schieden sich die Bootsbesatzungen und damit
gungen des Bootes (Rollen, Gieren und Stamm- auch die Reproduzierbarkeit der Rollwinkel.
pfen) für den jeweiligen Ruderschlag errechnet.
BISp-Jahrbuch Forschungsförderung 2019/206 Biomechanische Diagnostik mit dem neuen Mobilen Messsystem 2020...
Folglich dürfen in der Leistungsdiagnostik nicht Kleshnev, V. (2010). Boat acceleration, temporal
nur die Mittelwerte insbesondere von Roll- und structure of the stroke cycle, and effec-
Gierwinkel über Etappen betrachtet werden, tiveness in rowing. Proceedings of the
sondern zudem müssen der Verlauf über die Institution of Mechanical Engineers, Part
Zyklenfolge sowie geeignete Streuungsmaße P: Journal of Sports Engineering and Tech-
Berücksichtigung finden. nology, 224, 63-74.
Die Ergebnisse belegen, dass die Basisstation als Mattes, K., Manzer, S., Reischmann, M., & Schaf-
eigenständiges Mess- und Trainingssystem ver- fert, N. (2017). Der Einfluss der Windrich-
wendet werden kann, insbesondere da sich die tung auf das Gieren beim Skullen. Leis-
Schlagerkennung über markante Ereignisse im tungssport, 47(4), 36-41.
Beschleunigungs-Zeitverlauf als informativ und Mattes, K., Reischmann, M., Wolff, S., & Schaf-
praktikabel erwies. fert, N. (2018). Evaluation von Kompo-
nenten des neuen Mobilen Messsystems
5 Literatur 2020 im Rennrudern. Teilbericht zur
Evaluation der Bootsstation (Bootsgerät)
Baudouin, A., & Hawkins, D. (2004). Investiga-
zum BISP-Projekt IIA1-070801/18-19.
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rowing performance. Journal Biomechan- Nolte, V. (2011). (Ed.) Rowing faster. Serious
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man Kinetics.
Böhmert, W., & Mattes, K. (2003). Biomechani-
sche Objektivierung der Ruderbewegung Schaffert, N., & Mattes, K. (2016). Influence of
im Rennboot. In W. Fritsch (Hrsg.), Rudern acoustic feedback on boat speed and crew
– erfahren, erkunden, erforschen (S. 163- synchronization in elite junior rowing.
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Hofmijster M. J., Landman, E. H., & Van Soest,
IEEE MultiMedia, 22(1), 58-67.
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distribution of net mechanical power in
rowing. Journal of Sports Science, 25(4),
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