Biomechanik der neuesten Generation
Warum Vögel fliegen und Fische schwimmen, Pferde galoppieren und Sportler Höchstleistungen vollbringen - all das versucht die Biomechanik herauszufinden und für die technischen Wissenschaften zu nutzen. Die Erkenntnisse sind äußerst ergiebig, der Wissensdurst auf diesem Gebiet uralt: Denn ohne Biomechanik gäbe es weder Flugzeuge noch Unterseeboote, auch wenn die Erkenntnisse der Biologie nicht immer 1:1 übertragen werden können.
Dass es Zusammenhänge zwischen dem Gewicht der Lebewesen und ihren Körperbewegungen gibt, ist schon länger erforscht. Sowohl das Flossenschlagen von Fischen als auch die Schrittfrequenz von Wirbeltieren folgen einem bestimmten Verhältnis, eine Erkenntnis, die schon vor der Biomechanik aus der Zoologie kam. Diese entdeckte zuerst die Korrelation zwischen Geschwindigkeit und Körpermasse bei verschiedenen Bewegungsabläufen. Die entsprechenden Gesetze für das Bewegungsmuster haben amerikanische Forscher im Jahr 2005 in Formeln gepackt, die auf Annahmen der Physik gründen. Danach bestimmen Masse, Dichte und Schwerkraft den Bewegungsablauf, der ein für Insekten, Landtiere, Fische und Vögel gleiches Muster aufweist. Immerhin soll es jetzt möglich sein, für jedes Lebewesen grundsätzliche Bewegungsmuster zu errechnen und anhand von Gewicht und Körperdichte seine Bewegungsgeschwindigkeit zu prognostizieren. Frequenz, Kraft und Geschwindigkeit sind exponentiell von der Masse eines Lebewesens abhängig. Auch die Umgebung, in welcher die Bewegung erfolgt, spielt eine ausschlaggebende Rolle. So verglichen die Forscher das Laufen über einen weichen Untergrund mit dem Schwimmen, jede andere Bewegung hingegen mit dem Fliegen. Für beides soll jeweils eine Standardformel gelten. Exakte Daten gibt es noch nicht, aber Trends. Wie genau man in Zukunft Bewegungsmuster vorhersagen und wie vor allem die gefundenen Gesetze für die mechanische Physik nutzen kann, hängt von der Einbeziehung vieler weiterer Faktoren ab.
Grundsätzlich versucht die Biomechanik herauszufinden, wie Strukturen und Funktionen von biologischen Bewegungsapparaten zusammenhängen. Zunehmend werden neben den äußeren, mechanischen Eigenschaften auch sensomotorische Regelungsprozesse untersucht - das Feld der inneren Biomechanik. Seit einiger Zeit versteht man Biomechanik als Teil technischer, mechanischer Vorgänge, denn so groß sind die Unterschiede zwischen belebter und unbelebter Natur nicht. Es gibt vielmehr große Ähnlichkeiten und Gemeinsames. Das möchten die Wissenschaftler für die Entwicklung technischer Systeme schon immer gern nutzen. Die Strategien, mit denen Knochen und Bäume in ihrem Wachstum und ihrer Zellstruktur optimiert werden, können als Vorbild für Bauteile mit hoher Festigkeit dienen. Lange fragte man sich beispielsweise, ob Knochen eher auf Biegen oder eher auf Druck reagieren und letztlich brechen. Inzwischen weiß man durch biomechanische Forschungen, dass beides zutrifft, und wendet es bei technischen Systemen an.