Statik und Dynamik des menschlichen Körpers: Körperschwerpunkt

Die vertikale Position des menschlichen Körpers, seine Bewegung im Raum und seine verschiedenen Bewegungsarten (Gehen, Laufen, Springen) entwickelten sich im Laufe der langen Evolution zusammen mit der Entstehung des Menschen als Spezies. Im Prozess der Anthropogenese, im Zusammenhang mit dem Übergang der menschlichen Vorfahren zu irdischen Existenzbedingungen und dann zur Fortbewegung auf zwei (unteren) Gliedmaßen, veränderte sich die Anatomie des gesamten Organismus, seiner einzelnen Teile und Organe, einschließlich des Bewegungsapparats, erheblich. Der Bipedalismus befreite die obere Extremität von ihrer muskuloskelettalen Funktion. Die obere Extremität wurde zu einem Arbeitsorgan – einer Hand – und konnte ihre Bewegungsgeschicklichkeit weiter verbessern. Diese Veränderungen infolge einer qualitativ neuen Funktion spiegelten sich in der Struktur aller Komponenten des Gürtels und des freien Abschnitts der oberen Extremität wider. Der Schultergürtel dient nicht nur als Stütze für die freie obere Extremität, er erhöht auch erheblich ihre Beweglichkeit. Da das Schulterblatt hauptsächlich über Muskeln mit dem Körperskelett verbunden ist, erhält es größere Bewegungsfreiheit. Das Schulterblatt nimmt an allen Bewegungen des Schlüsselbeins teil. Darüber hinaus kann sich das Schulterblatt unabhängig vom Schlüsselbein frei bewegen. Im mehrachsigen Kugelgelenk der Schulter, das fast allseitig von Muskeln umgeben ist, ermöglichen die anatomischen Merkmale der Struktur Bewegungen entlang großer Bögen in allen Ebenen. Die Spezialisierung der Funktionen zeigt sich insbesondere im Aufbau der Hand. Dank der Entwicklung langer, sehr beweglicher Finger (vor allem des Daumens) hat sich die Hand zu einem komplexen Organ entwickelt, das feine, differenzierte Aktionen ausführt.

Die untere Extremität, die das gesamte Körpergewicht trägt, hat sich ausschließlich an die Funktion des Bewegungsapparates angepasst. Die vertikale Körperhaltung und die aufrechte Haltung spiegeln sich in der Struktur und den Funktionen des Beckengürtels und des freien Abschnitts der unteren Extremität wider. Der Beckengürtel der unteren Extremitäten ist als stark gewölbte Struktur an die Übertragung des Gewichts von Rumpf, Kopf und oberen Extremitäten auf die Oberschenkelköpfe angepasst. Die im Laufe der Anthropogenese entstandene Beckenneigung von 45–65° trägt zur Übertragung des Körpergewichts auf die freien unteren Extremitäten bei, wobei die biomechanisch günstigsten Bedingungen für die vertikale Körperhaltung herrschen. Der Fuß erhielt eine gewölbte Struktur, die seine Fähigkeit erhöhte, dem Körpergewicht standzuhalten und bei Bewegungen als flexibler Hebel zu fungieren. Die Muskeln der unteren Extremität entwickelten sich stark und passten sich an statische und dynamische Belastungen an. Im Vergleich zu den Muskeln der oberen Extremität sind die Muskeln der unteren Extremität massiger.

An der unteren Extremität verfügen die Muskeln über ausgedehnte Stützflächen und können Muskelkraft ausüben. Die Muskeln der unteren Extremität sind größer und kräftiger als die der oberen Extremität. An der unteren Extremität sind die Strecker stärker entwickelt als die Beuger. Dies liegt daran, dass die Strecker eine wichtige Rolle bei der Aufrichtung des Körpers und bei der Bewegung (Gehen, Laufen) spielen.

Im Arm konzentrieren sich die Beuger von Schulter, Unterarm und Hand auf der Vorderseite, da die Arbeit der Hände vor dem Körper erfolgt. Greifbewegungen werden von der Hand ausgeführt, die von einer größeren Anzahl von Beugern als Streckern beeinflusst wird. Die obere Extremität verfügt zudem über mehr Drehmuskeln (Pronatoren, Supinatoren) als die untere. Sie sind in der oberen Extremität deutlich stärker entwickelt als in der unteren. Das Verhältnis der Masse der Pronatoren und Supinatoren des Arms zur übrigen Muskulatur der oberen Extremität beträgt 1:4,8. In der unteren Extremität beträgt das Verhältnis der Masse der Drehmuskeln zur übrigen Muskulatur 1:29,3.

Die Faszien und Aponeurosen der unteren Extremität sind aufgrund der stärkeren Kraftentfaltung unter statischen und dynamischen Belastungen deutlich besser entwickelt als die der oberen Extremität. Die untere Extremität verfügt über zusätzliche Mechanismen, die helfen, den Körper in einer vertikalen Position zu halten und seine Bewegung im Raum zu gewährleisten. Der Gürtel der unteren Extremität ist nahezu unbeweglich mit dem Kreuzbein verbunden und bildet eine natürliche Stütze für den Rumpf. Die Tendenz des Beckens, auf den Oberschenkelköpfen nach hinten zu kippen, wird durch das hochentwickelte iliofemorale Band des Hüftgelenks und starke Muskeln verhindert. Darüber hinaus trägt die Vertikale der Körperschwerkraft, die vor der Querachse des Kniegelenks verläuft, mechanisch dazu bei, das Kniegelenk in einer gestreckten Position zu halten.

Im Bereich des Sprunggelenks vergrößert sich im Stehen die Kontaktfläche zwischen den Gelenkflächen von Tibia und Talus. Dies wird dadurch begünstigt, dass die medialen und lateralen Malleolen den vorderen, breiteren Abschnitt des Talusblocks umfassen. Zudem stehen die Frontalachsen des rechten und linken Sprunggelenks in einem nach hinten offenen Winkel zueinander. Die Vertikale des Körperschwerpunkts verläuft im Verhältnis zu den Sprunggelenken nach vorne. Dies führt zu einer Art Einklemmung des vorderen, breiteren Abschnitts des Talusblocks zwischen den medialen und lateralen Malleolen. Die Gelenke der oberen Extremität (Schulter, Ellenbogen, Handgelenk) verfügen nicht über solche Bremsmechanismen.

Die Knochen und Muskeln des Rumpfes, insbesondere das Achsenskelett – die Wirbelsäule, die Kopf, obere Gliedmaßen sowie Brust- und Bauchorgane stützt – haben im Laufe der Anthropogenese tiefgreifende Veränderungen erfahren. Im Zusammenhang mit der aufrechten Haltung bildeten sich Krümmungen der Wirbelsäule und die Entwicklung kräftiger Rückenmuskeln. Zudem ist die Wirbelsäule in einem gepaarten, starken Iliosakralgelenk mit dem Unterschenkelgürtel (mit dem Beckengürtel) praktisch unbeweglich, der biomechanisch als Verteilung des Rumpfgewichts auf die Oberschenkelköpfe (auf die Unterschenkel) dient.

Neben anatomischen Faktoren – den strukturellen Merkmalen der unteren Gliedmaßen und des Rumpfes, die im Laufe der Anthropogenese entwickelt wurden, um den Körper in einer aufrechten Position zu halten und ein stabiles Gleichgewicht und Dynamik zu gewährleisten – sollte der Position des Körperschwerpunkts besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden.

Der allgemeine Schwerpunkt (GC) einer Person ist der Angriffspunkt der Resultierenden aller Gravitationskräfte ihrer Körperteile. Laut MF Ivanitsky befindet sich der GC auf Höhe des IV. Kreuzbeinwirbels und wird auf die Vorderseite des Körpers oberhalb der Schambeinfuge projiziert. Die Position des GC in Bezug auf die Längsachse des Körpers und der Wirbelsäule hängt von Alter, Geschlecht, Skelettknochen, Muskeln und Fettablagerungen ab. Darüber hinaus gibt es tägliche Schwankungen in der Position des GC aufgrund der Verkürzung oder Verlängerung der Wirbelsäule, die durch ungleichmäßige körperliche Aktivität tagsüber und nachts auftreten. Bei älteren und alten Menschen hängt die Position des GC auch von der Körperhaltung ab. Bei Männern befindet sich der GC auf Höhe des III. Lendenwirbels – V. Kreuzbeinwirbels, bei Frauen 4–5 cm tiefer als bei Männern und entspricht der Höhe vom V. Lendenwirbel bis zum I. Steißbeinwirbel. Dies hängt insbesondere mit der stärkeren Ablagerung von Unterhautfettgewebe im Becken- und Hüftbereich als bei Männern zusammen. Bei Neugeborenen liegt der Schwerpunkt auf Höhe der V-VI. Brustwirbel und verlagert sich dann allmählich (bis 16–18 Jahre) nach unten und leicht nach hinten.

Die Lage des menschlichen Körperschwerpunktes hängt auch vom Körperbau ab. Bei Menschen mit dolichomorphem Körperbau (Astheniker) liegt der Schwerpunkt relativ tiefer als bei Menschen mit brachymorphem Körperbau (Hyperstheniker).

Die Forschung ergab, dass sich der menschliche Körperschwerpunkt üblicherweise auf Höhe des zweiten Kreuzbeinwirbels befindet. Die Lotlinie des Schwerpunkts verläuft 5 cm hinter der Querachse der Hüftgelenke, etwa 2,6 cm hinter der Verbindungslinie der Trochanter major und 3 cm vor der Querachse der Sprunggelenke. Der Kopfschwerpunkt liegt knapp vor der Querachse der Atlanto-Occipitalgelenke. Der gemeinsame Schwerpunkt von Kopf und Körper befindet sich auf Höhe der Mitte der Vorderkante des zehnten Brustwirbels.

Um das Gleichgewicht des menschlichen Körpers in einer Ebene stabil zu halten, muss die vom Schwerpunkt ausgehende Senkrechte auf die von beiden Füßen eingenommene Fläche fallen. Der Körper steht umso fester, je breiter die Stützfläche und je niedriger der Schwerpunkt ist. Für die aufrechte Haltung des menschlichen Körpers ist die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts die Hauptaufgabe. Durch Anspannen der entsprechenden Muskeln kann der Körper jedoch auch dann (innerhalb gewisser Grenzen) in verschiedenen Positionen gehalten werden, wenn die Projektion des Schwerpunkts außerhalb der Stützfläche liegt (starke Vorwärtsneigung, seitliche Neigung usw.). Gleichzeitig gelten Stehen und Bewegen des menschlichen Körpers nicht als stabil. Bei relativ langen Beinen verfügt der Mensch über eine relativ kleine Stützfläche. Da der Gesamtschwerpunkt des menschlichen Körpers relativ hoch (auf Höhe des zweiten Kreuzbeinwirbels) liegt und die Stützfläche (die Fläche der beiden Fußsohlen und der Abstand zwischen ihnen) unbedeutend ist, ist die Körperstabilität sehr gering. Im Gleichgewichtszustand wird der Körper durch die Kraft der Muskelkontraktionen gehalten, was ein Herunterfallen verhindert. Die Körperteile (Kopf, Rumpf, Gliedmaßen) nehmen jeweils eine ihnen entsprechende Position ein. Wird jedoch das Verhältnis der Körperteile gestört (z. B. durch Ausstrecken der Arme nach vorne, Beugen der Wirbelsäule im Stehen usw.), verändern sich Position und Gleichgewicht anderer Körperteile entsprechend. Statische und dynamische Momente der Muskelaktion stehen in direktem Zusammenhang mit der Lage des Körperschwerpunkts. Da sich der Schwerpunkt des gesamten Körpers auf Höhe des zweiten Kreuzbeinwirbels hinter der Querlinie befindet, die die Zentren der Hüftgelenke verbindet, wird der Tendenz des Rumpfes (zusammen mit dem Becken), nach hinten zu kippen, durch hochentwickelte Muskeln und Bänder entgegengewirkt, die die Hüftgelenke stärken. Dies gewährleistet das Gleichgewicht des gesamten Oberkörpers, der aufrecht auf den Beinen gehalten wird.

Die Tendenz des Körpers, im Stehen nach vorne zu fallen, beruht auf der vertikalen Schwerpunktlinie, die von der Querachse der Sprunggelenke um 3–4 cm nach vorne verläuft. Der Sturz wird durch die Wirkung der Muskeln der Beinrückseite verhindert. Verschiebt sich die vertikale Schwerpunktlinie noch weiter nach vorne – bis zu den Zehen, wird durch die Anspannung der hinteren Beinmuskulatur die Ferse angehoben und von der Stützebene abgehoben, die vertikale Schwerpunktlinie bewegt sich nach vorne und die Zehen dienen als Stütze.

Neben der Stützfunktion erfüllen die unteren Gliedmaßen auch eine Bewegungsfunktion und bewegen den Körper im Raum. Beispielsweise bewegt sich der menschliche Körper beim Gehen vorwärts und stützt sich abwechselnd auf ein Bein und dann auf das andere. Dabei führen die Beine abwechselnd pendelartige Bewegungen aus. Beim Gehen dient zu einem bestimmten Zeitpunkt eine der unteren Gliedmaßen als Stütze (hinten), die andere als frei (vorne). Mit jedem neuen Schritt wird das freie Bein zur Stütze, und das Stützbein wird nach vorne gebracht und frei.

Die Kontraktion der Muskeln der unteren Extremität beim Gehen verstärkt die Krümmung der Fußsohle deutlich und verstärkt die Krümmung der Quer- und Längsgewölbe. Gleichzeitig neigt sich der Oberkörper zusammen mit dem Becken auf den Oberschenkelköpfen leicht nach vorne. Beginnt der erste Schritt mit dem rechten Fuß, heben sich die rechte Ferse, dann die Sohlenmitte und die Zehen über die Stützfläche, das rechte Bein beugt sich an den Hüft- und Kniegelenken und wird nach vorne geführt. Gleichzeitig folgen das Hüftgelenk dieser Seite und der Oberkörper dem Spielbein nach vorne. Dieses (rechte) Bein streckt sich durch eine kräftige Kontraktion des Quadrizepsmuskels im Kniegelenk, berührt die Stützfläche und wird zur Stütze. In diesem Moment löst sich das andere, linke Bein (bisher das hintere Standbein) von der Stützfläche, wird nach vorne geführt und wird zum vorderen Spielbein. Das rechte Bein bleibt dabei als Standbein zurück. Zusammen mit der unteren Extremität bewegt sich der Körper nach vorne und leicht nach oben. Somit führen beide Extremitäten abwechselnd dieselben Bewegungen in einer genau festgelegten Reihenfolge aus, wobei sie den Körper zuerst auf der einen, dann auf der anderen Seite stützen und nach vorne schieben. Beim Gehen gibt es jedoch keinen Moment, in dem beide Beine gleichzeitig vom Boden (der Stützebene) abgehoben werden. Die vordere (freie) Extremität schafft es immer, die Stützebene mit der Ferse zu berühren, bevor das hintere (Stand-)Bein vollständig von ihr getrennt ist. Darin unterscheidet sich das Gehen vom Laufen und Springen. Gleichzeitig gibt es beim Gehen einen Moment, in dem beide Beine gleichzeitig den Boden berühren, wobei das Standbein die gesamte Sohle und das freie Bein die Zehen berührt. Je schneller man geht, desto kürzer ist der Moment des gleichzeitigen Kontakts beider Beine mit der Stützebene.

Verfolgt man die Veränderungen der Schwerpunktlage beim Gehen, erkennt man die Bewegung des gesamten Körpers nach vorne, oben und zur Seite in der Horizontal-, Frontal- und Sagittalebene. Die größte Verschiebung erfolgt nach vorne in der Horizontalebene. Die Verschiebung nach oben und unten beträgt 3–4 cm, zur Seite (seitliche Ausschläge) 1–2 cm. Art und Ausmaß dieser Verschiebungen unterliegen erheblichen Schwankungen und hängen von Alter, Geschlecht und individuellen Merkmalen ab. Die Kombination dieser Faktoren bestimmt die Individualität des Gangbildes, das sich durch Training verändern kann. Ein normaler, ruhiger Schritt ist im Durchschnitt 66 cm lang und dauert 0,6 s.

Beim Beschleunigen des Gehens wird der Schritt zum Laufen. Laufen unterscheidet sich vom Gehen dadurch, dass abwechselnd mit einem Fuß und dann mit dem anderen die Stützfläche berührt wird.

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