Wie messe ich die Torsionssteifigkeit von Sportschuhen?

Bei solchen Bewegungen kommt es unter anderem zu Torsionsbewegungen und damit zu Torsionsbeanspruchungen der Füße auf Grund der Verdrehungen. Torsionsbewegungen können auch als Pronation und/oder ­Supination beschrieben werden, die sich nach Hertel (2002) aus den Teilbewegungen Eversion/Inversion, Dorsalextension/Plantarflexion und Abduktion/Adduktion zusammensetzen. In einem gewissen Umfang können Supinations- und Pronationsbewegungen als physiologische Ausgleichbewegungen verstanden werden. Diese Bewegungen dienen u.a. dazu, Belastungen auf proximale Gelenke zu optimieren. Jedoch dürfen die Pronations- und Supinationsbewegungen ein physiologisches Ausmaß nicht überschreiten, um Verletzungen zu vermeiden (Kälin et al., 1989). Nach Michel und Kollegen (2009) soll ein Sportschuh in erster Linie Schutz vor Fehlbelastungen bieten und die Auswirkungen externer Belastungen auf die Füße reduzieren. Des Weiteren sollte, je nach Anwendungsgebiet eines Sportschuhs, die natürliche Bewegungsamplitude von Pronation und Supination ermöglicht, aber übermäßige Bewegungen in Pro­nation und/oder Supination verhindert werden (Hennig, 1986). Dieses Ziel kann vor allem durch die entsprechende Torsionssteifigkeit der verwendeten Schuhe erreicht werden (Michel et al., 2009).{pborder}

In der Mechanik beschreibt Torsion die Verdrillung eines Körpers, hervorgerufen durch ein Drehmoment, das Torsionsmoment. Der Widerstand, den ein Schuh einer Verdrillung bei definiertem Torsionsmoment entgegensetzt, lässt sich als Torsionssteifigkeit erklären. Es kann daher – mit gewissen Einschränkungen – vom Torsionsmoment und dem damit verbundenen Verdrillungswinkel auf die Torsionssteifigkeit geschlossen werden. Fußballschuhe sollen das Bewegungsausmaß im Fuß mehr oder weniger stark einschränken (Reinschmidt & Nigg, 2000). Möchte man die Umsetzung von Entwicklungszielen bei Fußballschuhen, wie die Optimierung von Bewegungsausmaßen an den Fuß- und/oder Sprunggelenken, überprüfen, sollte u.a. die Kenntnis der Torsionssteifigkeit ein elementarer Bestandteil der Sportschuhentwicklung sein.

Ziel des hier vorgestellten Projektes war die Entwicklung eines kostengünstigen Messstandes mit dem Sportschuhe (i) mechanisch tordiert werden können und (ii) gleichzeitig die Torsionssteifigkeit gemessen werden kann. Anhand von zwei getesteten Fußballschuhen wurde die Eignung des entwickelten Verfahrens überprüft.

Der Torsionsmessstand besteht aus drei Kernkomponenten, die es ermöglichen, einen Schuh um die Längsachse zu tordieren (Abb. 1):

1 einer ortsfesten Rückfußbefestigung,

2 einer um die Längsachse rotierbaren Vorfußplatte mit Vorfußeinspannung und

3 einer Drehachse mit Hebel, um ein externes Drehmoment auf den Schuh zu übertragen.

Um den Schuh in den Messstand einzuspannen und realitätsnah zu tordieren, wird ein Körper im Schuh benötigt. Hierfür wird das Vor- und Rückfußteil eines in Vor-, Mittel- und Rückfuß unterteilten Leisten (Abb. 2) in den Schuh eingesetzt. Das Leisten-Vorfußteil endet ungefähr auf Höhe der Gelenkachse der Metatarsophalangealgelenke. Das Leisten-Rückfußteil endet ungefähr auf Höhe der Chopart-Gelenklinie (Abb. 2).

Die komplette Rückfußbefestigung lässt sich entlang einer Führungsschiene in der Bodenplatte nach vorne und hinten verschieben, so dass Schuhgrößen von 25 bis 50+ (D/EU) getestet werden können. Die Vorfußplatte stellt eine rotierbare Einspannvorrichtung dar. Mit einer Klemmvorrichtung wird der Vorfußbereich des Schuhs befestigt und eine Torsion zwischen Rückfuß und Vorfuß ermöglicht. Der Schuh wird durch ein externes Drehmoment tordiert, das manuell durch den Anwender über einen Hebel (Hebellänge 200 mm) an der Drehachse erzeugt wird. Zur Übertragung des externen Drehmoments auf die Vorfußplatte ist diese über ein Axial-Kugellager mit dem Hebel verbunden. Der Höhenunterschied zwischen Drehachsenbefestigung und Auflagefläche der Vorfußplatte ist so gewählt, dass Schuhe mit unterschiedlichen Sohlenprofilen, unterschiedlichen Stollenlängen bzw. Sohlen- und Absatzhöhen tordiert werden können. Durch das Unterlegen von zusätzlichen Platten zwischen Schuh und Auflageflächen können die Torsionsdrehachse des Messstands und die Drehachse des Schuhs zueinander ausgerichtet werden. In Abbildung 3 ist der Messstand mit einem eingespannten Fußballschuh sowie der horizontal verlaufenden Torsionsdrehachse (weiß gestrichelte Linie) in der Seitenansicht zu sehen.

Zur Messung der Torsionssteifigkeit wird ein eindimensionaler Kraftaufnehmer (VARIOHM, S-Typ, Modell: SS3 – 250kg – C3) in Verbindung mit einem Messverstärker (Biovision) verwendet, welcher über ein Dateneinzugsmodul (National Instruments, USB-6009, Auflösung 14 bit) mit einem Computer verbunden ist. Die Aufnahmefrequenz beträgt 1000 Hz. Der Kraftaufnehmer wird 90 mm links- bzw. rechtsseitig von der Drehachse auf der Bodenplatte montiert, je nachdem, ob ein Torsionsmoment bei Supination oder Pronation gemessen werden soll (Abb. 4 unten). Der Torsionswinkel wird mit einem berührungslosen Drehpotentiometer (Bourns, Modell: AMS22S) erfasst. Es können der Torsionswinkel und das Torsionsmoment synchron erhoben werden. In Abbildung 4 ist der Messaufbau und die Positionierung der Sensoren veranschaulicht (beispielhaft bei einer Pronation eines rechten Schuhs).

Für die Messung der Torsionssteifigkeit von Schuhen mit dem vorgestellten Messstand muss zunächst ein externes Torsionsmoment durch den Anwender via Torsionshebel aufgebracht werden. Ist ein vorab festgelegter Torsionswinkel erreicht, wird der Kraftaufnehmer via Stahlseil mit dem Torsionshebel verbunden. Der eindimensionale Kraftaufnehmer misst die vertikale Kraftkomponente (Fy) der schräg eingeleiteten Zugkraft (Fres), ausgelöst durch die Rückstellkraft des tordierten Schuhs. Bei schräger Krafteinleitung entsteht eine winkel­abhängige Messabweichung, wodurch die Kraft Fy um den Faktor cos(á) geringer ist. Die Messabweichung beträgt ohne winkelabhängige Korrektur bei 0° annähernd 0%, bei 20° rund 0,56% und bei 45° rund 1,15%. Deshalb wurde die Sensorpositionierung so gewählt, dass der Krafteinleitungswinkel maximal 26,6° beträgt (maximaler Fehler von < 1% bei vertikal oder horizontal ausgerichtetem Torsionshebel). Aus dem (horizontalen) Abstand des Kraftangriffspunkts der Zugkraft zum Mittelpunkt der Dreh­achse multipliziert mit der Kraft Fy kann schließlich das Torsionsmoment bestimmt und in Abhängigkeit des Tor­sionswinkels dargestellt werden.

Um die Eignung des Messstandes zu prüfen, wurden die Torsionssteifigkeiten von zwei Paar Fußballschuhen (adidas Adizero F50 und adidas Nitrocharge 1.0, jeweils Schuhgröße 42 2/3) ermittelt. Bei den Messungen wurde jeweils der linke und rechte Schuh proniert und supiniert. Hierbei wurden die Torsionssteifigkeiten für jeweils acht unterschiedliche Torsionswinkel bestimmt (von 20 bis 90 Grad abgestuft in 10er-Schritten). Vor jeder erneuten Auslenkung wurden die Schuhe in die Neutralstellung (0 Grad Auslenkung) gebracht und für mindestens 10 Sekunden entlastet, um die auf Grund des viskoelastischen Materialverhaltens der Sohlen eventuell bestehenden Verformungen der Sohlen zu kompensieren. Sobald die Verbindung zwischen dem Kraftaufnehmer und dem Torsionshebel hergestellt war, wurde die Datenaufnahme gestartet. Für die Datenerfassung wurde eine eigene Messsoftware auf Basis von MATLAB (The MathWorks Inc, Massachusetts) verwendet. Die Messdauer betrug 10 Sekunden. Anschließend konnten die Torsionsmomente durch Multiplikation der Kraftdaten mit der benannten Hebellänge von 90 m (Abstand vom Kraftaufnehmer zum Mittelpunkt der Drehachse) bestimmt werden. Für jede der zehnsekündigen Messungen wurde der Mittelwert der Torsionsmomente und der Mittelwert der Torsionswinkel gebildet.

Für die Darstellung der Ergebnisse wurden die Torsionsmomente (in Newtonmeter (Nm) angegeben) über die Torsionswinkel (in Grad (°) angegeben) aufgetragen. In den Abbildungen kennzeichnen die blauen Verläufe die Steifigkeit bezogen auf die Pronationsrichtung des Vorfußbereichs der Schuhe und die schwarzen Verläufe die Steifigkeit bezogen auf die Supinationsrichtung des Vorfußbereichs der Schuhe. Die Kreuze stellen die Mittelwerte der Torsionsmomente und die durchgezogenen Linien die entsprechenden Regressionsgeraden dar. Zudem wurde das mittlere Torsionsmoment eines Schuhmodells für Supination (links und rechts zusammengefasst) und Pronation (links und rechts zusammengefasst) bestimmt sowie das Gesamttorsionsmoment berechnet.

Adizero F50

In Abbildung 5 sind die Verläufe der Torsionsmomente des Modells Adizero F50 dargestellt. Es wird deutlich, dass das Torsionsmoment mit zunehmendem Pronations- und Supinationswinkel ansteigt. Bei 20° Auslenkung liegen beide Torsionsmomente bei nahezu Null. Bis zu einem Torsionswinkel von 60° steigen die Torsionsmomente annähernd linear an. Mit weiter zunehmendem Pronationswinkel (blau) nimmt das Torsionsmoment exponentiell ab, das Torsionsmoment bei zunehmendem Supinationswinkel (schwarz) dagegen exponentiell zu. Beim maximalen Torsionswinkel von 90° werden die größten Torsionsmomente gemessen. Der Höchstwert bei Pronation beträgt 2,7 Nm und bei Supination 3,5 Nm.

Nitrocharge 1.0

Äquivalent zur vorherigen Darstellung veranschaulicht Abbildung 6 die Torsionsmomente des Modells Nitrocharge 1.0. Auch hier steigt das Torsionsmoment mit zunehmendem Pronations- bzw. Supinationswinkel stetig an. Über den gesamten Verlauf ist das Torsionsmoment bei Supination dabei größer als das bei Pronation. Beginnend bei ca. 0,5 Nm für Torsionswinkel von 15° bzw. 20° beträgt das Torsionsmoment bei maximaler Auslenkung in Supination ca. 6,8 Nm. Bei der Pronation beträgt der Höchstwert 5,9 Nm und ist damit um 0,9 Nm niedriger im Vergleich zur Supination. Die Differenz der Torsionsmomente nimmt dabei mit größer werdendem Torsionswinkel zu.

Die Ergebnisse der ersten Messungen zeigen, dass mit dem entwickelten ­Torsionsmessstand die Torsionssteifigkeit über einen großen Torsionswinkelbereich quantifiziert werden kann. Es sind jedoch weitere Messungen erforderlich, um die Funktionalität und Anwendbarkeit des Messverfahrens zu überprüfen. Insbesondere stehen noch Studien aus, um die Zuverlässigkeit des Verfahrens und die Validität der bestimmten Torsionsmomente zu untersuchen.

Tordiert man die beiden Schuhmodelle von Hand, so fühlt sich das Modell Nitrocharge 1.0 im Vergleich zum Adizero F50 subjektiv torsionssteifer an. Die Quantifizierung der Torsionssteifigkeit beider Schuhpaare mit dem vorgestellten Messstand bestätigt diesen subjektiven Eindruck. Der Nitrocharge 1.0 ist bei der hier applizierten maximalen Auslenkung doppelt so torsionssteif wie der Adizero F50 (ca. 7 Nm vs. ca. 3,5 Nm).

Beim Vergleich der beiden Gesamttorsionsmomente wird deutlich, dass der Nitrocharge 1.0 mit 4,1 Nm im Mittel ein ca. 2,5-fach höheres Torsionsmoment aufweist als der Adizero F50 (1,6 Nm). Bei einem Torsionswinkel von 30° Pro­nation ist das Torsionsmoment des Nitrocharge 1.0 beispielweise mit 1,8Nm um 1,3 Nm größer als das des Adizero F50 (0,4 Nm). Bei 30° Supination ist das Torsionsmoment um 2,0Nm größer (2,4 Nm vs. 0,3 Nm). Da diese Unterschiede bei allen Torsionswinkeln vorliegen, kann der Nitrocharge 1.0 als torsionssteifer bezeichnet werden. Eine mögliche Ursache für die unterschiedlichen Torsionssteifigkeiten der beiden Schuhe kann die größere Sohlendicke des Nitrocharge 1.0 sein. Dieser weist folglich ein größeres Torsionsträgheitsmoment (Flächenträgheitsmoment) auf. Außerdem ändert sich bei unterschiedlicher Materialzu­sammensetzung der Sohle das Torsionsmodul (Schubmodul) und somit die Torsionssteifigkeit (Angaben zum Schubmodul fehlen jedoch; Brinckmann et al., 2012).

Die physiologische Range der Pro­nations- bzw. Supinationsbewegung des Fußes reicht von 0° bis etwa 35°. Innerhalb dieses Bereichs steigt das gemessene Torsionsmoment mit zunehmendem Torsionswinkel an. Da für die Sportschuhforschung insbesondere dieser Bereich relevant ist, kann für differenziertere Aussagen zum winkelabhängigen Verlauf der Torsionssteifigkeit hier zweckmäßigerweise engmaschiger (z.B. in 5°-Schritten) gemessen werden.

Vor allem bei „side-cutting“-Bewegungen im Fußball können torsionssteife Schuhe von Vorteil sein, da der Schuh in Bewegungsrichtung steifer ist und den Spieler besser vor Fuß- und Sprunggelenkverletzungen schützen kann (Oh & Park, 2017). Des Weiteren können torsionssteifere Sohlen die Beschleunigung und Reaktivität in Sprint- und Laufphasen unterstützen, da die Sohle besser Verformungsenergie speichern kann und als kinetische Energie in der Abstoßbewegung abgeben kann (Clement et al., 2001).

Es wurde ein kostengünstiger, flexibel einsetzbarer Messstand entwickelt, der es ermöglicht, die Torsionssteifigkeit von diversen Schuhtypen zu ermitteln. Die Kernkomponenten bieten die hierfür erforderlichen Funktionalitäten, um einen Schuh achsengerecht einzuspannen, zu tordieren und das dabei auftretende Torsionsmoment und den Torsionswinkel des Schuhs präzise zu messen. Mit der gewählten Sensorpositionierung wird die winkelabhängige Messabweichung der Zugkraft am Kraftaufnehmer sehr geringgehalten (Abweichung von < 1%).

Die Ergebnisse der beschriebenen Testmessung sind plausibel und machen deutlich, dass der Messstand grundsätzlich geeignet ist, um die Torsionssteifigkeit einer großen Bandbreite von Schuhmodellen zu analysieren.

Weitere Messungen mit dem Messstand an unterschiedlichen Schuhgrößen der getesteten Modelle sind notwendig, um Aussagen zu der Torsionssteifigkeit der gesamten Modellreihe treffen zu können. Zudem sollte unter biomechanischen Bedingungen „im Feld“ überprüft werden, ob der Fußballspieler mit seinen personen- und spielpositionsbezogenen Anforderungen die mechanisch über den Messstand ermittelte Torsionsfähigkeit der Schuhe effizient für sich nutzen kann. Hierzu könnten z.B. Innensohlenmesssysteme eingesetzt werden, die es ermöglichen Torsionsbelastungen am Fuß im Schuh zu erfassen. Auch könnte der Einfluss von Schuhen mit unterschiedlichen Torsionssteifigkeiten auf proximale Gelenkbelastungen und -bewegungen untersucht werden.

Erstautoren:

Nils Krug und Markus Güttes

Ansprechpartner:
Thomas Stief
Institut für Sportwissenschaft
Justus-Liebig-Universität
Kugelberg 62
35394 Gießen
thomas.stief@sport.uni-giessen.de

Artikel aus OST-Ausgabe 09 / 2018