Kraftmessungen an Trampolinspringern

Da Dewesoft viel Erfahrung mit Auto-Crashtests hat, dachten wir, es könnte interessant sein, die Kräfte, die beim Springen auf unterschiedlich großen Trampolinen entstehen, mit denen zu vergleichen, die bei einem Autounfall auf den menschlichen Körper wirken. Dabei wollten wir nicht nur unsere Neugierde bezüglich der Kräfte an sich befriedigen, sondern auch herausfinden, ob das Springen für die Sportler (zu) gefährlich sein könnte.

Sehen Sie es in diesem Video selbst – Messung der bei Trampolinsprüngen auf den Körper des Athleten wirkenden Kräfte – DD Squad x Dewesoft:

Trampolinspringen

Bei Trampolinen handelt es sich um relativ einfache Geräte, die für Sportgymnastik und Freizeitzwecke entwickelt wurden. Ein Trampolin besteht aus einem straff gespanntem, starkem Tuch, das mittels Spiralfedern in einem Stahlrahmen verankert ist. Dabei ist das Sprungtuch selbst nicht elastisch; die Elastizität kommt vielmehr von den Federn, die die beim Springen entstehende potentielle Energie speichern.

Die Federn sorgen dafür, dass das Trampolin wie gewünscht funktioniert – und zwar auf der Grundlage zweier physikalischer Gesetze:

• Hookesches Elastizitätsgesetz: Die Kraft, die benötigt wird, um eine Feder zu dehnen, ist proportional zur Länge der Dehnung.

• Drittes Newtonsches Gesetz der Bewegung: Für jede Wirkung gibt es eine gleich große, entgegengesetzte Gegenwirkung. Wenn man auf ein Trampolin springt, erzeugen die Federn also eine gleiche, entgegengesetzte Kraft, und man wird zurück in die Luft geschleudert.

Als Geburtsstunde des Trampolinspringens als Sportart kann das Jahr 1936 gelten, als der amerikanische Turner George Nissen das moderne Trampolin entwickelte. Die ersten offiziellen amerikanischen Meisterschaften fanden 1954 statt, und 10 Jahre später wurde in England die erste Weltmeisterschaft ausgetragen. Im selben Jahr gründeten Funktionäre aus den teilnehmenden Ländern den Internationalen Trampolin-Verband (FIT). Seit 2000 ist das Trampolinturnen olympische Disziplin.

Trampoline

Wir nahmen uns vor, Kraftmessungen mit drei verschiedenen Trampolinen durchzufûhren und zu vergleichen:

• Minitrampolin
  Minitrampoline (auch Rebounder genannt) sind Trampoline, deren Sprungfläche einen Durchmesser von unter 1 Meter hat und sich nur etwa 30 Zentimeter über dem Boden befindet.

• Olympisches Trampolin
  Die Größe olympischer Trampoline wird oft mit 17 Fuß (ca. 5,18 m) für die Länge und 10 Fuß (ca. 3,05 m) für die Breite angegeben. Ihre offizielle Größe ist jedoch metrisch definiert und beträgt 5 m (Länge) x 3 m (Breite) x 1,15 m (Höhe).

• Supernova-Trampolin
  Diese Trampoline haben größere Sprungflächen mit weniger Federn und somit einer geringeren Spannung, wodurch für starke Sprünge ein geringerer Kraftaufwand erforderlich ist. Zudem können durch die Größe mehrere Springer auf der Sprungfläche interagieren und ihre Kräfte bündeln. 

The Dunking Devils

Die naheliegende Wahl der Trampolinathleten für den Test waren die Dunking Devils oder DD Squad, eine weltberühmte Gruppe slowenischer Sportler, die eine akrobatische Basketball-Show auf Trampolinen vorführen. Ihr Weg zum Erfolg begann 2004 in Ljubljana, als vier von akrobatischem Dunking begeisterte Freunde beschlossen, ihre Liebe zum Trampolinsport mit der Welt zu teilen.

Im Laufe der Jahre ist die Gruppe auf über 70 Akrobaten angewachsen, von denen 25 als Profis in der Show auftreten. Sie sind nicht nur zweifache Weltmeister im akrobatischen Basketball, sondern halten auch zwei Guinness-Weltrekorde: einen für den höchsten Slam-Dunk mit Frontflip und den zweiten für den Slam Dunk von einem Trampolin aus der größten Entfernung.

Messanordnung

Obwohl ihre Anwendung einzigartig ist, ist die Messung an sich nichts Neues oder Außergewöhnliches. Das Problem bestand im Wesentlichen darin, eine geeignete leichte und kleine Konfiguration zu entwickeln, die in der Lage wäre, die auf den Körper des Athleten wirkenden Kräfte zu messen.

Wir statteten die Trampolinspringer schließlich mit einem kleinen Rucksack für die benötigte Messausrüstung aus. In diesem Rucksack wurde ein Tablet platziert, an das wir einen DS-IMU1-Sensor und eine GPS-Antenne anschlossen.

Mithilfe des inertialen Navigationssystems DS-IMU1 wurden die GPS-Position, die Höhe, der Roll-, Nick- und Gierwinkel sowie die Beschleunigungskräfte gemessen, während die GPS-Antenne das für eine ausreichende Genauigkeit erforderliche GPS-Signal lieferte. Die GPS-Antenne wurde dazu mit dem IMU-Gerät verbunden, das über ein USB-Kabel an den Computer angeschlossen war. Die Daten wurden mithilfe der Datenerfassungssoftware DewesoftX direkt auf dem Tablet gespeichert.

Die inertiale Messeinheit DS-IMU1 von Dewesoft ist eine Kombination aus mehreren Sensoren (Gyroskop, Beschleunigungssensor, Magnetometer, Drucksensor) und einem Hochgeschwindigkeits-GNSS-Empfänger. Mithilfe ausgefeilter Algorithmen liefert sie selbst unter anspruchsvollsten Bedingungen genaue Positions-, Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Orientierungsdaten.
Vor dem Beginn der Messung richteten wir die Sensorachse aus und richteten einen Remote-Desktop-Zugriff auf das Tablet ein, um die Datenerfassung während der Messung beobachten zu können.

Messungen

Obwohl es sehr schwierig ist, den Spaß beim Springen auf einem Minitrampolin mit dem beim Springen auf dem Supernova zu vergleichen, wurden unsere Annahmen in gewisser Weise bestätigt. Hierbei ist zu bedenken, dass eine g-Kraft von 1 g der normalen Erdbeschleunigung (ca. 9,8 m/s²) entspricht.

Auf dem Minitrampolin wurden beim Sprung Kräfte von 6,9 g auf der X-Achse und 8 g auf der Z-Achse erreicht; damit entsprechen die kombinierten g-Kräfte beim Absprung denen beim Aufprall eines Autos auf eine Wand bei 25 km/h.
Auf dem olympischen Trampolin ist nur die Z-Achse relevant. Beim höchsten Sprung wurde eine g-Kraft von 8,4 erreicht, die in etwa den Kräften entspricht, die entstehen, wenn ein Auto mit 20 km/h gegen eine Wand prallt.

Auf dem Supernova-Trampolin können die von mehreren Athleten erzeugten Kräfte auf einen Springer übertragen werden – es ist darauf ausgelegt, die Sprunghöhe zu maximieren. Die größten Kräfte liegen hier auf der x-Achse, da der Springer mit dem Rücken abfedert. Beim Aufprall des Springers wurde eine Kraft von 14,6 g erreicht, die der Kraft einer Autokollision bei 30 km/h entspricht.

Fazit

Wie im Video beschrieben, wirkten je nach Größe des Trampolins unterschiedliche g-Kräfte auf den Körper des Springers. Diese Kräfte variierten zwischen 6 und 14 g, entsprechend dem Aufprall eines Autos mit 25–30 km/h. Die hohe Intensität der Kräfte, die auf die Athleten einwirken, überraschte uns.

Bezüglich des Gefahrenaspekts kamen wir jedoch zu dem Schluss, dass das Springen auf dem Trampolin trotz der unerwartet hohen g-Kräfte als sicher gelten kann, da die Verzögerungskraft aufgrund der flexiblen Aufprallfläche viel geringer ist als bei einer Autokollision.

Und wie sieht es mit der These aus, dass der Spaß umso größer ist, je größer die Kraft ist? Man kann wohl ruhig sagen, dass die Größe in diesem Fall keine Rolle  spielt: Trampolinspringen macht so oder so Spaß!