Strecken auf ebener Fläche und Steigung

Die Fortbewegung im Gelände mittels Laufen ist auf ebenen Flächen möglich. In der Natur begegnet man jedoch meist unebenem Terrain, was Bergauflaufen erfordert . Ähnliche Bedingungen lassen sich auch in einer kontrollierten Umgebung auf einem Laufband simulieren . Darüber hinaus nutzen Läufer, sowohl Langstrecken- als auch Sprinter , das Laufen an Steigungen, um ihre Herz-Kreislauf-Fitness und die Kraft der unteren Extremitäten zu verbessern. ^{[ 1 ]}

Ein vollständiger Gangzyklus beginnt mit dem ersten Bodenkontakt eines Fußes und endet mit dem erneuten Bodenkontakt desselben Fußes. ^{[ 2 ]} Der Gangzyklus lässt sich in mehrere Phasen unterteilen. Beim Laufen hat definitionsgemäß maximal ein Fuß gleichzeitig Bodenkontakt, oft jedoch gar keinen. Die Bodenkontaktphase wird als Standphase bezeichnet. Die Flugphase ist der Zeitraum zwischen den Bodenkontakten des jeweils anderen Fußes, in dem sich der Körper in der Luft befindet. Die Zeitspanne vom Abheben der Zehen bis zum nächsten Bodenkontakt eines Beins wird als Schwungphase bezeichnet. Ein vollständiger Gangzyklus umfasst für jedes Bein eine Stand- und eine Schwungphase. ^{[ 3 ]}

Laufen zeichnet sich eher durch einen federnden Gang als durch den umgekehrten Pendelmechanismus des Gehens aus. ^{[ 4 ]} Die Standphase des Laufens lässt sich in zwei Abschnitte unterteilen: In der ersten Hälfte wird Energie für die negative Arbeit des Abbremsens und Absenkens des Körperschwerpunkts verwendet. In der zweiten Hälfte wird Energie für die positive Arbeit des Anhebens und Beschleunigens des Körpers eingesetzt. Aufgrund der Synchronität der Schwankungen von kinetischer und potenzieller Energie am Körperschwerpunkt wird die mechanische Arbeit beim Laufen durch die optimale Kombination der in den Sehnen durch Dehnung und Muskelkontraktion erhaltenen elastischen Energie verrichtet . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Die Laufkinematik beschreibt die Körperbewegung, insbesondere die Gelenkwinkel in Hüfte, Knie und Sprunggelenk. Beim Laufen auf ebener Strecke erreicht die Hüfte vor Ende der Schwungphase ihre maximale Beugung, gefolgt von einer Streckung beim Aufsetzen des Beins. Während der gesamten Standphase streckt sich die Hüfte bis zum Abstoß, um den Vortrieb zu erzeugen. Der Kniegelenkwinkel zeigt einen zweiphasigen Verlauf. Beim ersten Bodenkontakt beugt sich das Knie, um den Körper abzusenken, und streckt sich anschließend, um ihn abzustoßen. Die maximale Streckung wird beim Abstoß erreicht, woraufhin sich das Knie erneut beugt, um den Körper abzuheben. Im Sprunggelenk wird beim Abstoß die maximale Plantarflexion erreicht, gefolgt von einer Dorsalflexion bis zur Mitte der Schwungphase. Dort bleibt die Dorsalflexion des Sprunggelenks nahezu konstant, bis es erneut Bodenkontakt hat und sich die Dorsalflexion weiter verstärkt, um den Körper abzusenken und zu stützen. In der zweiten Hälfte der Standphase beginnt das Sprunggelenk mit einer schnellen Plantarflexion bis zum Abstoß. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 5 ]}

Es wurden mehrere Studien zur Kinematik des Bergauflaufens durchgeführt. Swanson und Caldwell (2000) stellten eine stärkere Gelenkflexion in allen drei Gelenken beim ersten Fußaufsatz fest. Außerdem beobachteten sie eine Zunahme des Streckumfangs und der Winkelgeschwindigkeit in allen drei Gelenken beim Abstoß. ^{[ 6 ]} Im Gegensatz dazu fanden Klein et al. keine Veränderungen der Gelenkwinkel beim Laufen am Hang im Vergleich zu ebenen Flächen. ^{[ 7 ]} Allerdings liefen seine Probanden mit einer Geschwindigkeit im Bereich der anaeroben Schwelle (durchschnittlich 3,5 m/s), die signifikant langsamer war als die der Probanden in der Studie von Swanson und Caldwell (4,5 m/s). Zudem betrug die Steigung 5 % im Vergleich zu 30 %.

Bei konstanter Laufgeschwindigkeit wurde festgestellt, dass die Schrittfrequenz beim Bergauflaufen im Vergleich zum Laufen auf ebener Strecke zunimmt, während die Schrittlänge gleichzeitig abnimmt. Gottschall und Kram beobachteten bei einer Geschwindigkeit von 3 m/s einen Anstieg der Schrittfrequenz von 1,45 ± 0,06 Hz auf 1,51 ± 0,07 Hz bei einer Steigung von 9 Grad (15,8 %). ^{[ 8 ]} Telhan et al. bestätigten diesen Befund bei einer konstanten Geschwindigkeit von 3,13 m/s und einer Steigung von 4 Grad (6,98 %), indem sie einen Anstieg der Frequenz von 168,5 ± 8,1 Schritten/min auf 170,5 ± 7,9 Schritte/min feststellten. ^{[ 9 ]} Beide Studien beobachteten zudem eine signifikante Verringerung der Schrittlänge beim Bergauflaufen im Vergleich zum Laufen auf ebener Strecke. Die genannten Studien wurden bei moderaten Geschwindigkeiten durchgeführt. Bei einer Erhöhung der Laufgeschwindigkeit um 4,5 Meter pro Sekunde und der Steigung um 30 % zeigen sich die gleichen Tendenzen einer zunehmenden Schrittfrequenz und einer abnehmenden Schrittlänge. ^{[ 6 ]}

Die Quadrizepsmuskelgruppe und der Musculus rectus femoris sind beide für die Kniestreckung verantwortlich, wobei der Musculus rectus femoris zusätzlich zur Hüftbeugung beiträgt. Elektromyografische (EMG) Daten zeigen, dass beide Muskeln in der Standphase vorwegnehmend und währenddessen aktiv sind, um den Körper zu stützen. Der Musculus rectus femoris ist aufgrund seiner Hüftbeugefunktion auch in der mittleren Schwungphase aktiv. Die wichtigsten Antagonisten des Quadrizeps sind die Gesäßmuskeln (Hüftstreckung) und die hintere Oberschenkelmuskulatur (Hüftstreckung und Kniebeugung). Die hintere Oberschenkelmuskulatur wird in der mittleren Schwungphase aktiviert, um das Unterschenkel abzubremsen. Beide Muskelgruppen sind in der späten Schwungphase aktiv, um die Hüftstreckung einzuleiten, und wirken auch in der ersten Hälfte der Standphase in derselben Funktion. Die auf das Sprunggelenk wirkenden Unterschenkelmuskeln sind die Dorsalflexoren ( Musculus tibialis anterior ) und Plantarflexoren ( Musculus gastrocnemius und Musculus soleus ). Der Gastrocnemius und der Soleus sind in der letzten Phase der Schwungphase aktiv, um den Fußaufsatz vorzubereiten, und bleiben während der Standphase bis kurz vor dem Abheben der Zehen aktiv, um den Körper nach vorne zu treiben. Der Tibialis anterior ist während der Schwungphase aktiv, um die Bodenfreiheit zu gewährleisten, und erfährt während der Standphase eine exzentrische Verlängerung, um die Verzögerung und das Absenken zu kontrollieren. ^{[ 2 ]}

Cai beobachtete beim Bergauflaufen eine erhöhte Aktivierung des Musculus rectus femoris und des Musculus gastrocnemius. ^{[ 10 ]} Yokozawa fand beim Bergauflaufen eine erhöhte Aktivierung der Vastus-Muskulatur, der Hamstrings, des Musculus iliopsoas und der Adduktoren . ^{[ 11 ]} Beide Studien gaben jedoch nicht an, zu welchem ​​Zeitpunkt im Gangzyklus diese Aktivierungssteigerungen auftraten. Swanson erfasste ebenfalls EMG-Daten und verglich die Unterschiede vor (Schwungphase) und nach (Standphase) dem Fußaufsatz sowie in einem breiteren Spektrum von Muskeln. Die Ergebnisse zeigten signifikante Aktivierungssteigerungen des Musculus tibialis anterior, des Musculus gastrocnemius, des Musculus soleus, des Musculus rectus femoris, des Musculus vastus lateralis , der medialen Hamstrings, des Musculus biceps femoris und des Musculus gluteus maximus vor dem Fußaufsatz. Nach dem Fußaufsatz wurden Aktivierungssteigerungen in allen Muskeln mit Ausnahme des Musculus tibialis anterior und der medialen Hamstrings beobachtet. ^{[ 6 ]}

Die Laufkinetik , ähnlich der Kinematik, beschreibt die Körperbewegung. Im Gegensatz zur Kinematik berücksichtigt die Kinetik jedoch auch den Zusammenhang zwischen Bewegung und den sie verursachenden Kräften und Drehmomenten . Diese werden als Gelenkmomente und -drehmomente ausgedrückt. ^{[ 4 ]} Telhan et al. beobachteten keine Veränderung der Gelenkmomente in Hüfte, Knie oder Sprunggelenk beim Vergleich von Berg- und Flachlauf. Sie stellten außerdem fest, dass sowohl die allgemeinen kinetischen Muster als auch die Spitzenwerte in allen drei Gelenken mit den Angaben in der aktuellen Literatur übereinstimmten. Die einzige signifikante Veränderung zwischen den beiden Bedingungen war eine Zunahme der Hüftkraft in der frühen Standphase. ^{[ 9 ]} Yokozawa hingegen beobachtete einen Anstieg der Knie- und Hüftdrehmomente im Musculus rectus femoris während der Stützphase und vermutete, dass dies ein Kompensationsmechanismus für das verringerte Kniestreckmoment im Vastus femoris sei. Zudem wurde ein Anstieg des resultierenden Hüftbeugemoments in der Erholungsphase des Berglaufs festgestellt, was eine schnellere Erholung und eine größere Hüftbeugung ermöglichte. ^{[ 11 ]}

Bodenreaktionskräfte (GRF) werden vom Boden auf den Körper ausgeübt, der mit ihm in Kontakt steht, und spiegeln die Beschleunigung des Körpers wider. Beim Laufen auf ebener Strecke lassen sich Bodenreaktionskräfte in vertikale und horizontale Bodenreaktionskräfte unterteilen. Beim Vergleich von Bergauf- und Bergablaufen werden die Begriffe „normale“ und „parallele“ Bodenreaktionskräfte anstelle von „vertikalen“ und „horizontalen“ verwendet, da letztere beim Bergablaufen die Richtung der Krafteinwirkung nicht mehr präzise beschreiben. Die Messwerte werden als Prozentsatz des Körpergewichts angegeben, wobei ein Körpergewicht der Kraft entspricht, die zum Halten des Körpers im Stehen erforderlich ist. Die normale GRF ist durch ihren zweiphasigen Verlauf gekennzeichnet: Ein erster, hoher Peak entspricht der Bremsphase der Standphase (Fersenauftritt), gefolgt von einem größeren Peak, der die Abstoßphase der Standphase (Zehenabstoß) darstellt. Die typische parallele GRF beim Laufen weist zwei Peaks auf: einen negativen Peak während der Bremsphase und einen positiven Peak während der Abstoßphase. Wichtige Merkmale eines Bodenreaktionskraftdiagramms (GRF-Diagramm) sind die Höhe der Spitzenwerte (Aufprall- und aktive Spitzenwerte), die Belastungsrate, die durchschnittliche Kraft und die Gesamtfläche unter der Kurve. ^{[ 2 ] [ 4 ] [ 8 ]}

Beim Laufen auf ebener Fläche mit einer Geschwindigkeit von 3 Metern pro Sekunde erreicht die vertikale Bodenreaktionskraft einen Spitzenwert von etwa dem 2,5-Fachen des Körpergewichts. Daten zur normalen Bodenreaktionskraft beim Bergauflaufen sind aufgrund von Schwierigkeiten beim Bau von Kraftmessplatten rar . Gottschall und Kram (2004) montierten ein Kraftmesslaufband auf Keilen mit unterschiedlichen Neigungen und stellten fest, dass der anfängliche Aufprallpeak im Vergleich zum Laufen auf ebener Fläche bei 3, 6 und 9 Grad Neigung reduziert war. Sie beobachteten außerdem, dass die bremsende parallele Bodenreaktionskraft bei 9 Grad Neigung nicht mehr auftrat, während die propulsive parallele Bodenreaktionskraft um 75 % zunahm. ^{[ 8 ]} Tehlan hingegen fand bei 4 Grad Neigung keinen reduzierten Aufprallpeak. ^{[ 9 ]}

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