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Kinematics and kinetics of handcycling propulsion at increasing workloads in able-bodied subjects
(2018)
In Paralympic sports, biomechanical optimisation of movements and equipment seems to be promising for improving performance. In handcycling, information about the biomechanics of this sport is mainly provided by case studies. The aim of the current study was (1) to examine changes in handcycling propulsion kinematics and kinetics due to increasing workloads and (2) identify parameters that are associated with peak aerobic performance. Twelve non-disabled male competitive triathletes without handcycling experience voluntarily participated in the study. They performed an initial familiarisation protocol and incremental step test until exhaustion in a recumbent racing handcycle that was attached to an ergometer. During the incremental test, tangential crank kinetics, 3D joint kinematics, blood lactate and ratings of perceived exertion (local and global) were identified. As a performance criterion, the maximal power output during the step test (Pmax) was calculated and correlated with biomechanical parameters. For higher workloads, an increase in crank torque was observed that was even more pronounced in the pull phase than in the push phase. Furthermore, participants showed an increase in shoulder internal rotation and abduction and a decrease in elbow flexion and retroversion. These changes were negatively correlated with performance. At high workloads, it seems that power output is more limited by the transition from pull to push phase than at low workloads. It is suggested that successful athletes demonstrate small alterations of their kinematic profile due to increasing workloads. Future studies should replicate and expand the test spectrum (sprint and continuous loads) as well as use methods like surface electromyography (sEMG) with elite handcyclists.
Traglast- und Einspielanalysen sind vereinfachte doch exakte Verfahren der Plastizität, die neben ausreichender Verformbarkeit keine einschränkenden Voraussetzungen beinhalten. Die Vereinfachungen betreffen die Beschaffung der Daten und Modelle für Details der Lastgeschichte und des Stoffverhaltens. Anders als die klassische Behandlung nichtlinearer Probleme der Strukturmechanik führt die Methode auf Optimierungsprobleme. Diese sind bei realistischen FEM-Modellen sehr groß. Das hat die industrielle Anwendung der Traglast- und Einspielanalysen stark verzögert. Diese Situation wird durch das Brite-EuRam Projekt LISA grundlegend geändert. In LISA entsteht auf der Basis des industriellen FEM-Programms PERMAS ein Verfahren zur direkten Berechnung der Tragfähigkeit duktiler Strukturen. Damit kann der Betriebsbereich von Komponenten und Bauwerken auf den plastischen Bereich erweitert werden, ohne den Aufwand gegenüber elastischen Analysen wesentlich zu erhöhen. Die beachtlichen Rechenzeitgewinne erlauben Parameterstudien und die Berechnung von Interaktionsdiagrammen, die einen schnellen Überblick über mögliche Betriebsbereiche vermitteln. Es zeigt sich, daß abhängig von der Komponente und ihren Belastungen teilweise entscheidende Sicherheitsgewinne zur Erweiterung der Betriebsbereiche erzielt werden können. Das Vorgehen erfordert vom Anwender oft ein gewisses Umdenken. Es werden keine Spannungen berechnet, um damit Sicherheit und Lebensdauer zu interpretieren. Statt dessen berechnet man direkt die gesuchte Sicherheit. Der Post-Prozessor wird nur noch zur Modell- und Rechenkontrolle benötigt. Das Vorgehen ist ähnlich der Stabilitätsanalyse (Knicken, Beulen). Durch namhafte industrielle Projektpartner werden Validierung und die Anwendbarkeit auf eine breite Palette technischer Probleme garantiert. Die ebenfalls in LISA entwickelten Zuverlässigkeitsanalysen sind nichlinear erst auf der Basis direkter Verfahren effektiv möglich. Ohne Traglast- und Einspielanalyse ist plastische Strukturoptimierung auch heute kaum durchführbar. Auf die vorgesehenen Erweiterungen der Werkstoffmodellierung für nichtlineare Verfestigung und für Schädigung konnte hier nicht eingegangen werden. Es herrscht ein deutlicher Mangel an Experimenten zum Nachweis der Grenzen zwischen elastischem Einspielen und dem Versagen durch LCF oder durch Ratchetting.