... ein Ausflug in die Physik des Laufens

Zum besseren und schnellerem Laufen gehört neben dem vernünftigen Training auch ein vernünftiger Laufstil. Bei einigen Läufern steckt hier sicher noch einiges an Potential, das aktiviert werden könnte. Im folgenden hat "Dr Lälles" einige Abschätzungen (aus verschiedenen Quellen) zusammengefasst.

Jeder Läufer kann durch Training eine gewisse maximale Leistung [hier ist die physikalische Leistung in Watt gemeint] über eine bestimmte Zeitspanne aufbringen. Je besser der Trainingszustand und je kürzer die Strecke, desto größer ist diese maximale Leistung. Die entscheidende Frage ist, wie der Läufer mit dieser ihm zur Verfügung stehenden Leistung möglichst schnell laufen kann.  

Gehen

Zunächst betrachten wir erst einmal das 'Gehen' - ist die etwas einfachere Fortbewegungsart.
Beim normalen Gehen wird die aufzubringende Leistung hauptsächlich durch das Heben des Schwerpunktes verursacht. Die physikalische Leistung P berechnet sich aus:

P= Masse * Erdbeschleunigung * Schrittfrequenz * Schwerpunkthub

Für eine Person mit 70 kg und 3 cm Schwerpunkthub (Anheben des Körperschwerpunktes) ergeben sich bei 2 Schritten pro Sekunde und der Erdbeschleunigung von 9.81 m/s² ca. 41 W.

Die innere Leistung (das, was der Körper für den Vorgang aufbringen muß, beträgt ca. 350 W. Davon sind ca. 85 W sogenannter Grundumsatz (Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen). Von der restlichen Muskelenergie können nur ca. 20% (der sogenannte Wirkungsgrad) genutzt werden - in diesem Beispiel (350 W - 85 W)*0.2 = 53 W.

Von 53 W Muskelleistung werden also 41 W für das Heben des Schwerpunktes aufgebracht. Die restlichen 12 W werden im wesentlichen für die Bewegung der Beine benötigt (kinetische Energie.  

Laufen

Beim Laufen mit ca. 9 km/h sieht die Sache etwas anders aus. Hierfür werden ca. 900 W innere Leistung benötigt. Nach Abzug des Grundumsatzes und Berücksichtigung des Wirkungsgrades (900 W - 85 W)*0.2 bleiben 163 W übrig.

Der Schwerpunkthub ist beim Laufen größer als beim Gehen und kann typischerweise mit ca. 4-5% der Körpergröße angesetzt werden. Bei einem 1.80 m großen Läufer sind das etwa 8 cm. Gehen wir von einer Schrittlänge von 1 m aus, so werden für 9 km/h (9000 m / 3600 s = 2.5 m/s = 2.5 Schritte/s) 2.5 Schritte pro Sekunde benötigt. Die Schwerpunktleistung berechnet sich zu P=70 kg* 9.81 m/s² * 2.5 /s * 0.08 m = 137 W. Der Rest (25 W) wird für die Beschleunigung der Beine und Arme aufgebracht (schnellere Bewegung als beim Gehen, daher mehr als vorher).  

Berglauf

Noch interessanter wird die Sache beim Berglauf. Lassen wir unseren Läufer innerhalb von 15 Minuten zusätzlich einen 50 m hohen 'Berg' hinauflaufen, so werden zusätzlich weitere 38 W benötigt (P=m*g*h/t = 70 kg * 9.81 m/s² * 50 m / (15*60s) = 38 W).

Bei konstanter Leistung muß der Läufer also das Äquivalent von 38 W langsamer laufen, um sich nicht zu überanstrengen. Im Fall des Läufers von oben wären das in etwa 2 km/h weniger, d.h. mit der gleichen Leistung kann der Läufer nur noch 7 km/h statt 9 km/h laufen.  

Kinetische Energie der Beinbewegung

Je schneller man läuft, desto größer wird der Anteil der Leistung für die Beschleunigung der Beine (insbesondere für Sprinter ist eine optimale kinematische Beinbewegung wichtig). Aber auch für den Langstreckenlauf ist es vorteilhaft, wenn die kinetische Energie der Beinbewegung möglichst niedrig ist.

Je weiter unten unnötige Masse an den Beinen befestigt ist, desto höher ist die zusätzliche kinetische Energie. Mit anderen Worten: schwere Schuhe kosten zusätzlichen Energieaufwand - pro 100 gr. zusätzliches Gewicht pro Fuß läuft man in etwa 1% langsamer, d.h. ein 3-Stunden-Marathonläufer kann mit 100 gr. leichteren Schuhen bei gleichem Energieaufwand in etwa 2 Minuten schneller laufen.

Andere ungünstige Faktoren sind große Füße oder übermäßig dicke Waden (zumindest für die Betrachtung der kinetischen Energie).  

Was wäre denn, wenn ...

... man energiesparender laufen könnte? Sieht man sich die Formel für den Schwerpunkthub

P= Masse * Erdbeschleunigung * Schrittfrequenz * Schwerpunkthub

an (für Langstreckenläufer gegenüber dem Energieaufwand für die Beinkinematik der interessantere Teil), so könnte man die Leistung beim Laufen durch die folgenden Faktoren herabsetzen:

Verringerung der 'toten' Masse (sprich: Fett). Lassen wir unseren 70kg-Läufer von oben 3 Kilo Fett abnehmen (wo soll der das bloss noch haben...), so sinkt die benötigte Leistung von 137 W auf gerade mal 131 W. Immerhin, ein bißchen bringt das schon. Wenn wir jetzt nicht mit einem Modellathlethen gerechnet hätten, sondern mit jemandem, der einen 20kg-Bierbauch mit sich herumschleppt, dann würde sich das sogar richtig lohnen. Aber das ist sicher kein Geheimnis ...

Die Erdbeschleunigung können wir leider nicht ändern (oder ... halt, doch, können wir! Wir brauchen uns nur zum 1. Mondmarathon anmelden! Für die meisten Läufer dürften aber die Reisekosten dafür den Rahmen sprengen, so daß wir diesen Punkt doch lieber bei der Betrachtung außen vor lassen sollten. Eigentlich schade, weil die Anziehungskraft auf dem Mond nur 1/6 der der Erde ist - das würde sicher eine persönliche Bestzeit werden - und Weltrekord, oder heißt das dann Universum-Rekord?

Der letzte Teil 'Schrittfrequenz * Schwerpunkthub' muß eigentlich gemeinsam betrachtet werden. Längere Schritte senken z.B. bei gleicher Geschwindigkeit die Schrittfrequenz herab (verringert die Leistung), heben aber gleichzetig den Schwerpunkt mehr an (erhöht die Leistung). Würde der Läufer von oben bei gleicher Schrittfrequenz seinen Schwerpunkthub von 8 cm auf 7 cm verringern, so würde die benötigte Leistung auf 120 W sinken. Das lohnt sich schon eher...

Sportwissenschaftler haben übrigens beobachtet, daß gute Läufer im Prinzip alle mit einer Schrittfrequenz von 180-190 Schritten pro Minute laufen - egal, ob Mittelstreckenläufer oder Marathoni. Die unterschiedliche Geschwindigkeit wird nur durch die Schrittlänge gesteuert. Anfänger mit einem schlechten Laufstil haben oft nur eine Schrittfrequenz von 140-160 Schritten pro Minute. Dr Lälles meint: "Zähl doch spaßeshalber mal Deine Schritte beim nächsten Trainingslauf".  

Fazit

Was man sicher auch schon so weiss, läßt sich mit den paar Formeln ganz gut nachvollziehen: ein unsauberer Laufstil ('springen', d.h. unnötige Schwerpunktanhebung, aufgebrachte Muskelleistung nicht in Vortrieb umgewandelt) erhöht die benötigte physikalische Leistung unnötig. Insbesondere wenn man ermüdet, sollte man verstärkt darauf achten, 'sauber' zu laufen.

Wie man seinen Schwerpunkt ruhig hält, ist eine andere Sache. Videoaufnahmen (Laufband) sind hier sicher hilfreich, um den Laufstil erst einmal zu untersuchen und Defizite zu erkennen.