mikrocontroller.net

Forum: Digitale Signalverarbeitung / DSP Berechnung der Muskelleistung


Autor: Tobias N. (technick2)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ich versuche, eine Formel aufzustellen, welche die Arbeit beschreibt, 
die ein Muskel leisten muss. Es geht konkret um Ergometrie, also die 
Messung der Leistung mit Testfahrrädern beim Arzt. Bei einem 
routinemäßigen Herztest (bei dem kein Problem entdeckt wurde :-)) wurde 
stufenweise um jeweils angeblich 25W gesteigert und die Herzfrequenz 
gemessen. Das Gerät zeigt die Leistung an, die man abgibt.

Ich habe nun versucht, nachzurechnen, wie die Leistung zustande kommt, 
komme aber irgendwie nicht hin. Drehzahl x Drehmoment würde noch 
stimmen, nehme Ich an, wobei Ich nicht genau weiß, mit welcher Kraft Ich 
jeweils reingetreten habe. Da glaube Ich jetzt mal der Maschine.

Das Problem sind aber die Verluste und damit der Wirkungsgrad, weil die 
Beinmassen bewegt werden müssen und es bei unterschiedlichen 
Geschwindigkeiten anderen Ergebnisse geben dürfte. Wie berechne Ich das, 
was in die Beschleunigung der Beine geht? Das müsste eigentlich 
quadratisch mit der Bewegungsfrequenz gehen, oder?

Sowohl Oberschenkel als auch Unterschenkel bewegen sich im Schwerpunkt 
sinusförmig und die 2. Ableitung (Beschleunigung nach Ortskoordinate) 
bringt dann die Frequenz im Quadrat.

Recherche ergab Oberschenkel beim Mann 12Kg, Unterschenkel 5Kg, 
Druchmesser = ca 32cm, damit Bewegungsamplitude des Schwerpunktes etwa 
8cm. Ich habe einfach die beiden Bewegungen in Sinus und Cosinus 
aufgetrennt. Sieht da jemand einen Denkfehler?

Der Oberschenkel wäre damit 12Kg x 8cm x sin (wt) und der Unterschenkel 
5Kg x 8cm x cos (wt).

Omega (w) sind 2  PI  f und bei 60 UPM also ungefähr 6.

Für die Geschwindigkeit hätte Ich damit 8cm x 6 x sin und die 
Beschleunigung 8cm x 6 x 6.

Zusammen komme Ich für OS/US auf 34N/17N an Kraft und 0,5m/s und somit 
17W/8W.

Kommt das hin oder muss da noch das Integral / Flächeninhalt vom Sinus 
(PI) rein wegen der Mittelung?

Autor: Achim S. (achs)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Tech N. schrieb:
> Wie berechne Ich das,
> was in die Beschleunigung der Beine geht?

Garnicht. Erstens spielt es bei der Angabe "Ergometer, 100W" keine 
Rolle, welche Verluste Du bei Dir hast, der Vergleich sind diese 100W an 
der Kurbel,

Zweitens gibt es zumindest die Theoretische Chance, dass diese Bewegung 
ohne Verluste Möglich ist, also "keine" Leistung benötigt. Zumindest 
keine (zusätzlich zu den 100W des Ergometers), die aus dem 
Bewegungsablauf resultiert.

Autor: Achtung Achtung Achtung (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Falscher Ansatz! Gemessen wird nur die abgegebene bzw. vom Ergometer 
aufgenommene Leistung. Was das Herz leistet wird nicht gemessen.

Autor: Tobias N. (technick2)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Langsam, die Herzleistung ist nochmal was anderes. Die wird über den 
Sauerstoff gemessen.

Es geht jetzt aber erst um die Berechnung der Abgabeleistung + Verluste.

Die Abgabeleistung habe Ich ja, nämlich das, was an der Kurbelachse 
ankommt. Das ist Drehzahl x Drehmoment und wird angezeigt.

Die Verluste in den Beinen und Armen und Oberkörper, gehen nicht in die 
Achse, produzieren aber auch Energiebedarf. Das ist mir klar.

Was Ich zuerst aber mal haben möchte, ist die Abschätzung, was man durch 
die Beine verliert. Mit mehr Tempo müsste das mehr sein. Auch schwerere 
Beine sollten grössere Verluste haben.

@Achim:
Das habe Ich mir auch überlegt, dass die Beschleunigung der Masse wieder 
ins Pedal geht, weil das Bein gebremst wird und man den Schwung nutzt. 
Aber beim gleichmässigen Treten (konstant rund) müsste das minial und 
damit optimal sein, denke Ich. Also "Reinstapfen" sollte nicht gut sein.

Was wäre denn, wenn man gar keinen Gegendruck durch das Pedal hat? 
Stimmt die Rechnung dann?

Oder kann man sagen, daß die Pedale die Beine automatisch bewegen, wenn 
sie Schwung haben und nur die Verluste steigen?

Autor: Jürgen S. (engineer) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Wir hatten doch bereits so einen Ergometer-Thread, meine Ich. Da wurde 
Ähnliches diskutiert. Die Berechnung von Muskelverlusten ist alles 
andere, als trivial:

Richtig ist, dass ein Teil der Beschleunigung der Beine indirekt in die 
Pedalkraft über geht und das, was dadurch nicht abgefangen wird, also 
zur Beschleunigung des Systems beiträgt, durch die Umlenkwirkung der 
Kurbeln in eine Kreisbewegung geformt wird. Das ist aber nicht so, wie 
bei einem Motor und seinen Pleuelstangen und Kolben, weil die Beine 
nicht starr sind. Deshalb werden da große Verluste produziert. Wieviel 
das ausmacht, hängt von der Kraft im Sprunggelenk ab:

So, wie viele Leute radfahren, nämlich mit sich negativ durchdrückenden 
Waden, geht ein Großteil dieser dynamischen Energie ins Nichts. Eine 
saubere Trittbewegung arbeitet aber konstruktiv, d.h das Sprunggelenk 
bewegt sich positiv und der Fuss addiert den Weg. Dies ist deshalb gut, 
weil damit die Beine weniger Weg machen müssen. Das wiederum ist 
insbesondere bei geringen Belastungen effektiv, weil damit die Verluste 
sinken. Bei hohem Pedaldruck ist das dann nicht mehr aufrecht zu 
erhalten und der Fuss wird starrer bis hin zu der negativen Bewegung 
oben bei Maximalbelastungen.

Generell ist die Vorstellung der steigenden Verluste mit hohen 
Trittfrequenzen also richtig, d.h, je höher die Drehzahl desto höher 
auch die (möglichen) Verluste. Was dabei in erster Linie wirkt, ist die 
passive Masse, also das Fett und die nicht (oder unvollständig) 
komprimierte Muskelmasse. Die nimmt Beschleunigung auf auf "wackelt" es 
in Wärme um. Es ist daher bei geringen Belastungen mit wenig Druck, sehr 
viel Muskelmasse mit wachsenden Verlusten zu rechnen.

Autor: Jürgen S. (engineer) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Noch ein paar weitere Anregungen zur Berechnung von Verlusten und der 
"optimalen" Trittfrequenz:

Es gibt in der Literatur zahlreiche Ansätze, solche Verluste zu 
berechnen und zu optimieren und die optimalen Sitzpositionen zu finden 
und eben auch die Drehzahl zu perfektionieren. Das Ganze krankt aber an 
der Unzahl an Parametern und vor allem den beteiligenten Muskelgruppen, 
deren Dehnung und Spannung, der individuellen Viskosität und der 
Zusammensetzung im Bezug auf das Verhältnis von weissen und roten 
Muskelfasern.

Was aus den mir bekannten Rechnung herauskommt, ist auch oft deshalb 
nicht real, weil es bestimmte Effekte unterschlägt.

Auch wenn geringe Drehzahlen weniger Verluste machen, wird im 
Radrennsport trotzdem mit hohen Drehzahlen gefahren, weil die 
Übertragung der Leistung bei -> "hoher Kadenz" weniger Druck erfordert 
und mit weniger Druck gibt es einerseits nicht nur weniger Verluste 
durch das negativ bewegte Sprunggelenk und damit auch weniger Ermüdung 
und Schmerz. Vor allem kann man nur so unterhalb des maximalen 
Dauerdrehmomentes bleiben, das
durch die maximale Muskelspannung definiert ist. Bei Ausdauerleistungen 
kann man ja nur das Treten, was permanent an Sauerstoff nachgeliefert 
wird und mit zunehmendem Druck werden die Kapillaren abgeschnürt und der 
Blutstrom begrenzt. Irgendwann wird trotz maximalen Herzminutenvolumens 
nicht mehr genug Blutdruck erzeugt.

Dieser Effekt ist auch der Grund, warum man mit Rennpedalen, bei denen 
die Füße eingeklickt sind, grundsätzlich mehr Dauerleistung übertragen 
kann. Die Beine (Oberschenkel wie Unterschenkel) agieren dann auch in 
der jeweiligen Zugphase.

War das bei Deinem Ergometer der Fall?

Sobald man mit normalen Pedalen nicht nur nach unten drücken- sondern 
den Fuss kreisrund führen will, braucht es Anpressdruck am Pedal, also 
immer einen Offset, der auch Verluste macht.

Auf klassischen Ergometern beim Hausarzt, wie sie beim Conconi-Test 
verwendet werden, leisten Radsportler deutlich weniger, als auf den 
Spiroergometrie-Systemen der spezialisierten Sportärzte, wo sie optimal 
sitzen.

Da spielen auch die Ermüdung, das subjektive Schmerzempfinden und (meine 
Überlegung!) die "Massagewirkung" des Muskeln eine Rolle, die genau 
durch das ineffiziente Wackeln teilbelasteter Muskeln entsteht.

Autor: Esmeralda P. (Firma: privat) (max707)
Datum:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Nichts geht über den runden Tritt!

: Bearbeitet durch User
Autor: Jim M. (turboj)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Tech N. schrieb:
> Die Verluste in den Beinen und Armen und Oberkörper, gehen nicht in die
> Achse, produzieren aber auch Energiebedarf. Das ist mir klar.

Den dürftest Du deutlich unterschätzen. Ein Heitungsbauer rechnet mit 
250-300W Wärme pro Person in ruhiger Umgebung (Büro), wenn z.B. Heizung 
oder Klima berechnet wird.

Damit kannste Deine paar 10W mechanischen Verluste in den Skat drücken, 
zumindest aus medizinischer Sicht.

Schau Dir mal das Ergometer Video von Thunderf00t auf youtube an. Dort 
hat er sich mal mit 'ner Wärmebild Kamera aufgenommen - das 
Wärmemanagement vom menschlichen Körper ist recht komplex.

Autor: Tobias N. (technick2)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Jim M. schrieb:
> Ein Heitungsbauer rechnet mit
> 250-300W Wärme pro Person in ruhiger Umgebung (Büro), wenn z.B. Heizung
> oder Klima berechnet wird.
Das mag sein, aber das war nicht Gegenstand der Frage. Außerdem sind die 
so oder so der Fall und gehören nicht in die Rechnung der Leistung.

> Damit kannste Deine paar 10W mechanischen Verluste in den Skat drücken,
Ich denke, dass das mehr ist. Nur so ist die Wärmeentwicklung beim Sport 
zu erklären.

Es reicht z.B. nur 100 Watt ins Ergometer zu drücken, um binnen wenigen 
Minuten zu überhitzen. Die Körpertemperatur steigt in einem Maß an, das 
auf mindestens 500W Wärme schließen lässt.

Die Verluste müssen also größer sein, als das was man so normal 
verbraucht.

Autor: Esmeralda P. (Firma: privat) (max707)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Diese Vorgehensweise ist doch schlicht unbrauchbar.

Bevor solche Berechnungen angestellt werden macht man erst einmal 
aussagekräftige, reproduzierbare Laborversuche. Anschließend kann man 
versuchen bestimmte Theorien aufzustellen.

Den Wirkungsgrad anschließend zu berechnen ist dann Pillepalle.

Autor: Tobias N. (technick2)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Esmeralda P. schrieb:
> Bevor solche Berechnungen angestellt werden macht man erst einmal
> aussagekräftige, reproduzierbare Laborversuche

Wie würdest Du diese Laborversuche ansetzen?

Autor: Jürgen S. (engineer) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Jim M. schrieb:
> Ein Heitungsbauer rechnet mit
> 250-300W Wärme pro Person in ruhiger Umgebung (Büro), wenn z.B. Heizung
> oder Klima berechnet wird.
Das finde Ich aber etwas übertrieben. Für normale Personen 
durchschnittlichen Gewichts und wenig Aktivität nimmt man im Allgemeinen 
etwa 2000kcal an täglichem Energiebedarf an. Das sind gerade 100W bei 
vollständiger Umsetzung in Wärme. Auch für körperlich aktive Personen 
wie Bauarbeiter werden nicht mehr als 3500kcal angegeben. Das wären 170W 
im Schnitt.

Vielleicht hat der Heizungsmann ja noch einen PC mitgerechnet :-)

Ich rechne normalerweise mit 150W Wärmeentwicklung für eine sportliche 
Person mit Muskelmasse, die gerade aktiv ist, zzgl. der mechanischen 
Belastung. Fürs Radfahren kann man da Wirkungsgrade zwischen 20% und 30% 
annehmen - all inklusive. Während der Belastung sind da z.B. auch 
jeweils bis zu 100W für die Atmung und das Herz an Arbeitsleistung mit 
drin.

Als Beispiel die typischen Werte eines Radrennfahrers auf der 
Alleinfahrt bei Tempo 40+ mit 375W, 100er Trittfrequenz und 20KG 
mittlerem Pedaldruck. Hat einen Gesamtleistungsbedarf (inklusive Arme, 
Herz und Atmung) von 1450W. Davon grob 3/4 direkte Wärme an die Umgebung 
und 1/4 ins Fahrrad (also die Reifenrollreibung und die Luftwirbel). 
Energiebedarf je Stunde: 1250kcal. Leistungswerte über den Tag bei 6h 
und Leistungsmittel bei 70%: 5000kcal zusätzlich zu seinem Grundumsatz.

Tech N. schrieb:
> Es reicht z.B. nur 100 Watt ins Ergometer zu drücken, um binnen wenigen
> Minuten zu überhitzen. Die Körpertemperatur steigt in einem Maß an, das
> auf mindestens 500W Wärme schließen lässt.
Auch hier hilft etwas Gegenrechnen:

Angenommene 100W machen bei 25% Wirkungsgrad 300W Wärme. Die erwärmen 
75kG  Mensch binnen 1 Minute um ein halbes Grad, danach setzt aber schon 
die Gegenregelung des Körpers ein, um über das aussen fließense Blut 
passiv zu kühlen. Später kommt noch Schwitzen dazu. Das ist sehr schwer 
zu messen und rückzurechnen.

Generell ist die Wärmeentwicklung nur ungeneu auf den Grundumsatz 
umzulegen, da hier viel Regelreserve besteht. D.h einfach im kalten 
Fahren, um mehr zu verbrauchen klappt z.B. erstmal nicht. Zudem ist die 
Messung über Sauerstoff und Enerieaufnahme auch nicht ganz einfach, weil 
im Körper und den Muskeln sehr viel Glykogen und Sauerstoff gespeichert 
werden kann, die nach einer Belastung langsam wieder aufgebaut werden 
können. Da dies ebenso Energie kostet und unwirtschaftlich ist, kann es 
sein, dass Ausdauersportler nach dem Wettkampf lange nachbrennen und 
weiter Energie verzehren. Radprofis, die über mehrere Tage 6h Rennen 
fahren, brauchen daher in den ersten Tagen täglich mehr Energie, bis hin 
zu 10.000kcal täglich.

Das hier war übrigens der Fahrrad-thread, den Ich oben gemeint hatte:

Beitrag "Diagnose- und Steuergerät für Trainingsgerät"

Autor: MaWin (Gast)
Datum:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Tech N. schrieb:
> Ich versuche, eine Formel aufzustellen, welche die Arbeit beschreibt,
> die ein Muskel leisten muss.
Integral der Kraft dF/ds über den Weg? Dabei Winkel und Kraft 
berücksichtigen. Dann hättest Du schon einmal die Arbeit.

Der Muskelwirkungsgrad gemäß Wikipedia ist 40%. Aber dem Wert kann man 
nicht entnehmen, ob da schon die Effizienz der Bewegung mit einbezogen 
ist. Wahrscheinlich nicht.

Schwierig wird es mit der Haltarbeit. Die ist bewegungstechnisch nicht 
vorhanden, aber man weiß ja, dass etwas Halten auch Kraft und Energie 
kostet. Wahrscheinlich ist der Wirkungsgrad schlecht.

Autor: Jürgen S. (engineer) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Die Winkelbetrachtung ist für die Ermittlung der Arbeit nicht ganz so 
entscheidend, weil die differenzielle Änderung, die Kraft dF in die eine 
- und den Weg ds in die andere Richtung ändert. Wenn sich der Winkel 
"verbessert", dann steigt die Geschwindigkeit und sinkt gleichzeitig der 
Kraftbedarf. Das Produkt bleibt dann zwar nicht exakt konstant und muss 
integriert werden, allerdings kommt man bei fast allen Bewegungen auf 
Teilkreisauschnitte heraus und oft sind es immer ähnliche 
Winkelbereiche.

Bei dem letztlichen Wirkungsgrad ist entscheidender, wie Muskeln bei der 
einzelnen Bewegung zusammenarbeiten und wie man sie einsetzt, welche 
also noch indirekt mitwirken. Beim Latzug / Klimmzug z.B. kann man 
komplett aus dem Rücken heraus- theoretisch ohne Bizeps arbeiten. Man 
kann die Muskeln aber auch "parallel schalten". Dann muss der Bizeps 
mehr tun und kann den Rücken entlasten. Das macht einen Unterschied, je 
nachdem, wie sich das Kräfteverhältnis während der Bewegung verschiebt. 
Das merkt man an Seilzugstationen, wo man nur nach unten arbeiten kann.

Bei seriell verschalteten Muskeln, wie z.B. beim Bizeps-Curls oder 
Seitarmzug, müssen Schultern und Rücken statische Arbeit leisten und oft 
kommt noch hinzu, dass man zusätzliche Griffkraft aufbringen muss, die 
ebenfalls "Arbeit" macht. Wie schon erwähnt, kostet diese statische 
Haltearbeit auch Energie und zwar hauptsächlich deshalb, weil sie gar 
nicht statisch ist: Die Muskeln zittern beim Halten mit einigen Hertz, 
wodurch praktisch immer etwas beschleunigt und teilweise sogar gebremst 
wird. Diese gesamte Energie wird im Muskel vernichtet.

Diese ist einer dynamischen Kraft / Energie überlagert und bedeutet 
letztlich einen Verlust der möglichen Maximalkraft. Indirekt ist der 
Effekt dafür verantwortlich, daß man bei negativer Bewegung mehr halten 
/ kontrollieren kann, als man bei positiver Bewegung zieht.
Im Groben kann man mit einem Fünftel Anteil rechnen (kein Literaturwert, 
eigene Beobachtung) d.h. das Pro der Negativbewegung wäre (1 + 0,2) / ( 
1- 0,2) = 6/4. Man hält bis zu 50% mehr, als man zieht.

Möglicherweise ist das auch der Grund, warum isometrisches Training 
effektiver ist / sein soll: Man kann höhere Massen halten. Allerdings 
muss man das nach meiner Beobachtung auch tun. Isometrisches Training 
mit gleichen Massen ist weniger effektiv (n.m.E.).

Autor: Edi (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Esmeralda P. schrieb:
> Nichts geht über den runden Tritt!

Es müsste eigentlich ziemlich egal sein, ob man die Kraft über den 
kompletten Kreis oder nur nur teilweise erbringt. Das dürfte wie beim 
Automotor eine Drehmomentschwankung geben, die das träge System 
wegglättet. Natürlich sollte man immer senkrecht zum Pedal treten. Das 
halte Ich aber praktisch nicht für möglich. Das Bein kann ja eigentlich 
nur hoch und runter. Es kommt also ein Sinus heraus.

Autor: c.m. (Gast)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
ich hab noch einen zum obendrauf setzen:
die arbeit die ein körper leisten muss um in einem tretlager "100W" zu 
erzeugen ist auch noch abhängig davon, wie die muskeln am skelett 
verwachsen sind.
was man reinstecken muss um x raus zu bekommen ist also von vielen 
faktoren abhängig, und gar nicht trivial.
wohl am besten noch über den sauerstoffverbrauch zu ermitteln, wobei 
untrainierte personen mit schlechterer muskelversorgung da durch bildung 
von milchsäure auch noch "schummeln" können.

Autor: Mr. C (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
c.m. schrieb:
> die arbeit die ein körper leisten muss um in einem tretlager "100W" zu
> erzeugen ist auch noch abhängig davon, wie die muskeln am skelett
> verwachsen sind.

Das sehe Ich aber anders, weil wenn der Hebelarm länger ist, wird die 
Kraft kleiner und der Weg länger, bleibt sich also egal.

Die andere Sache mit der Bewegungsgeschwindigkeit ist mir plausibler, 
weil je mehr Masse hin und her bewegt wird, desto mehr wird in Wärme 
umgesetzt. Fett z.B. ist unproduktive Masse, die nur die Trägheit erhöht 
und auch die Verluste.

Autor: c.m. (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Mr. C schrieb:
> c.m. schrieb:
>> die arbeit die ein körper leisten muss um in einem tretlager "100W" zu
>> erzeugen ist auch noch abhängig davon, wie die muskeln am skelett
>> verwachsen sind.
>
> Das sehe Ich aber anders, weil wenn der Hebelarm länger ist, wird die
> Kraft kleiner und der Weg länger, bleibt sich also egal.

der kürzere weg bedeutet aber eine stärker nötige muskelkontraktion was 
viel mehr myosin-actin aktivität bedeutet, also mehr ATP verbrauch.
du siehst das viel zu mechanisch.
nimm mal eine hantel und halte sie am ausgestreckten arm vor dich. wie 
viel arbeit leistest du, wenn du 5 minuten lang so da stehst? keine - 
physikalisch gesehen.

Autor: ChuckNorris (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Edi schrieb:
> Esmeralda P. schrieb:
>> Nichts geht über den runden Tritt!

Sozusagen der Roundhousekick auf dem Ergometer. ;)

Autor: Schreiber (Gast)
Datum:

Bewertung
-1 lesenswert
nicht lesenswert
Tech N. schrieb:
> Jim M. schrieb:
>> Ein Heitungsbauer rechnet mit
>> 250-300W Wärme pro Person in ruhiger Umgebung (Büro), wenn z.B. Heizung
>> oder Klima berechnet wird.
> Das mag sein, aber das war nicht Gegenstand der Frage. Außerdem sind die
> so oder so der Fall und gehören nicht in die Rechnung der Leistung.

Ein Mensch kann chemische Energie(=Essen) nur mit geringer Effizienz in 
mechanische Energie umsetzen.
Dazu kommt noch, dass das, hoffentlich vorhandene, Oberstübchen auch 
noch einen enormen Energieverbrauch hat.

Bei einer Klimaanlage für ein Fitnessstudio rechnet man jedenfalls nicht 
mit 300W/Person, sondern mit deutlich mehr. Im Zweifelsfall eher mit dem 
doppelten.

Autor: oszi40 (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Schreiber schrieb:
> mit 300W/Person

300W pro Person sind bekannte Heizleistung. Allerdings kann diese Abgabe 
über den Tag sehr verschieden sein. Auf dem Ergometer gemütliche 60W 
oder 500W Spitzenleistung eines wenig geübten Büroarbeiteres könnten 
manche Statistik verfälschen.

Autor: Edi (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
ChuckNorris schrieb:
> Edi schrieb:
> Sozusagen der Roundhousekick auf dem Ergometer. ;)
Ja, und?

c.m. schrieb:
> der kürzere weg bedeutet aber eine stärker nötige muskelkontraktion was
> viel mehr myosin-actin aktivität bedeutet, also mehr ATP verbrauch.
... aber über weniger Weg also weniger Kontraktionsgeschwindigkeit.

Autor: Mr. C (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
c.m. schrieb:
> du siehst das viel zu mechanisch.
Durchaus nicht :-) Aber Ich sehe noch nicht, dass eine Winkeländerung 
einen so großen Einfluss haben soll.

> nimm mal eine hantel und halte sie am ausgestreckten arm vor dich. wie
> viel arbeit leistest du, wenn du 5 minuten lang so da stehst? keine -
> physikalisch gesehen.
Das ist statische Haltearbeit, die unabhängig vom Winkel 
(Muskelansatzpunkt) immer eine Rolle spielt.

Eigentlich ist es doch so:

Lastarm zu Hebelarm macht eine Übersetzung und die gibt die Kraft vor. 
Die gilt für Bewegung und Halten zugleich. Wenn jetzt allein schon das 
Halten Energie kostet, dann ist da doch eine Art Offset drin, der auch 
bei langsamen Bewegungen einen Verbrauch bedeutet. Also sind schnellere 
Bewegungen effektiver. Schnelle Bewegung heisst aber, dass die 
Übersetzung gross sein muss, also der Muskelansatzpunkt eng am Gelenk. 
Also "schlechte Kraftübersetzung = effektiver".

Richtig?

Laut der Diskussion hier
Beitrag "Muskel-Wirkungsgrad"
ist es aber anders herum.

Warum?

Ist der Energieverbrauch nicht linear zu Kraft?

Autor: Stefan (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Jim M. schrieb:
> Ein Heitungsbauer rechnet mit
> 250-300W Wärme pro Person in ruhiger Umgebung (Büro), wenn z.B. Heizung
> oder Klima berechnet wird.

Na ich hoffe mal nicht.

Die mittlere Wärmeabgabe ergibt sich aus der durch die Nahrung 
aufgenommene Energie, 2000 kcal pro tag, damit kommt man auf knappe 100 
W im Mittel. Bei 300 W Büroarbeit über 8 Stunden wäre für die übrigen 16 
Stunden schon nichts mehr übrig. Bei Büroarbeit tippe ich eher auf 90 
bis 130 W. Gut, mehr wenn man die Heizung ganz runterdreht.

Autor: Schreiber (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Stefan schrieb:
> Die mittlere Wärmeabgabe ergibt sich aus der durch die Nahrung
> aufgenommene Energie, 2000 kcal pro tag, damit kommt man auf knappe 100
> W im Mittel.

300W passt schon. Erstens gibts nicht nur die schlanke Miss Joghurette, 
zweitens ist nachts der Energieverbrauch stark reduziert (und tagsüber 
höher) und drittens möchte man angemessene Reserven haben.

Autor: Jürgen S. (engineer) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Schreiber schrieb:
> 300W passt schon. Erstens gibts nicht nur die schlanke Miss Joghurette,
> zweitens ist nachts der Energieverbrauch stark reduziert (und tagsüber
> höher) und drittens möchte man angemessene Reserven haben.

So starke Unterschiede gibt es bei unterschiedlich schweren Menschen 
nicht, zumal sie im Büro ja alle sitzen und auch Nachts geht der 
Grundumsatz nicht wesentlich zurück. Die Kalorienbetrachtung 
berücksichtigt die Aktivität ja auch. Man kann pro Person mit 150W 
rechnen.

Die 300W und damit ein Faktor 2 für die Kühlungsrechung sind einzig 
Reservebetrachtung, weil zum Runterkühlen erheblich mehr Energie 
entzogen werden muss, als permanent eingetragen wird.

Für das Thread-Thema würde Ich also Klimarechnung außen vor lassen.

Autor: Schreiber (Gast)
Datum:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Jürgen S. schrieb:
> Die 300W und damit ein Faktor 2 für die Kühlungsrechung sind einzig
> Reservebetrachtung, weil zum Runterkühlen erheblich mehr Energie
> entzogen werden muss, als permanent eingetragen wird.

Dummerweise muss man bei mehr Personen öfter Lüften. Das ist da 
mitberücksichtigt...

Autor: Jürgen S. (engineer) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
c.m. schrieb:
> die arbeit die ein körper leisten muss um in einem tretlager "100W" zu
> erzeugen ist auch noch abhängig davon, wie die muskeln am skelett
> verwachsen sind.
Das ist richtig, allerdings suggeriert Deine Grafik da einen ungünstigen 
Fokus, wie Ich finde: Den Hebelarm, den Du eingezeichnet hast, wäre ein 
Beispiel für einen Bizeps und sagt ja somit aus, dass bei Personen, die 
einen anderen Sehnenansatzpunkt am Knochen haben, deutlich andere 
Energieverhältnisse haben. Dem ist aber nicht so. Zum einen 
unterscheiden sich diese Punkte bei den Personen meistens nicht stark 
zum anderen gilt die Konstanz aus Kraft x Hebelarm, d.h. die Energie ist 
im großen und Ganzen schon konstant.

Ein Unterschied ergibt sich natürlich aus der praktischen sportlichen 
Anforderung, einen ganz bestimmen Winkelbereich zu überdecken. Bei 
verändertem Hebelarm muss sich der Muskel dann gfs etwas mehr oder 
weniger bewegen. Damit werden für den Muskel mehr ungünstige Winkel 
abgedeckt (In der Annahme, dass es für jeden Muskel einen optimalen 
Winkel gibt). Bei einer Pedalbewegung müsste ein Muskel z.B. +/-3mm 
kontrahieren, ein anderer +/-4. Durch unterschiedliche Winkel ändert 
sich die Kraft und damit ein wenig auch die Effizienz.

Insofern würde sich ein verschobener Sehnenansatzpunkt nennenswert 
auswirken. Aber:

Wie sehr das der Fall ist, hängt auch von der Lastarmlänge ab. Je länger 
dieser ist, desto weniger muss sich dieser im System bewegen, um die 
geforderte Amplitude zu bringen und damit bleibt die 
Muskelkontraktionslängenänderung erst einmal gleich - insbesondere, wenn 
wie im Radsport, die Kurbellängen noch angepasst werden, um Beinlängen 
auszugleichen. Nennenswerte Unterschiede ergeben sich nur, wenn sich die 
Hebelverhältnisse negativ verschieben - wenn also die Lastarmlänge 
steigt und sich die Hebelarmlänge verkürzt. Erstaunlicherweise ist es 
aber so, dass bei den meisten Menschen die Hebelarmlänge im Verhältnis 
zur Lastarmlänge überproportional steigt, wenn Arm oder Bein länger 
werden, d.h. die Kraftübersetzung nimmt zu.

Was sich aber hauptsächlich ändert, ist in der Tat die Kraftreserve, die 
für eine Beschleunigung oder Zusatzlast der Muskelbewegung bereit steht 
und nicht so sehr die Energieeffizienz. Wer günstigere Hebelarme hat, 
bekommt höhere Beschleunigungen hin bei gleichzeitig geringere 
Endgeschwindigkeiten hin. Das Beispiel Radfahren ist da sehr 
interessant, weil sich genau da gezeigt hat, dass völlig unterschiedlich 
konstituierte Sportler von der Energieeffizienzbetrachtung nahe 
beieinander liegen. Die großen Unterschiede ergeben sich in der 
Maximalkraft und der Drehzahl und Last bzw dem Antritt.

Jetzt nochmal zur Grafik:

Große Unterschiede gibt es natürlich zwischen den einzeln Muskelgruppen, 
wenn man z.B. Bizeps und Trizeps vergleicht, denn beim letzteren muss 
die Sehne um den Ellenbogen herum und hat beim Zug fast immer denselben 
Ansatzwinkel (nur der Lastarmwinkel ändert sich). Beim Bizeps hat der 
Hebelarm einen stark veränderlichen Winkel.

> wohl am besten noch über den sauerstoffverbrauch zu ermitteln, wobei
> untrainierte personen mit schlechterer muskelversorgung da durch bildung
> von milchsäure auch noch "schummeln" können.
Eigentlich nicht, denn die in der Regel verwendeten Stufentests warten 
immer einen steady state mit konstanter Herzrate ab, was auch einen 
eingeschwungenen Laktatspiegel vermuten lässt und vor allem gehen sie 
lange genug, um vorrätiges ATP und KP laktatbildend abgebaut zu haben. 
Was nach 5min Leistungstest laktatbildend an Energie erzeugt wird, ist 
der statische Anteil, den die Muskelzellen permanent bringen können und 
der ist beim Trainierten allemal höher.

Man darf halt nicht den Fehler machen und jemanden nur 3min aufs 
Ergometer setzen und ihn sofort mit subjektivem Economy-Level (typisch 
120%-140% der Ausdauerleistung) fahren lassen. Die erbringt er dann in 
der Tat zu 30%-50% sauerstofffrei aus den Reserven der Muskeln und dem 
Blut heraus. Man muss sich da stufenförmig ausbelasten und die 
Maximalleistung wenigstens 2min gehalten haben, damit O2 und Laktat 
eingeschwungen sind.

Allerdings ist der Test bei Untrainierten in Sachen Muskelbewertung 
kritisch, weil diese meist an der Herzleistung scheitern: Der Blutdruck 
reicht einfach nicht, um die Muskeln ausdauernd mit O2 zu versorgen, 
weil sie bei mittlerem Krafteinsatz schon zu sind und sie so nicht das 
leisten, was sie ausdauernd könnten. Die Rechnung liefert sogar mitunter 
konträre Werte, wenn jemand dickere Muskeln hat, die eine Kraft mit 
weniger Spannung schaffen, damit weniger Kapillarenverschluss erzeugen 
und erst ab einer etwas höheren Kraftbelastung so zu machen, dass zu 
wenig O2 durchkommt und sie ins Laktat kommen.

Ein Messung der Energieeffizienz im Muskel würde aber dann gut 
funktionieren, wenn man mehrere Punkte der Energieanforderung so legt, 
dass man von der Ausdauergrenze weg bleibt, die Herz- und 
Atmungsleistung herausrechnen - und zudem den Grundumsatz als Nullpunkt 
bestimmen kann.

Autor: Schreiber (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Jürgen S. schrieb:
> Eigentlich nicht, denn die in der Regel verwendeten Stufentests warten
> immer einen steady state mit konstanter Herzrate ab, was auch einen
> eingeschwungenen Laktatspiegel vermuten lässt und vor allem gehen sie
> lange genug, um vorrätiges ATP und KP laktatbildend abgebaut zu haben.

Bei den genaueren Messverfahren wird nicht nur die mechanische Leistung, 
sondern auch noch Sauerstoffverbrauch und CO2-Produktion gemessen.

Autor: Jürgen S. (engineer) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ja, wobei auch dann (oder genau dann!) das beschriebene Problem bleibt. 
Die Stufen müssen entsprechend ausgelegt sein und der Einschwingvorgang 
abgewartet werden.
Herz und Atmung hängen dem realen O2-Bedarf ja stets hinterher.

Was man natürlich machen kann, ist eine lang ausgedehnte Messung mit 
ausreichendem Nachlauf bis zur Ruhe. Dann ist der O2-Grundbedarf 
sichtbar und kann abgezogen werden, wobei die Sauerstoffschuld, die 
durch die anaeroben Anteile geleistet wurden, im Nachhinein abgebaut 
wird und energetisch miterfasst wird.

Das Problem dabei ist dann wieder, die Zeit so lange auszudehnen, dass 
der Messfehler durch das Integral klein genug wird, eine nicht zu große 
Erschöpfung erreicht wird, damit der Körper nicht in eine starke 
Regeneration schaltet (die HF und O2-Bedarf übererhöhen) und trotzdem 3 
Stufen existieren, die es erlauben, den O2-Bedarfs-Zuwachs infolge der 
steigenden Leistung von dem Grundumsatz und dem Bedarf durch 
Herzleistung und Atmung zu trennen.

Bei umfangreichen Muskelbelastungen wie im Ausdauersport mit 
Ganzkörperbelastung bekommt man ein Energieumsatzproblem und bei kleinen 
Muskelgruppen oder Einzeltraining, welche nur wenig O2-Zuwachs erzeugen, 
gibt es ein Problem mit der Messgenauigkeit selber, weil der Muskel 
nicht lange genug belastet werden kann, da er für sich schon ermüdet.


Will sagen:

60% Maximalkraft am Bizeps erzeugen zwar messbare Leistung an O2, aber 
man hält es nicht lange genug durch, weil die Intensität zu hoch ist.

10% Maximalkraft am Bizpes kann man 10min durchhalten, erzeugen kaum 
Laktat, machen aber kaum mehr HF und O2-Bedarf. Am Ende ist die Art, wie 
der Proband atmet, ausschlaggebend, wie gut er mit dem Sauerstoff 
umgeht. Viele sind schon vor Beginn des Tests nervös und jagen ihren 
Puls hoch.

10% Maximalkraft am Ganzkörper wiederum erzeugen zwar genug Hub im 
O2-Verbrauch und führen auch nach 10min zu statischen Werten und 
erlauben somit eine gute Effizienzmessung - es werden aber allemöglichen 
Muskelbewegungen vermischt.
Damit sind Einzelbeurteilungen schwierig bis unmöglich.

Die O2-Differenzmessung und auch direkte CO2-Messung an sich sind auch 
generell nicht so ganz trivial, wenn es genau sein soll. Die 
Gerätschaften der Spiroergometrie, wie sie in den sportmedizinischen 
Stützpunkten zur Anwendung kommen, sind nur bedingt geeignet, um direkt 
auf Prozente genau zu messen und die Blutgasanalysatoren, wie wir sie in 
der Medizintechnik haben, sind wiederum nicht für den massiven 
Durchfluss geeignet. Die arbeiten zwar super genau, aber meistens 
"offline".
Die Pulsoximeter, wie sie die ambulanten Notfallärzte verwenden sind 
diesbezüglich Schätzeisen :-)

Autor: Tobias N. (technick2)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
MaWin schrieb:
> Tech N. schrieb:
>> Ich versuche, eine Formel aufzustellen, welche die Arbeit beschreibt,
>> die ein Muskel leisten muss.
> Integral der Kraft dF/ds über den Weg? Dabei Winkel und Kraft
> berücksichtigen. Dann hättest Du schon einmal die Arbeit.
Das ist die Theorie. Leider stimmt das hinten und vorne nicht mit 
Messungen zu sammen.

> Der Muskelwirkungsgrad gemäß Wikipedia ist 40%.
Der Maxmimale vielleicht. Den aber möchte ich ja ausrechnen. Oder ich 
müsste ihn vür alle Winkel und Kräfte kennen. Wie jemand schon richtig 
bemerkt hat, machen höhere Kräfte mehr Arbeit und Ermüdung, der Wg sinkt 
also.

> Schwierig wird es mit der Haltarbeit. Die ist bewegungstechnisch nicht
> vorhanden, aber man weiß ja, dass etwas Halten auch Kraft und Energie
> kostet. Wahrscheinlich ist der Wirkungsgrad schlecht.
Ich glaube eher, der ist recht gut. Haltearbeit geht angeblich länger, 
als Bewegung bei gleicher Leistung.

Schreiber schrieb:
> zweitens ist nachts der Energieverbrauch stark reduziert (und tagsüber
> höher) und drittens möchte man angemessene Reserven haben.
Auch das stimmt nicht. Hatte ich auch immer gedacht. Der Grundumsatz 
steigt nachst sogar an.

Autor: Jürgen S. (engineer) Benutzerseite
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Tobias N. schrieb:
>> Schwierig wird es mit der Haltarbeit. Die ist bewegungstechnisch nicht
>> vorhanden, aber man weiß ja, dass etwas Halten auch Kraft und Energie
>> kostet. Wahrscheinlich ist der Wirkungsgrad schlecht.
> Ich glaube eher, der ist recht gut. Haltearbeit geht angeblich länger,
> als Bewegung bei gleicher Leistung.

Dass man bewegungslos länger durchhalten kann, liegt aber daran, dass 
weniger Energie benötigt wird. Trotzdem kann der Wirkungsgrad schlechter 
sein. Z.B. könnte man die halbe Leistung bei 20% WG statt 30% erbringen 
und damit 2/3 der Energie in der gleichen Zeit benötigten.

Messbar ist das direkt eher schlecht, weil es Übungen gibt, die den 
Blutstrom durch Halten weniger abschnüren, als bei Bewegung und andere, 
bei denen das umgekehrt ist. Damit wird weniger Energie herangeschafft 
und statisches Halten ist nicht einfacher. Liegestütze z.B. ist so eine 
Übung, die man statisch nicht sehr viel länger hält, als die Zeit, die 
man für permanentes Hochdrücken braucht. Bizeps-curls hingegen sind 
unterhalb einer gewissen Masse fast beliebig zu machen. Beispiel:

Autor: Tobias N. (technick2)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
ok, kann sein, ich meine auch, dass es einen Unterschied macht, wie 
stark man einen Muskel belastet. Das ist hier ja auch schon angeklungen. 
Nur ist es leider so, dass ich auch in der Zwischenzeit keine 
Publikationen dazu gefunden habe. Die Diegramme die ich kenne, gehen 
mehr von der Energie aus und rechnen vor, dass man mit 10% weniger Kraft 
auch reziprok länger durchhält. Das scheint für hohe Kräfte nich mehr zu 
gelten.

Beitrag #5523321 wurde von einem Moderator gelöscht.
Autor: Andreas F. (chefdesigner)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Tobias N. schrieb:
> Ich versuche, eine Formel aufzustellen, welche die Arbeit beschreibt,
> die ein Muskel leisten muss.

Hat das einen wissenschaftlichen Hintergrund? An der FAU gab es vor 
einiger Zeit eine Art Reihenuntersuchung an Alterssportlern Ü50. 
Möglich, dass sie das publiziert haben. An den medizinischen Instituten 
gibt es das immer wieder im Rahmen der Nacht der Wissenschaften. Letztes 
Jahr war ich bei so einem Test dabei.

Autor: Oliver Twist (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
>Berechnung der Muskelleistung

Der OP müsste zunächst einmal unterscheiden, ob er:

- Leistung
- Kraft
- Arbeit

der Muskeln bestimmen möchte. Nur die Arbeit, also die umgesetzte 
Energie ist mit dem verbrauchten Sauerstoff verknüpft. Alles andere ist 
Schätzung.

Das Naheliegendste wäre für mich eine Kraftmessplatte zu installieren 
und den Kraftverlauf zu integrieren.

Autor: Jürgen S. (engineer) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Oliver Twist schrieb:
> Das Naheliegendste wäre für mich eine Kraftmessplatte zu installieren
> und den Kraftverlauf zu integrieren.

Das Integral über die Kraft ergibt aber keine Enerie. Kraft x 
Geschwindigkeit wäre dann von Nöten, als Integrant.

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.