TY - THES A1 - Lesinski, Melanie T1 - Modulating factors for drop jump performance T1 - Einflussfaktoren auf die Leistung im Niederhochsprung (Drop Jump) N2 - Background and objectives: Drop jumps (DJs) are well-established exercise drills during plyometric training. Several sports are performed under unstable surface conditions (e.g., soccer, beach volleyball, gymnastics). To closely mimic sport-specific demands, plyometric training includes DJs on both stable and unstable surfaces. According to the mechanical properties of the unstable surface (e.g., thickness, stiffness), altered temporal, mechanical, and physiological demands have been reported from previous cross-sectional studies compared with stable conditions. However, given that the human body simultaneously interacts with various factors (e.g., drop height, footwear, gender) during DJs on unstable surfaces, the investigation of isolated effects of unstable surface conditions might not be sufficient for designing an effective and safe DJ stimulus. Instead, the combined investigation of different factors and their interaction with surface instability have to be taken into consideration. Therefore, the present doctoral thesis seeks to complement our knowledge by examining the main and interaction effects of surface instability, drop height, footwear, and gender on DJ performance, knee joint kinematics, and neuromuscular activation. Methods: Healthy male and female physically active sports science students aged 19-26 years participated in the cross-sectional studies. Jump performance, sagittal and frontal plane knee joint kinematics, and leg muscle activity were measured during DJs on stable (i.e., firm force plate) and (highly) unstable surfaces (i.e., one or two AIREX® balance pads) from different drop heights (i.e., 20 cm, 40 cm, 60 cm) or under multiple footwear conditions (i.e., barefoot, minimal shoes, cushioned shoes). Results: Findings revealed that surface instability caused a DJ performance decline, reduced sagittal plane knee joint kinematics, and lower leg muscle activity during DJs. Sagittal plane knee joint kinematics as well as leg muscle activity decreased even more with increasing surface instability (i.e., two vs. one AIREX® balance pads). Higher (60 cm) compared to lower drop heights (≤ 40 cm) resulted in a DJ performance decline. In addition, increased sagittal plane knee joint kinematics as well as higher shank muscle activity were found during DJs from higher (60 cm) compared to lower drop heights (≤ 40 cm). Footwear properties almost exclusively affected frontal plane knee joint kinematics, indicating larger maximum knee valgus angles when performing DJs barefoot compared to shod. Between the different shoe properties (i.e., minimal vs. cushioned shoes), no significant differences during DJs were found at all. Only a few significant surface-drop height as well as surface-footwear interactions were found during DJs. They mainly indicated that drop height- and footwear-related effects are more pronounced during DJs on unstable compared to stable surfaces. In this regard, the maximum knee valgus angle was significantly greater when performing DJs from high drop heights (60 cm), but only on highly unstable surface. Further, braking and push-off times were significantly longer when performing DJs barefoot compared to shod, but only on unstable surface. Finally, analyses indicated no significant interactions with the gender factor. Conclusions: The findings of the present cumulative thesis indicate that stable rather than unstable surfaces as well as moderate (≤ 40 cm) rather than high (60 cm) drop heights provide sufficient stimuli to perform DJs. Furthermore, findings suggest that DJs on highly unstable surfaces (i.e., two AIREX® balance pads) from high drop heights (60 cm) as well as barefoot compared to shod seem to increase maximal knee valgus angle/stress by providing a more harmful DJ stimulus. Neuromuscular activation strategies appear to be modified by surface instability and drop height. However, leg muscle activity is only marginally effected by footwear and by the interactions of various external factors i.e., surface instability, drop height, footwear). Finally, gender did not significantly modulate the main or interaction effects of the observed external factors during DJs. N2 - Hintergrund und Ziele: Niederhochsprünge (Drop jumps [DJs]) sind wesentlicher Bestandteil vieler Sprungkrafttrainingsprogramme. Um sportartspezifisch zu trainieren und (natürliche) instabile Untergründe wie z. B. Sand, Gras oder Matten zu imitieren, werden DJs immer häufiger auch auf instabilen Unterlagen durchgeführt. Querschnittsstudien haben bereits die Effekte instabiler Unterlagen (z. B. AIREX® Balance Pad) auf DJs aufzeigen können. Da der menschliche Körper während der Ausführung von DJs auf instabilen Unterlagen jedoch noch mit weiteren (externen) Faktoren wie beispielsweise der Fallhöhe und dem Schuhwerk interagiert, ist eine kombinierte Betrachtung dieser Faktoren praxisrelevanter. Die vorliegende Doktorarbeit widmet sich daher den akuten Haupt- und Interaktionseffekten von Untergrundinstabilität, Fallhöhe, Schuhwerk und Geschlecht auf die Sprungleistung, die Kniegelenkskinematik sowie die Beinmuskelaktivierung während eines DJ. Methodik: An den Querschnittsschtudien nahmen gesunde männliche und weibliche Sportstudenten im Alter von 19 bis 26 Jahren teil. Während die Probanden DJs auf stabilien und (hochgradig) instabilen Unterlagen (d. h. ein oder zwei AIREX® Balance Pads), von verschiedenen Fallhöhen (d. h. 20cm, 40cm, 60cm) beziehungsweise mit unterschiedlichem Schuhwerk (d. h. barfuß, minimale Schuhe, gedämpfte Schuhe) durchführten, wurde die Sprungleistung, die Kniegelenkskinematik sowie die Beinmuskelaktivität erfasst. Ergebnisse: DJs auf instabilen im Vergleich zu stabilen Unterlagen führten zu einer signifikant geringeren Sprungleistung, einer geringeren maximalen Knieflexion sowie einer reduzierten Beinmuskelaktivit. Stieg die Untergrundsinstabilität (d. h. zwei vs. ein AIREX® Balance Pad), nahm die maximale Knieflexion und die Beinmuskelaktivität nochmals signifikant ab. Bei DJs von hohen (60 cm) im Vergleich zu moderaten Fallhöhen (≤ 40 cm) nahm die Sprungleistung ab, die maximale Knieflexion und Beinmuskelaktivität hingegen zu. Das Schuhwerk beeinflusste fast ausschließlich die Kniegelenkskinematik. Die Probanden valgisierten das Kniegelenk signifikant stärker, wenn sie barfuß und nicht mit Schuhen sprangen. Zwischen den zwei unterschiedlichen Schuhbedingungen konnte generell kein signifikanter Unterschied ermittelt werden. Die statistischen Analysen ergaben nur wenige signifikante Interaktionseffekte zwischen den untersuchten externen Faktoren. Diese zeigten relativ einheitlich, dass die fallhöhen- und schuhwerkspezifischen Effekte hauptsächlich bei DJs auf einer instabilen gegenüber einer stabilen Unterlage aufzufinden waren. So war der maximale Knievalguswinkel signifikant größer von einer hohen Fallhöhe (60 cm), aber nur auf (hochgradig) instabilen Unterlagen. Auch die Bodenkontaktzeit war signifikant länger, wenn barfuß anstatt mit Schuhen gesprungen wurde, aber nur auf instabilen Unterlagen. Das Geschlecht hatte keinen signifikanten Einfluss auf die akuten Haupt- und Interaktionseffekte der untersuchten externen Faktoren. Schlussfolgerung: Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass stabile gegenüber instabilen Unterlagen sowie moderate (≤ 40 cm) gegenüber hohen Fallhöhen (60 cm) bessere Voraussetzungen bei Sprungübungen zur Steigerung der Sprungleistung schaffen. Zudem scheinen DJs auf hochgradig instabilen Unterlagen von einer hohen Fallhöhe (60 cm) den maximalen Knievalguswinkel und damit auch den Stress für das vordere Kreuzband, zu erhöhen. Eine gesteigerte Knievalgisierung konnte auch beim barfüßigen Springen gegenüber DJs mit Schuhen aufgezeigt werden. Die Beinmuskelaktivität scheint in Abhängigkeit vom Untergrund und auch der Fallhöhe modifiziert zu werden, jedoch kaum für verschiedenes Schuhwerk. Das Geschlecht scheint die ermittelten Haupt- und Interaktionseffekte von Untergrundinstabilität, Fallhöhe und Schuhwerk nicht zusätzlich zu modulieren. KW - stretch-shortening cycle KW - electromyography KW - preactivation KW - short latency response KW - knee flexion angle KW - knee valgus angle KW - biomechanics KW - shoe KW - Dehnungsverkürzungszyklus KW - Elektromyografie KW - Voraktivierung KW - Reflexantwort KW - Knieflexion KW - Knievalgisierung KW - Biomechanik KW - Schuhe Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Dunlop, John William Chapman T1 - The physics of shape changes in biology T1 - Die Physik von Formveränderungen in der Biologie N2 - Biological materials, in addition to having remarkable physical properties, can also change shape and volume. These shape and volume changes allow organisms to form new tissue during growth and morphogenesis, as well as to repair and remodel old tissues. In addition shape or volume changes in an existing tissue can lead to useful motion or force generation (actuation) that may even still function in the dead organism, such as in the well known example of the hygroscopic opening or closing behaviour of the pine cone. Both growth and actuation of tissues are mediated, in addition to biochemical factors, by the physical constraints of the surrounding environment and the architecture of the underlying tissue. This habilitation thesis describes biophysical studies carried out over the past years on growth and swelling mediated shape changes in biological systems. These studies use a combination of theoretical and experimental tools to attempt to elucidate the physical mechanisms governing geometry controlled tissue growth and geometry constrained tissue swelling. It is hoped that in addition to helping understand fundamental processes of growth and morphogenesis, ideas stemming from such studies can also be used to design new materials for medicine and robotics. N2 - Biologische Materialien verfügen nicht nur über außergewöhnliche physikalische Eigenschaften, sie können auch ihre Form und ihr Volumen verändern. Ermöglicht werden diese Anpassungen während der Morphogenese und des Wachstums sowohl durch die Bildung neuer Gewebe, als auch die Umformung und/oder Reparatur alter Gewebe. Zusätzlich führen Form? oder Volumenänderungen in Geweben häufig zur Generierung von Kräften (Aktuation) und daraus resultierenden Bewegungen. Ein bekanntes Beispiel dafür ist der feuchtigkeitsgetriebene Öffnungs? und Schließmechanismus der Schuppen von Kiefernzapfen, die ausschließlich aus totem Gewebe ohne aktiven Metabolismus bestehen. Bestimmend für Wachstum und Aktuation sind dabei nicht nur biochemische Faktoren sondern auch physikalische Randbedingung definiert durch die Umgebung und die Gewebearchitektur. Die vorliegende Habilitationsschrift basiert auf biophysikalischen Arbeiten der Gruppe „Biomimetic Actuation and Tissue Growth“ zu wachstums? und quellungsbedingten Formänderungen biologischer Systeme. Physikalische Mechanismen von Gewebewachstum und Quellprozessen unter dem kontrollierenden Einfluss von geometrischen Randbedingungen werden mit theoretischen und experimentellen Methoden untersucht und erklärt. Die gewonnenen Ergebnisse tragen nicht nur zum Verständnis grundlegender Wachstums? und Morphogeneseprozesse bei, sie könnten zukünftig auch für die Entwicklung neuer Materialien für die Medizin und Robotik von Nutzen sein. KW - tissue growth KW - actuation KW - swelling KW - biomechanics KW - biophysics KW - Biomechanik KW - Aktuation KW - Gewebewachstum KW - Biophysik KW - Morphogenese Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96554 ER - TY - THES A1 - Prieske, Olaf T1 - The role of surface condition in athletic performance T1 - Die Bedeutung des Untergrundes für die sportmotorische Leistung N2 - During the last two decades, instability training devices have become a popular means in athletic training and rehabilitation of mimicking unstable surfaces during movements like vertical jumps. Of note, under unstable conditions, trunk muscles seem to have a stabilizing function during exercise to facilitate the transfer of torques and angular momentum between the lower and upper extremities. The present thesis addresses the acute effects of surface instability on performance during jump-landing tasks. Additionally, the long-term effects (i.e., training) of surface instability were examined with a focus on the role of the trunk in athletic performance/physical fitness. Healthy adolescent, and young adult subjects participated in three cross-sectional and one longitudinal study, respectively. Performance in jump-landing tasks on stable and unstable surfaces was assessed by means of a ground reaction force plate. Trunk muscle strength (TMS) was determined using an isokinetic device or the Bourban TMS test. Physical fitness was quantified by standing long jump, sprint, stand-and-reach, jumping sideways, Emery balance, and Y balance test on stable surfaces. In addition, activity of selected trunk and leg muscles and lower limb kinematics were recorded during jump-landing tasks. When performing jump-landing tasks on unstable compared to stable surfaces, jump performance and leg muscle activity were significantly lower. Moreover, significantly smaller knee flexion angles and higher knee valgus angles were observed when jumping and landing on unstable compared to stable conditions and in women compared to men. Significant but small associations were found between behavioral and neuromuscular data, irrespective of surface condition. Core strength training on stable as well as on unstable surfaces significantly improved TMS, balance and coordination. The findings of the present thesis imply that stable rather than unstable surfaces provide sufficient training stimuli during jump exercises (i.e., plyometrics). Additionally, knee motion strategy during plyometrics appears to be modified by surface instability and sex. Of note, irrespective of surface condition, trunk muscles only play a minor role for leg muscle performance/activity during jump exercises. Moreover, when implemented in strength training programs (i.e., core strength training), there is no advantage in using instability training devices compared to stable surfaces in terms of enhancement of athletic performance. N2 - Instabile Trainingsgeräte sind etablierte Bestandteile im sportlichen Training und in der Rehabilitation, um instabile Untergründe während verschiedener alltags- und sportartspezifischer Bewegungen zu simulieren. Dabei scheint der Rumpfmuskulatur insbesondere unter instabilen Bedingungen eine wichtige Rolle zur Stabilisierung zu zukommen. Die vorliegende Arbeit widmet sich den Akuteffekten von Untergrundinstabilität auf die Leistung bei Sprüngen und Landungen. Zudem wurden Langzeiteffekte von Untergrundinstabilität auf die Bedeutung des Rumpfes für die sportliche/sportmotorische Leistung untersucht. Gesunde Jugendliche und junge Erwachsene nahmen an drei Quer- bzw. einer Längsschnittstudie teil. Die Leistung der Sprung-Lande-Aufgaben auf stabilen und instabilen Untergründen wurde mittels Kraftmessplatte erfasst. Die Rumpfkraft wurde mit einem Isokineten oder dem Bourban-Rumpfkraft-Test gemessen. Die Ermittlung sportmotorischer Leistungen erfolgte durch Standweitsprung-, Sprint-, Rumvorbeuge-, Seitsprung-, Emery- und Y-Balance-Test auf stabilen Untergründen. Zudem wurde die Aktivität ausgewählter Rumpf- und Beinmuskeln und Beinkinematik während der Sprung-Lande-Aufgaben erfasst. Sprung-Lande-Aufgaben auf instabilen im Vergleich zu stabilen Unterlagen führten zu signifikant geringeren Sprungleistungen und Beinmuskelaktivitäten. Dabei wurden die Kniegelenke unter instabilen im Vergleich zu stabilen Bedingungen stärker extendiert und valgisiert. Dies gilt auch für Frauen im Vergleich zu Männern während des Springens und Landens. Zusammenhänge zwischen den Verhaltens- und neuromuskulären Daten unabhängig vom Untergrund sind als gering einzuschätzen sind. Ein Rumpfkrafttraining auf stabilen sowie auf instabilen Untergründen verbesserte die Rumpfkraft, das Gleichgewicht und die Koordination. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass stabile gegenüber instabilen Unterlagen bessere Voraussetzungen bei Sprungübungen zur Steigerung der Sprungleistung im Training schaffen. Zudem scheint die biomechanische Kontrollstrategie des Kniegelenks bei Sprüngen durch den Untergrund und das Geschlecht modifiziert. Dabei ist zu erwähnen, dass für den Leistungsvollzug der unteren Extremitäten beim Springen der Rumpf unabhängig von den Untergrundbedingungen nur eine kleine Rolle zu spielen scheint. Darüber hinaus zeigen instabile gegenüber stabilen Untergründen in einem Rumpfkrafttraining keinen Vorteil hinsichtlich der Steigerung sportlicher Leistungen. KW - biomechanics KW - jump-landing tasks KW - trunk muscle strength KW - instability KW - injury prevention KW - Biomechanik KW - Sprung-Lande-Aufgaben KW - Rumpfmuskelkraft KW - Instabilität KW - Verletzungsprävention Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-80503 ER -