Abb. 1: Muskeldehnung und -kontraktion A: Der Muskel befindet sich im Ruhezustand. Kein Kontakt zwischen dem Myosin (symbolisiert durch die Figuren) und den (gelben) Aktinfäden. In dieser Phase kann der Muskel durch seinen Gegenspieler, den Antagonisten, gedehnt werden. Hierbei handelt es sich um eine so genannte plastische Dehnung, d. h., das Myosin und die Aktinfäden im Sarkomer des Muskels gleiten auseinander (Dehnung des verkürzten Muskels). B: Durch die elektrische Brückenbildung zwischen dem Myosin und den Aktinfäden (die Männer greifen zu) ist der Muskel gespannt (statische Haltekraft). Dieser Spannungsaufbau ist gleichzeitig die Voraussetzung für C und D. C: Erhält der im Bild B vorgespannte Muskel einen weiteren, vom Gehirn ausgehenden elektrischen Impuls, kommt es zur Kontraktion (das Myosin, in Form der Männer dargestellt, zieht die Aktinfäden zu sich hin), durch die der Muskel eine Arbeitsleistung erbringt, z.B. das Heben des Oberschenkels für den nächsten Schritt. D: Beim Laufen z.B. muss die Beinmuskulatur vorgespannt werden (Bild B), um das Körpergewicht in der Aufsetzphase abfangen zu können. In der abfedernden Vorwärtsbewegung wird der vorgespannte Muskel wie eine Feder durch das auf ihn einwirkende Körpergewicht elastisch gedehnt. Dadurch erhält er ein zusätzliches Kraftpotenzial. Diese elastische Kraftkomponente kann in der Abdrucksphase freigesetzt und für den nächsten Schritt genutzt werden. Damit dieses Potenzial in der Aufsetzphase optimal im Ober- und Unterschenkel entstehen kann, muss der Untergrund, d.h. der Laufschuhboden, ausreichend fest sein. Ist er zu weich, wird der Spannungsaufbau vermindert oder sogar verhindert. Die körpereigene Muskelelastizität wird von der "guten" Dämpfung des Schuhbodens vernichtet. Nach Berechnungen von NIGG [4,5] können dadurch Energieverlust bis zu 25 % entstehen.

Die Aufgaben des Laufschuhs wurden bereits 1981 vom Autor in der unten angegebenen Rangfolge definiert (später wurden sie mit viel Werbeaufwand von einem bedeutenden Schuhhersteller in geänderter Rangfolge übernommen).

Der Schuh muss:

• den Fuß einwandfrei führen;
• den (Knick-)Fuß stützen;
• den Aufsetzstoß dämpfen.

• die Abrollbewegung und die Abdruckkraftdes Fußes einschränken.

• den Fuß gegen durchdrückende Steine, Schmutz und Feuchtigkeit schützen.

Abb. 2: Abrollweg des Fußes beim Aufsetzen mit der Ferse

Der Schuh übernimmt vom ersten Bodenkontakt an die Führung des Fußes. Er steuert damit vom ersten Aufsetzen bis zum letzten Abstoß in entscheidender Weise die Abrollbewegung des Fußes. Eine korrekte Fußführung ist die zwingende Voraussetzung für eine einwandfreie Abrollbewegung. Dazu sind u.a. gute Passform, einwandfreier Fersensitz (Fersenfassung) und eine korrekte Schnürung notwendig. - Der gute Schuh "führt" den Fuß, der schlechte "verführt" ihn! Die meisten Läufer setzen mit der Außenkante der Ferse auf (Abbildung 2). Dann kippt der Fuß nach innen in die Stützphase. Je langsamer dies erfolgt, umso geringer sind die auf den Körper einwirkenden Stoßbelastungen. Dies wird sowohl durch den Aufbau des Schuhbodens als auch durch das Lauftempo beeinflusst (s. Hinweis zu optimalem Trainingstempo). Die Kippbewegung nach innen wird als "Pronation" bezeichnet. Pronationswinkel von 0-5° sind "normal" (Abbildung 3 links: im Stand barfuß). Bei Winkeln von 3-5° ergibt sich eine gute Eigendämpfung des Fußes gegen die Stoßbelastung. Bei größeren Winkeln wird von Überpronation bzw. Knickfußstellung gesprochen, die auf Dauer zu Überlastungen in den Knie- und Hüftgelenken führen.

Eine Überpronation kann durch die Stützkeile, die in den Stabilmodellen eingebaut sind, kompensiert werden. Die Wahl eines gut stützenden Laufschuhs hat gegenüber einer stützenden Einlage den Vorteil, dass der gesamte Schuhaufbau auf die erhöhte Stützfunktion abgestimmt ist. Stützende Einlagen setzen einen festen Schuhboden voraus, bei einem weichen Boden sind sie nutzlos! - Es sollte bei der Wahl des Schuhs beachtet werden, dass auch hier die "optimale" und nicht die "maximale" Stützung das Auswahlkriterium sein muss.

Bei der Bewertung des Dämpfungsverhaltens eines Laufschuhs müssen folgende Gesichtspunkte beachtet werden:

1. die Richtung der Krafteinwirkung während der gesamten Abrollphase;

2. die Beeinflussung der körpereigenen Elastizität durch das Dämpfungsverhalten des Schuhs;

3. die Laufgeschwindigkeit und das Gewicht des Läufers.

Abb. 3: Links: Im Stand barfuß mit normaler Pronation (5°). Mitte: Sehr gute Stützfunktion, auch bei dynamischer Belastung. Rechts: Schuhbedingte Überpronation (15°) bei dynamischer Belastung.

Beim menschlichen Körper muss im Gegensatz zum Laufschuh exakt zwischen der

• Stoßbelastung in der Aufsetzphase im Rückfuß (Stoßrichtung vom Boden in den Körper) und den
• Abdruckkräften in der Abdruckphase im Vorfuß (Druckrichtung vom Körper auf den Boden) unterschieden werden (s. Abbildung 4).

Die nachfolgende Standphase ist, von der Kraftrichtung aus betrachtet, die neutrale Phase. Sie wird nach gut einem Drittel der gesamten Bodenkontaktzeit erreicht. In der dritten Phase erfolgt der Übergang vom Rückfuß in den Vorfuß. Jetzt wirkt die Kraft vom Körper auf den Boden und erreicht nach 416 ms ihr Maximum im Ballenbereich. Entscheidend für das Lauftempo ist, dass diese Kraft ausschließlich in einen Impuls für den nächsten Laufschritt umgesetzt werden kann und nicht durch Dämpfungselemente im Vorfußbodenbereich des Schuhs vermindert wird.

Abb. 4: Krafteinwirkung: Innerhalb von 32 ms baut sich in der Landephase eine Kraftspitze im Rückfuß auf, die als Stoß vom Boden aus auf den Körper einwirkt. Je kürzer dieser Zeitraum, umso härter ist der Schuh, je langsamer, umso besser die Dämpfung. Danach erfolgt eine Verlagerung vom Rückfuß in den Vorfuß bei einem gleichzeitigen Wechsel der Kraftrichtung. Nach 416 ms erreicht die Abdruckkraft im Ballenbereich ihr Maximum. Entscheidend für das Lauftempo ist, dass diese Kraft ausschließlich in einen Impuls für den nächsten Laufschritt umgesetzt werden kann und nicht durch Dämpfungselemente im Vorfußbodenbereich des Schuhs vermindert wird.

In der Aufsetzphase wirkt die Körpermasse als äußere Kraft auf die vorgespannte Ober- und Unterschenkelmuskulatur ein (s. auch nebenstehender Kasten). Sie baut dadurch ein körpereigenes Elastizitätspotenzial auf, das beim Strecken des Beines in der Abdruckphase freigegeben und damit aktiv genutzt werden kann. Damit dieses Potenzial in der Aufsetzphase optimal im Ober- und Unterschenkel entstehen kann, muss der Untergrund, d.h. der Laufschuhboden, ausreichend fest sein. Sind die im Aufsetzbereich des Schuhbodens verwendeten Dämpfungselemente zu weich (Abbildung 5), wird der Spannungsaufbau vermindert oder sogar verhindert. D.h., die körpereigene Muskelelastizität wird von der "guten" Dämpfung des Schuhbodens vernichtet. Nach Berechnungen von NIGG [4, 5] können dadurch Energieverluste bis zu 25 % entstehen.

Abb. 5: Mit diesen Fotos warb ein Hersteller für das gute Dämpfungsverhalten eines seiner Modelle.

Entscheidend für das Lauftempo ist, dass die gesamte Abdruckkraft in einen Impuls für den nächsten Laufschritt umgesetzt werden kann und nicht durch Dämpfungselemente im Vorfußbodenbereich des Schuhs vermindert wird. Abdruckkräfte zu dämpfen, d.h. sie zu vermindern, ist aus physikalischer Sicht Unsinn, es kostet den Läufer Kraft und Zeit! Eine wissenschaftliche Studie, die aus Wettbewerbsgründen nicht zitiert werden kann, hat das sehr detailliert nachgewiesen. Dennoch baut eine ganze Branche aus verkaufsfördernden Gründen genau dort Luft-, Gel-, Wabenkissen etc. ein. Das Argument, dass solche Dämpfungselemente für Vor- bzw. Mittelfußläufer gut wären, ist ebenfalls nicht haltbar. Diese benötigen so etwas nicht, da sie aufgrund der anderen biomechanischen Hebelgesetze beim Aufsetzen über ausreichende körpereigene Dämpfungsmechanismen verfügen. Zusätzlich kommt es durch die eingebauten Dämpfungselemente im Vorfußbereich zu undefinierten Bodenverhältnissen. Wie aus der Abbildung 6 zu entnehmen ist, liegt der Hauptabdruckspunkt, d.h. der Großzehenballen, genau auf der Kante zwischen Einlegeelement und ummantelnder Sohle, die in vielen Fällen sogar weicher ist als das Einlageteil. Dadurch kommt es zu einer Kippbelastung im Vorfußgewölbe. Der zweite Auflagepunkt, das Kleinzehengrundgelenk, liegt entweder ebenfalls auf der Kante oder sogar außerhalb des Dämpfungselementes. Der mittlere Teil soll als normal ausgebildetes Quergewölbe eigentlich "hohl" liegen - er bedarf der Dämpfung nicht. Die meisten Läufer haben aber leicht bis stark ausgebildete Spreizfüße, die genau in diesem Bereich eine feste Unterlage benötigen. Einlagenträger mit Spreizfußpelotten sollten das berücksichtigen, um schmerzhafte Fehlbelastungen zu vermeiden. Die Dämpfungselemente im Vorfußbereich sind aufgrund der Werbung für "viel Dämpfung" zu einer Verkaufshilfe geworden, deshalb gibt es zzt. nur wenige Modelle, die dort keine Elemente haben. In diesem Zusammenhang soll auch auf den markigen Werbespruch "Energy Return" kurz eingegangen werden. Eine Rückgabe der Stoßenergie, die der Körper beim Aufsetzen in den Aufsetzbereich des Schuhs abgibt, müsste im Schuhboden nach vorne in den Abdruckbereich geleitet werden, um wirksam zu sein. Für eine derartige Impulsweiterleitung gibt es bisher keine technische Lösung. Der Schuhboden ist als Dämpfungselement konstruiert und bewirkt das Gegenteil!

Die Läufer belasten den Schuh beim Aufsetzen mit einer Energie (E), die sich aus ihrem Körpergewicht (M) und ihrem Bewegungstempo (v) nach folgender Formel ergibt: (M = Körpergewicht in kg, v = Lauftempo in m/s) Aus dieser Formel folgt für das

• Körpergewicht (M): Das Gewicht erhöht die Belastung linear, d. h., doppeltes Gewicht erzeugt doppelte Belastung.
• Lauftempo (v): Die Belastung des Laufschuhs steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit an. D.h., eine Verdoppelung des Tempos vervierfacht die Belastung!

• langsame Läufer: langsamer als 10 km/h (> 2,8 m/s),
• schnelle Läufer: schneller als 10 km/h (< 2,8 m/s)
• leichte Läufer: < 65 kg,
• schwere Läufer: > 80 kg

DREI BEISPIELE:
Anfänger: 50 kg, Lauftempo 5 km/h, Belastungsfaktor: 1
Anfänger: 100 kg, Lauftempo 5 km/h, Belastungsfaktor: 2
Trainierter: 50 kg, Lauftempo 15 km/h, Belastungsfaktor: 9

Der langsam laufende Anfänger belastet, auch wenn er übergewichtig ist, einen Laufschuh wegen seines langsameren Lauftempos wesentlich geringer als der Trainierte (s. oben). Je höher das Lauftempo und je höher das Gewicht, desto fester bzw. stabiler (härter) muss der Schuh sein. Beim Kauf im Geschäft darf er sich nicht so angenehm weich anfühlen, wie es das Gefühl beim Stehen oder Gehen suggerieren will oder die Werbung empfiehlt.
Die Anforderung an die Dämpfungseigenschaft heißt heute deshalb: "Keine Energievernichtung durch den Schuh", damit das kinetische Energiepotenzial der Muskulatur voll genutzt werden kann und nicht zu 20 bis 30 % pro Schritt verloren geht, denn auch hier sind vorzeitige Ermüdung und schlechte Wettkampfzeiten die Folge.

Bereits oben wurde ausgeführt, dass die Stützfunktion für den Läufer wichtiger sei als die Dämpfung. Für Läufer, die zur Überpronation neigen, ist eine gute Stützfunktion eine zwingende Voraussetzung zur Erzielung von optimalen Leistungen. Bei unzureichender Stützfunktion geht nicht nur die eigene Muskelelastizität verloren, sondern es kommt durch die Überpronation zum Absinken des Körperschwerpunktes um 0,5 bis 1,0 cm (Abbildung 7). In der nachfolgenden Abdruckphase muss der Körper dementsprechend mehr angehoben werden. Das kostet Kraft und Zeit.

NIGG [4,5] hat untersucht, wie viel Energie das Tragen eines Schuhs kostet: im Optimalfall mindestens 5 %, in ungünstigen Fällen bis zu 30 %.

Die Verluste bzw. der Energiemehrbedarf für den Schuh setzt sich wie folgt zusammen:

Hebearbeit für den Schuh: 0,1% pro 100-g-Schuhgewicht
Hebearbeit für den Körperschwerpunkt: 1% pro 5-mm-Absinken
Beschleunigungsarbeit des Schuhs: 0,5 bis 1,0%
Stabilisierungsarbeit der Gelenke: 1%
Elastische/viskoelastische Verluste (optimal): 2%
Elastische/viskoelastische Verluste (maximal): 25%

Stabilmodelle sind selten mehr als 50 g schwerer als die weniger stützenden Modelle. Die dafür zusätzlich benötigte Hebearbeit liegt unter 0,1% der Gesamtenergie. Sinkt dagegen der Körperschwerpunkt z.B. um 5 mm ab, wird die 10-fache Energie benötigt, um ihn wieder anzuheben (Abbildung 7). Dies müssen Läufer, die stark pronieren, besonders beachten.

Die tägliche Praxis zeigt, dass viele von ihnen in ihren zu weichen (Wettkampf-) Schuhen 1 cm und mehr absinken. Sie müssen durch ihre falsche Schuhwahl Leistungsverluste hinnehmen. Ein Laufschuh mit ausreichender Stabilität wäre nur geringfügig schwerer, verhindert aber durch seinen Aufbau eine frühzeitige muskuläre Ermüdung. Der Lex-Händler weiß um diese Zusammenhänge und wird die optimale Kombination von Stabilität und Dynamik empfehlen.

Die beim Aufsetzen des Fußes auf den Boden entstehenden Stöße auf die Gelenke können auf zwei Wegen über körpereigene Dämpfungsmechanismen abgefangen werden, und zwar durch:

1. DIE MUSKELN;
2. DIE GELENKE SELBST.

Die Skelettmuskeln haben bekanntlich die Aufgabe, die Knochen (z.B. Oberschenkel/ Unterschenkel) über ihre Scharniere (Gelenke) zu bewegen. Das tun sie paarweise, der eine als Beuger, indem er sich, wie in Abbildung 1C gezeigt ist, zusammenzieht. Der zweite Muskel ist in dieser Phase nahezu spannungsfrei (elektrisch entkoppelt) und kann plastisch gedehnt (auseinander gezogen) werden (Abbildung 1A). Er dient aber auch als Strecker, um z.B. das abgewinkelte Bein wieder zu strecken oder in einem Winkel stabil zu fixieren. Beide sind, auch wenn das von außen nicht erkennbar ist, immer dem zu bewegenden Gelenk parallel geschaltet. In der Aufsetzphase erwartet der Körper nicht nur den Aufsetzstoß, sondern er muss auch das Körpergewicht abfangen und den Körper stabilisieren, damit er nicht hinfällt. Dazu spannt er die Muskelpaare vor. Die Strecker wirken dadurch als Federn, die beim Abfangen des Aufsetzstoßes elastisch gedehnt werden (Abbildung 1D) und die Stoßenergie zur Erhöhung des eigenen Energiepotenzials nutzen. Der optimale Arbeitsbereich - so wird auch hier vermutet - liegt wie beim Herz-Kreislauf-System ebenfalls im Bereich von 60 bis 80 % der Maximalkraft des Muskels. D.h., die höchste Dämpfungswirkung durch die Muskulatur erhält der Läufer, wenn er nicht mit maximalem Tempo, sondern im optimalen Ausdauerbereich von 60 bis 80% trainiert. Das Gelenk selbst hat mit dem Knorpel ein eigenes Dämpfungssystem, mit dem es Stöße abfangen kann (Abbildung 8). Die Knorpelschicht eines Gelenkes besteht aus drei Schichten:

• die Knorpeloberfläche;
• ein elastisches kollagenes Zwischengewebe;
• den Knorpelfasern und Knorpelzellen.

Dieser elastische Aufbau, der sich als Knorpelschicht auf jedem Gelenk befindet, dient dem Körper als körpereigener Stoßdämpfer. Durch normale Laufbelastungen wird er nicht geschädigt. Nach intensiver mechanischer Abriebsbeanspruchung, z.B. nach einen Marathon, benötigt der Knorpel eine Regenerationszeit, in der er durch Bewegung versorgt, aber nur submaximal belastet werden darf. Dem Autor liegen bisher keine Erkenntnisse vor, wie lange diese Regeneration dauert, er schlägt deshalb vor, 4 bis 8 Wochen jede weitere Maximalbelastung zu vermeiden.

Punktförmige Gelenkbelastungen, z.B. durch Gelenkfehlstellungen, führen nach allgemeinen Erkenntnissen auch unabhängig von läuferischen Aktivitäten zum Knorpelverschleiß. Besonders empfindlich ist die Knorpelschicht gegen Schlagbelastungen.

Abschlussempfehlung des Autors:

"Mit einem festen, gut stützenden Schuh weich laufen, d.h. mit 70 bis 80 % der maximal möglichen Laufgeschwindigkeit nicht nur das Herz- Kreislauf-System, sondern auch die eigene Muskelelastizität optimal nutzen."

Carl-Jürgen Diem, Darmstadt

LITERATUR

CAVANAGH, P.: The Biomechanics of Distance Running. Human Kinetics Publisher Champaign, Illinois (1990). DIEM, C. J.: Testkriterien für Lauf-(Jogging- )Schuhe: In: Sportverl. Sportschaden 4/1993, 196-199, Georg Thieme Verlag, Stuttgart. DIEM, C. J.: Grundlagen des Ausdauersports - Laufen, Meyer & Meyer Verlag, Aachen (2001). NIGG, B.: Biomechanics of Running Shoes. Human Kinetics Publisher, Champain/Illinois (1986). SEGESSER, B./ B. NIGG: Orthopädische und biomechanische Konzepte im Sportschuhbau. In: Sportverl. Sportschaden 7/1993, 150-162.