Simulation Was technische Simulation für den Sport leistet

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Besser, schneller, höher, weiter und dabei ein Plus an Sicherheit: Im Sport suchen Profis, Trainer und Amateure immer nach neuen Möglichkeiten, die Leistung zu optimieren. Welchen Beitrag die technische Simulation leistet, zeigt unser Artikel.

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Wer kennt das nicht: Sportverletzungen sind sehr unangenehm und häufig eine langwierige Angelegenheit.
Wer kennt das nicht: Sportverletzungen sind sehr unangenehm und häufig eine langwierige Angelegenheit.
(Bild: Ansys)

Mehr Leistung bei höherem Komfort und weniger Verletzungsrisiko ist ein permanentes Ziel in allen Bereichen sportlicher Betätigung. Gleichzeitig müssen die Hersteller von Sportprodukten Technologien erforschen, um Innovationen schneller umzusetzen und die Zuverlässigkeit von Produkten, die manchmal unter extrem anspruchsvollen Bedingungen eingesetzt werden, zu optimieren. In diesem Zuge wurde gerade der technischen Simulation in den letzten Jahren verstärkt Aufmerksamkeit geschenkt.

Simulation im Sport

Die technische Simulation ist eine bewährte Technologie zur Vorhersage des Verhaltens eines Produktes oder eines Sportlers oder eines aus Sportler, Produkten und Ausrüstung bestehenden Systems unter bestimmten Voraussetzungen. Durch computerbasierte Modellierung lässt sich bestimmen und verstehen, wie sich bestimmte Einflussgrößen auf die sportliche Leistung auswirken sowie das Verletzungsrisiko senken oder erhöhen. Durch Änderung der Einflussbedingungen und die Vorhersage der Konsequenzen von Veränderungen dieser Einflussgrößen können Entwickler von Sportausrüstung die beste Kombination auswählen, um die Leistung zu optimieren und Verletzungen zu verringern. Zusätzlich können Sportartikelhersteller die verbesserten Produkte schneller und zu geringeren Kosten auf den Markt bringen.

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In zahlreichen Sportarten wurde die technische Simulation bereits – gelegentlich oder systematisch – eingeführt, um beispielsweise die Leistungsfähigkeit der Ausrüstung zu verbessern oder das Verletzungsrisiko zu reduzieren.

Aerodynamik im Radsport

Zur Optimierung der aerodynamischen Eigenschaften sind sowohl die Position des Radfahrers als auch die Form aller Bauteile entscheidend. Die Position des Radfahrers erfordert einen Kompromiss zwischen der Minimierung des Luftwiderstandes, der Maximierung der Antriebskraft des Radfahrers in dieser Position und dessen Komfort. Zur Verbesserung der aerodynamischen Leistung der Ausrüstung optimieren die Entwickler – gemäß ihrer Prioritäten – jedes Bauteil, das eine Rolle bei der Erhöhung des Luftwiderstands spielen und daher den Sportler bremsen könnte. Da jedes Bauteil ein Subsystem (oder ein Teil davon) darstellt, ist es umso wichtiger, die Performance des kompletten Systems (d.h. des Fahrrads) zu verbessern, statt jedes Bauteil einzeln zu optimieren.

Weniger Widerstand beim Schwimmen

Die Hersteller von Schwimmanzügen machen ausgiebig Gebrauch von technischer Simulation, um die Wechselwirkung zwischen dem Wasser und dem Schwimmanzug besser untersuchen zu können. Durch Anpassen der Textur des Anzugs in Bereichen, in denen das Wasser einen hohen Widerstand erzeugt, kann die verlangsamende Kraft minimiert und die Leistung des Schwimmers verbessert werden.

Mehr Leistung und Zuverlässigkeit im Wassersport

Im Segelsport wird erheblich in die technische Simulation investiert, um die Performance zu verbessern und die Zuverlässigkeit der Ausrüstung für Langstreckenrennen zu maximieren. Teams und Bootsentwickler legen besonderen Wert auf die Wechselwirkungen zwischen Segel und Wind zur besseren Nutzung der Energie des Windes unabhängig von dessen Stärke und Richtung. Außerdem untersuchen sie die Wechselwirkungen zwischen Bootsrumpf und Wasser zur Minimierung des Strömungswiderstandes.

Ein weiteres Beispiel für den Einsatz von Strömungssimulation im Sport findet sich beim Surfen, wie konstruktionspraxis schon berichtet hat:

Neue Materialien im Ballsport

Bei der Ausrüstung für Tennis, Badminton und Squash müssen die Entwickler der Schläger das Gewicht minimieren und die Festigkeit maximieren. Gleichzeitig müssen die nötigen Schwingungen übertragen werden, damit der Spieler die Eigenschaften des Schlages „fühlen“ kann. Die zunehmende Einführung neuer Materialien und die Präsenz von Verbundwerkstoffen bei den heutigen Schlägern eröffnen einerseits den Weg für große Innovationen, machen es andererseits den Entwicklern aber auch schwerer zu verstehen, wie sich Änderungen auf die Performance auswirken. Technische Simulation dient zur Erzeugung eines detaillierten, parametrisierten Modells des neuen Prototypen und zum Testen von buchstäblich Millionen von verschiedenen Variationen zur Produktion des bestmöglichen Schlägers.

Mehr Geschwindigkeit im Winter

Skifahren, Snowboarden, Eislaufen, Eishockey und weniger populäre olympische Sportarten wie Bob- oder Skeleton können alle von der technischen Simulation profitieren. Bei den meisten dieser Sportarten kommt es auf Geschwindigkeit an. Daher müssen alle Faktoren, die den Sportler langsamer machen können, wie ungünstige Aerodynamik oder schlechter Kontakt mit dem Schnee oder Eis, gründlich untersucht werden. Wenn die Position des Sportlers eine wichtige Rolle spielt, wie es z.B. beim Skifahren der Fall ist, leistet jede Komponente der Ausrüstung einen Beitrag zum Erfolg. Die Textur des Anzugs, die Form der Schuhe bzw. Stiefel und des Helms oder das Design der Ski oder des Schlittens können für den Sportler einen bedeutsamen Wettbewerbsvorteil bieten, da es im Hochleistungssport auf Sekundenbruchteile ankommt. Zusätzlich kann der Kontakt der Skier zum Schnee durch übermäßige Schwingungen beeinträchtigt werden.

Aufholbedarf bei den paralympischen Sportarten

Leider gibt es noch eine große sportliche Disziplin, in der die technische Simulation weitgehend ungenutzt ist, ungeachtet des sportlichen Engagements dieser Athleten und der Vorteile, die sich aus der Simulation ergeben können: Die paralympischen Sportarten. Da computerbasierte Modelle in der Medizintechnik bereits in großem Umfang zur Entwicklung und Optimierung neuer Prothesen eingesetzt werden, besteht kein Zweifel daran, dass die technische Simulation neue Perspektiven eröffnen kann, um traditionelle sportliche oder medizinische Ausrüstungsgegenstände an die Besonderheiten dieser Aktivitäten anzupassen.

Kleidung und Schutzausrüstung

Die Sicherheit und der Komfort von Amateur- und Profisportlern sind bei sehr schnellen Sportarten, bei denen jeder Fehler oder Ausfall dramatische Folgen haben kann, extrem wichtig. Die Entwicklungsingenieure können alle möglicherweise auftretenden Stöße modellieren, wobei das Modell auch den menschlichen Körper selbst umfassen kann, damit Schäden und Verletzungen besser zu beurteilen sind. Die Anwendung der Simulation, um spezifische Merkmale des Ausrüstungsdesigns zu verändern und hierdurch das Verletzungsrisiko unter den verschiedensten Bedingungen zu minimieren und den Komfort zu optimieren, kann zu bedeutenden Wettbewerbsvorteilen führen. Die Robustheit der Werkstoffe, aus denen die Ausrüstung besteht, kann durch schnelle und kostengünstige computerbasierte Tests zugesichert bzw. verbessert werden.

Der vernetzte Sportler

In jüngster Zeit wurden größere Erfolge im Bereich des Internets der Dinge (IoT) im Sport sowie des vernetzten Sportlers erzielt. Geräte überwachen drahtlos die Leistung von Profi- und Amateursportlern und ermitteln sorgfältig das Verletzungsrisiko. Durch die Vernetzung kann das unterstützende Team des Sportlers aufmunternd oder beratend tätig werden oder einfach die Leistungsdaten zur späteren Auswertung und Anpassung des Trainingsprogramms aufzeichnen. Die Vernetzung bringt jedoch auch einige Unannehmlichkeiten mit sich. Diese lassen sich dadurch minimieren, dass man durch geeignete Simulation die Verbindungstechnik miniaturisiert, die auf den Körper einwirkende elektromagnetische Energie verringert und durch die IoT-Ausrüstung verursachte Unbequemlichkeiten vermeidet.

Was bringt die Zukunft?

Die technische Simulation ist eine bewährte Technologie, die das Verhalten jedes Produktes, Sportlers oder Systems in einer bestimmten Situation vorhersagen kann. Durch computerbasierte Modellierung kann man verstehen, wie sich verschiedene Parameter auf die Leistung auswirken oder das Verletzungsrisiko verringern bzw. erhöhen. Durch Verändern der Einflussgrößen und Vorhersage der Konsequenzen dieser Änderungen können die Entwickler die richtigen Entscheidungen treffen, um die Leistung zu optimieren, das Verletzungsrisiko zu minimieren oder eine kostengünstige Produktion der Ausrüstung für den Massenmarkt zu ermöglichen.

Angesichts der enormen Erfolge der technischen Simulation in den vergangenen 50 Jahren in anderen Branchen gibt es keinen Zweifel, dass sie auch in der Sporttechnik einen immer größeren Einfluss bekommen wird. Entscheidend ist, dass die Hersteller von Sportausrüstung, Profi- und Amateursportteams, Anbieter von technischer Simulationssoftware und führende Organisationen im akademischen Bereich zusammenarbeiten und die Einführung dieser Technologie beschleunigen. (mz)

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