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Die vier Elemente der Vorhandpeitsche

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Die moderne (Topspin-) Vorhand wird nicht geführt und nicht geschwungen, sondern peitscht den Schlägerkopf mit einer Durchschnittskraft von 70 Kilopond auf eine Geschwindigkeit von 80 Km/h. Dabei wird der gesamte Armtrakt stark verwrungen.  Man spricht von der Vorhandpeitsche.

Was ist mit der Peitsche gemeint? Peitsche heißt, dass die Bewegung einer großen Masse durch elastische Koppelung in mehreren Stufen auf eine kleinere Masse übertragen wird und dabei – wegen der Impuls- und Energieerhaltungssätze – eine gewaltige Geschwindigkeitszunahme erfolgt. Eine Peitsche hat meist viele Elemente, so dass der Geschwindigkeitszuwachs sukzessive zunimmt und bei einer Zirkuspeitsche die Spitze auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt – der berühmte Peitschenknall.

In einem sehr aktiven Golfforum haben wir diese Links zu sehr überzeugenden Animationen (und Berechnungen) von Tutelman gefunden (Drei-Kugel-Stoß), der das Grundprinzip der Peitsche sehr anschaulich demonstriert. Schlagen eine große Kugel und eine Kleine Kugel zum elastischen Stoß aneinander, dann erreicht man bereits mit einer dazwischen geschaltete mittleren Kugel eine erheblich bessere Energieübertragung: „Remember, when we ran the animation of the large ball colliding with the small ball, how the small ball moved faster than the large ball? Although it’s not easy to tell, the small ball now moves faster than before. The intermediate ball makes the transfer of energy from the large ball to the small ball more efficient.“ siehe hier…

Die Peitsche ist also ein Mittel der besseren mechanischen Anpassung  bei der Übertragung der Bewegungsenergie eines schweren auf einen leichteren Körper. Anders, als beim einstufigen elastischen Stoß kann das Produkt von geringer Geschwindigkeit und hoher Masse bei einer Peitschenübertragung zu einer sehr hohen Geschwindigkeit bei dem (zuletzt) angestoßenen Körper mit kleiner Masse führen. Beim Tennis heißt das, dass der Schlägerkopf am Ende immer erheblich schneller sein soll als Unterarm und Hand. Ober- und Unterarm bewegen sich also nicht synchron oder gleichförmig mit dem Schläger. Dies ist eine Abkehr vom früher gelehrten geführten Schlagstil (Drive).

Ich unterscheide bei der Vorhand vier Peitschenelemente.

(Die Nomenklatur, umgekehrt zur Reihenfolge der Kraftübertragung, wurde gewählt, weil das letzte Element, der starre Schläger, genau definiert ist, während der Beginn der Peitsche etwas willkürlich angesetzt wird. Siehe dazu auch noch weiter unten, Peitsche und Kraftkette.)

  • Peitsche heißt bei der Vorhand, dass zur Beschleunigung des Schlägerkopfes zunächst die größte Masse, nämlich der untere Teil des Rumpfes beschleunigt wird.
    Diese Energie wird auf den Oberkörper übertragen: Peitschenelement4.
  • DieseEnergie wird elastisch über das Schultergelenk auf den Oberarm übertragen: Peitschenelement3.
  • Der Oberarm zieht den Unterarm hinter sich her und überträgt die Energie
    auf den Unterarm: Peitschenelement2.
  • Über das Handgelenk wird die Energie des Unterarms auf die Schlägermasse übertragen: Peitschenelement1.

(siehe Beispielsberechnung für die Peitschenelemente weiter unten)

Die Gelenke dienen dabei nicht nur als „Klappscharniere“ sondern – teilweise – geschieht die Übertragung auch über Drehbewegungen des Oberarmes im Schultergelenk, und über Supination und Pronation des Unterarmes über das Handgelenk.

Da die Teilmassen in dieser Abfolge immer kleiner werden, wird bei einer solchen Bewegung die Geschwindigkeit bis zum Schlägerkopf immer größer, s.o.

Gedanken zur Peitsche: mechanische Anpassungsprobleme in Natur und Organismus
Der Name Peitsche bezieht sich auf die Kutscherpeitsche, bei der auf diese Weise die Peitschenspitze Überschallgeschwindigkeit erreicht (Peitschenknall), obwohl eine so schnelle Bewegung ansonsten vom Menschen direkt nicht erzeugt werden kann. Achtung, der Einsatz des Peitscheneffektes beim bewegten Organismus wird begleitet von anderen Effekten, die aus dem Zusammenspiel der motorischen Eigenschaften der Muskeln und der elastischen Eigenschaften der Muskeln, Sehnen, Bänder und Knorpel resultieren. Diese Effekte können fördernd aber auch bremsend auf die Peitsche einwirken. Siehe den Beitrag Elastizitäten.

Berechnet wurde die Peitsche von Szabo mithilfe der Lagrang`schen Gleichungen, siehe hierzu die Darstellungen in Wikipedia.

Der von Szabo verwendete Formalapparat entzieht sich allerdings der Anschaulichkeit, wie auch in einer Festschrift für Dieter Wandschneider, “ Logik Mathematik und Naturphilosophie im modernen Idealismus“, von W. Neuser und Vittorio Hösle (Hrsg.) festgestellt wird, siehe hier.

Deshalb scheint es lohnend, die Energieübertragung durch eine einfache Simulation auf Basis der elastischen Impulskoppelung und auf vier Elemente beschränkt, nachzurechnen. Hypothese: wie andere Transformationsmöglichkeiten auch, ist die Peitsche geeignet, Energie von unterschiedlichen Energieträgern (hier: schwere bewegte Masse auf eine leichtere und daher schneller zu bewegende Masse) mit minimiertem Energieverlust zu übertragen.

Die Energie (Kraft und Bewegung einer beträchtlichen Masse – hier des Körpers) soll also optimal auf eine kleine Masse (hier den Ball) übertragen werden. Das ist ein sogenanntes Anpassungsproblem, das man in anderer Weise beim Transformator in der Elektrotechnik, im Horn der technischen Akustik und im Getriebe im Maschinenbau (Automobil) kennt.

Erinnern wir uns an den Ablauf der Vorhandpeitsche ähnlich Djokovic, nachdem man weiß, dass man eine Vorhand spielen will…

  1. Die Vorhand sollte von Anfang an aus der senkrechten Schlägerstellung begonnen werden (siehe Bild Djokovic im Vorspann);
  2. Der Schlägerkopf weist in den Himmel, der Griff weist senkrecht zum Boden, die Schlagfläche verharrt dabei rechts und parallel 20 bis 40 Zentimeter neben dem rechten Ohr; der linke Arm hat den Schläger bis hierhin mitgeführt; der richtige Griff ergibt sich aus dieser Anfangsstellung  zwangsläufig.
  3. Wer es gleich schafft, kann danach den linken Arm zu einer Zeigebewegung zum Ball hin strecken, …
    während…
  4. der Schläger durch Streckung des rechten Ellbogengelenks vom Ohr hinter die rechte Gesäßhälfte abgesenkt wird; dabei ist die Schlägerfläche eine gewisse Zeit parallel zum Boden ausgerichtet.
  5. Dann zieht die Schulter durch Rotation der Hüfte und des Oberkörpers den zunächst voll gestreckten Arm, ähnlich wie einen an der Schulter befestigten Besenstiel, nach vorne, wobei das Schlägerende (Knauf) anfangs wie eine Taschenlampe zum Ball weist (Nick Bollettieri siehe Filmclips hier…besonders das siebte Bild links, neben der Überschrift „Follothrough“; nicht in allen Filmen ist dieses Bewegungsmuster gleich gut ausgeführt oder zu erkennen ). Siehe hierzu auchTabelle 5, Frame 45, hier…
  6. Dies wird mit dem linken Arm (Opposite-Arm-Action) durch sein Heranziehen an den Oberkörper) unterstützt.
  7. Erst nach dieser Phase, in der die Energie des Rumpfes auf Arm und Schläger übertragen wurde, wird  das Ellbogengelenk kraftvoll gebeugt und unterstützt das Heranziehen des Schlägers.
  8. und im letzten Moment, schließlich, geschieht Endphase des Zuschlagen: der Schläger wird durch die Pronation des Unterarmes (also die  Einwärtsdrehung gegen den Uhrzeigersinn) 0,25 Sekunden vorher in die eigentliche Treffposition gegen den Ball geschleudert.

Fast alle Clubspieler nutzen übrigens die Peitsche nicht optimal, weil sie das Ellbogengelenk nicht strecken, sondern immerleicht gebeugt lassen. Dadurch bremst die Brust und Oberarmmuskulatur den Löwenanteil der von der Schulter übergebenden Energie ab. Denn das Modell der Vorhandpeitsche, so, wie unten gerechnet, setzt voraus, dass das nächst folgende Element die übertragene Energie überhaupt ohne Schädigung und ohne Bremsverluste (exentrische Muskelkräfte) überhaupt „verwerten“ kann.

Hier nun die gerechneten vier Elemente der Vorhandpeitsche

  • Peitschenelement 4: Beckendrehung geht der Drehung der Schulterebene voraus;
  • Peitschenelement 3: Schulter zieht Oberarm (Schulter läuft dem Oberarm voraus);
  • Peitschenelement 2: Oberarm zieht Unterarm (Ellbogen läuft demUnterarm voraus);
  • Peitschenelement 1: Handgelenk zieht Schlägergriff (Handgelenk läuft dem Schlägerschwerpunkt voraus.);

Bei der Vorhandpeitsche wird eine Energie- bzw. eine Impulsübergabe von dem jeweils größeren Bewegungselement (Rumpf, Glieder, Schläger, Ball) auf das jeweils kleinere ermöglicht. Die elastische Stoßübertragungskette wird für die Simulation durch vier Elemente der Massen 60 Kg, 20 Kg, 5 Kg, 300 Kg und 50 Gramm angesetzt. Die vorhandene Exceltabelle wird verwendet und in Tafel 7 umgesetzt. Der Übertrag der Bewegungsdaten von Stufe zu Stufe wurde Zeile für Zeile manuell vorgenommen, aus Bequemlichkeit, und um Fehlerquellen bei Formelumwandlungen in dieser groben Betrachtung auszuschließen, siehe oben.

Es geht hier um
Peitschenelement 4 (Zeile 4) ,
Peitschenelement3 (Zeile 5) ,
Peitschenelement2 (Zeile 6) und
Peitschenelement1 (Zeile 7), siehe Nomenklatur ganz oben.

Da wir die Beckenbewegung mit 15 Km/h angesetz haben, würde eine reine Addition der Geschwindigkeit lediglich diesen Betrag auf den Ball übertragen. „Schübste“ man den Ball direkt mit einem am Becken befestigten Schläger an, bekäme dieser eine Geschwindigkeit von 30 Km/h. Das Becken würde sich ungebremst durch den Ballkontakt mit nahezu gleicher Geschwindigkeit weiter bewegen (siehe Exceltabelle, Tabelle 7, Zeile 9). Allerdings geht diese Rechnung davon aus, dass die Impulse ungebremst und ohne an Belastungsgrenzen der Körperteile zu kommen, übertragen werden können.

Bewegungsaddition und Peitscheneffekt
So schön ist auch das nachfolgende Lehrvideo zum Aufschlag Andy Roddicks.Das Gleichnis mit den Raketenstufen zeigt nicht den wahren Anteil, den die Beinarbeit beim Aufschlag auf die Servicegeschwindigkeit hat. Der Gewinn aus der Impulsweiterleitung (Peitsche) ist, auch wenn man überhaupt nicht springt, ganz gewaltig.

Man kann das selbst nachprüfen, wenn man das Luftgeräusch bei der Trockenübung mit und ohne Beinarbeit vergleicht: mit Beinarbeit wird das lauteste Luftgeräusch schon viel früher, d.h. an dem Ort, an dem man für gewöhnlich den Ball trifft, erreicht.

 

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Wichtige Relativierung und Ergänzung
So erhielt ich von einem Forenfreund folgenden Hinweis (nachdem ich die von Vic Braden für die Topspin-Rückhand formulierte Metapher eines an der Schulter befestigten Besenstils auf die Vorhand übertrug)
„…was den Peitscheneffekt angeht, kann man den Sportlerkörper allerdings nicht mit einem Besenstiel mit eingefügten Gelenken gleichsetzen, bei dem der Anfangsimpuls unverändert von Segment zu Segment weiter gegeben wird (=Impulserhaltung). Ich will das am Beispiel des Gliedersystems Schulter-Oberarm erläutern: Wenn die (rechte) Schlagschulter in Schlagrichtung bewegt wird, zieht sie den daran hängenden Arm zwar mit und gibt somit den Impuls an den Oberarm weiter, aber durch die Massenträgheit „will“ der Oberarm am Ort verharren und hinkt deshalb – da hier ja keine starre Gelenkverbindung vorliegt – der Bewegung hinterher. Dadurch wird der Pektoralis, insbesondere weil er schon voraktiviert ist, kurzfristig gedehnt und reagiert mit einem Dehnungreflex. Dieser vergrößert im Gegensatz zur Kutscherpeitsche den übertragenen Impuls u.U. recht bedeutend und zwar durch eine Verstärkung der Anteversions- und Innenrotationsbewegung des Oberarmes. In ähnlicher Weise verstärkt anschließend die Innenrotation des Oberarms durch Dehnungsreflex in den Pronatoren des Unterarms die Pronationsbewegung des Unterarms usw. Also: Im Gegensatz zur (mechanischen) Kutscherpeitsche kann bei der (organischen) Vorhandpeitsche im Zuge der Impulsübertragung der Impuls zunehmend vergrößert werden. Dies impliziert natürlich auch, dass gegebenenfalls – bei ungünstigem Aktivierungsniveau der beteiligten Muskeln – der Impuls durch die Zähigkeit des Gewebes gedämpft werden kann (oder, in der Terminologie des Energiesatzes, Energie verloren gehen kann“. (Persönliche Mitteilung, s.o., Hervorhebungen von mir)

Das schmälert jedoch nicht die Bedeutung des Peitschenmodells. Es müsste aber noch weiter „durchgerechnet werden, siehe den Abschnitt Desiderat weiter unten sowei den Beitrag Elastizitäten

Auch ist es durchaus denkbar, dass andere Schlagstile, als die Vorhandpeitsche, zu guten Ergebnissen führen können. Allerdings ist gegenwärtig ein Trend zur Vorhandpeitsche nicht zu übersehen.

Resüme
Es kommt heraus, was erwartet wurde, nämlich, dass in der elastischen Übertragungskette die Anfangsenergie des Rumpfes bei Zwischenschaltung kleinerer Massen eine höhere Endgeschwindigkeit des Balles erzeugt. Die Energieübertragung durch die Peitsche ermöglicht eine bessere Anpassung der Energieübertragung als die direkte Übertragung Rumpf zu Ball. Dies wurde auf Basis der Formel für den elastischen Stoß gezeigt. Die Vorhandpeitsche mit Double-Bend-Technik, die diesen Peitscheneffekt optimal nutzt, ist daher Schlagstilen mit steifem Arm überlegen, zumindest, was die energetische Seite betrifft. Die Impuls- und Energieübertragung kann durch Technikfehler bei der Ausführung der Peitsche empfindliche Einbußen erleiden (z.B. kein gestreckter Arm bei der Vorhandpeitsche)

Ausblicke
Verkürzung des Ausschwunges?
siehe auch: „Wider das eherne Gesetz zum maximalen Ausschwung

Denkt man die Vorhandpeitsche konsequent zu Ende, sollte eigentlich ein Großteil der Energie, die von den großen Peitschenelementen auf die Peitschenspitze (Schlägerkopf) zu übertragen ist, nach dem Ballkontakt aufgebraucht sein. Dies ist das Wesen der Peitsche, aber eine völlig ungewohnte Betrachtungsweise, da bei herkömmlichen Bewegungsstilen Arm und Schläger parallel mitgeführt werden.

In der Überschlagsrechnung für die Vorhandpeitsche, oben, sind in Spalte u1 die Restgeschwindigkeiten der einzelnen Teilglieder nach Impulsübergabe auf das nächste, leichtere, Peitschenglied angegeben. Der  Schläger schwingt nach einem auf 137 Km/h geschlagenen Ball noch mit 57 Km/h weiter, die Hand mit 36 Km/h und die Schulter mit 9 Km/h. Dies lässt sich abbremsen, wie Videoclips zeigen.

Damit verbunden war, im Gegenteil, eine möglichst dramatische Weiterführung von Arm und Schläger, der Ausschwung. Dieser Ausschwung, manchmal fast „ein mal um den Rumpf herum“ galt als Ausdruck optimaler Bewegungsführung. Dies auch entsprechend der Erkenntnis, dass nur die Intention, den Schläger nach dem Ballkontakt weiter zu beschleunigen (durch den Ball durchschlagen) einen frühzeitigen Abbruch der Innervierung vermeiden könnte. Der Trainer wertete den Ausschwung als Indiz für diese optimale Innervierung. Das ist jedoch nicht immer richtig.

Ausholbewegungen; inhärente Sicherheit
Nachdem ich in den letzten Monaten Vorhand-Peitsche mit zunehmendem Erfolg einübe, erinnerte ich mich, dass ich Ähnliches in meinen (Tennis-) Anfängen bereits versucht hatte. Wegen der Ausholbewegung des Schlägerkopfes untenrum führte dieser Ansatz jedoch zu häufig unkontrollierten Schlägen und wurde damals von mir aufgegeben. Heute, bei einer Ausholbewegung, wie Djokovic sie praktiziert – die Schlägerrückseite zeigt wie das Abdeckglas eines Scheinwerfers in Richtung ankommender Ball – ist diese Fehlerhäufigkeit nicht mehr mit der Peitsche verbunden. Im Gegenteil, es entsteht bei mir der Eindruck einer quasi inhärenten Sicherheit, bei der sich Abweichungen z.T. selbst kompensieren. Sogar meine Empfindlichkeit gegenüber rutschigem Griffband ist ganz erheblich zurückgegangen, vor allem, seit ich den Schläger im rechten Winkel greife – anders z.B., wie es meistens in den Erläuterungen zum Western- bzw. Easterngriff abgebildet ist. Bei Spielern wie Sam Querrey (USA) und Jeremy Chardy (FR) konnte ich kürzlich selbst feststellen, dass mit dieser Bewegungsform auch schwierigste Aufgaben gemeistert werden: z.B. flacher ankommender Slice nahe T-Linie mit vollem Speed longline geschlagen.

Verändert die Peitsche die athletischen Voraussetzungen des Tennisspielers?
Im Zusammenhang mit der zunehmenden Bedeutung der maximalen Anfangskraft und deren Umsetzung nach dem Peitschenprinzip ist nicht allein ein Überdenken überkommener Vorstellungen zum Ausschwung fällig, sondern auch die früher publizierten Aussagen zur Konstitution des idealen Tennisspielers aus biomechanischer Sicht sind vermutlich zu revidieren. Der eher leichte Konstitutionstyp bekommt verstärkt Konkurrenz durch den sehr kräftigen Typ, weil der mit der Peitsche nun bessere Möglichkeiten hat, seine enorme Anfangskraft sinnvoll auf den Tennisschläger zu übertragen. Im Beitrag „Wider das eherne Gesetz zum maximalen Ausschwung“ ist dies am Schlagstil Nadals beispielhaft gezeigt.

Desiderat zum Peitschenmodell
Biomechanische Grenzen der Impulsübertragung
So plausibel das Peitschenmodell für die Vorhand ist, es fehlt eine biomechanische Betrachtung des Energieflusses vom schweren zum leichten Körper. So müsste bei der Vorstellung, dass statt des Oberarmes ein am Schultergelenk befestigter Besenstil den Impuls des Rumpfes aufzunehmen hätte, berechnet werden, welche Kräfte an dieser Verbindungsstelle aufgenommen und übertragen werden können (Freischneiden). Auch der Einfluss schlechter Technik die die übertragene Energie gleich wieder in die exentrische Muskelarbeit überführt und damit wegbremst, muss genauer betrachtet werden.
Wie gesagt, es hängt sicherlich auch von den in den verschiedenen Bewegungsphasen aktuellen Geometrien ab, ob als limitierende Faktoren die exzentrische Maximalkraft der Muskulatur oder die Stabilität des elastischen aber festen Gelenks, mit seinen Bändern und Knorpeln wirksam werden.

Während man beim Schultergelenk noch erwartet, dass die gesamte kinetische Energie des Rumpfes auf den Oberarm übertragen werden kann (gestreckter Arm vorausgesetzt), fällt dies beim Ellbogengelenk und im Handgelenk schon schwerer. Noch gravierender dürfte dieses Problem beim Aufschlag mit extremer Pronation sein, die durch maximales Loading (hier also Supination) vorbereitet wird. Auch Schulterverletzungen sind wohl nicht ohne Grund bei Spitzenspielern recht häufig anzutreffen, weil sich in den betroffenen Muskeln und Bändern die hohen Übertragungskräfte des Energieflusses vom Rumpf auf die Schulter bzw. den Oberarm konzentrieren.

Siehe hierzu die Beiträge Elastizitäten, Muskelmodelle und Kräfte und Beschleunigungen, besonders unter dem Aspekt Teilkörpermechanik.

Ist das neue Tennis revolutionär?
Viele Aspekte der modernen Vorhand scheinen revolutionär. In Wahrheit hat es aber Alles schon einmal gegeben, wenn auch vielleicht nicht in dieser Kombination. So sagt John Yandell, an der  Yale-University studierter Bewegungswissenschaftler, Tennisleher und -Analysist, in San Francisco beheimatet
„I think it’s much more prevalent now, but I’ve got a piece of video of Bill Tilden turning his hand over and finishing with his racket pointing at the side fence and slightly down, and this was filmed in the 1920s,…..I think that anything a gifted tennis player can do in the year 2006 has been done by gifted tennis players before. It’s hard to say how much it was done and how much when because there is so little historical film to look at, but every shot in the modern game that is hit, I can point to one or multiple examples in the limited amount of film we have….“  I could show you Rod Laver finishing a forehand in the WCT Final against Ken Rosewall in the 1970s where his left hand is over near his right shorts pocket. There’s a bit of a myth that modern tennis is something completely new and so-called classical tennis is sometimes set up as a straw man to be knocked down. However, the one thing that definitely has changed is the extremity of the grips and the amount of topspin.“ , Quelle

Zur konservativen Griffhaltung und den besonderen Fähigkeiten Federers, damit trotzdem die Wiper-Vorhand zu schlagen, siehe hier… Wobei es bemerkenswert ist, dass sich mit Federer und Nadal noch zwei Spitzenspieler halten, die keine double-bend-Vorhand spielen, sondern mit durchgedrücktem Arm (Ellbogengelenk) spielen.

Kuriosität
Eine kleine Kuriosität sei hier noch vorgestellt.  Die Vorhandpeitsche weitergedacht, hat Prof. Don R. Mueller, ein Schläger der selbst als Peitsche ausgebildet ist. Zum Selbstbau nach YouTube-Anleitung; auf das Bild klicken.

 

 

© Dr. Holger Hillmer

3 Kommentare

  1. hallo,
    sehr interessante beiträge—
    machen neugierig auf weitere details–
    z.b. – was ist mit der vic-braden

    „Metapher eines an der Schulter befestigten Besenstils“

    im einzelnen bei der rückhand gemeint?
    QUELLE BEKANNT UND ZUGÄNGLICH?
    WFR
    HARRY

    • Hallo, Harry, danke für Deine Frage und Entschuldigung, dass ich die erst jetzt entdeckt habe (liegt an den vielen SPAMs, die für irgendwas werben wollen).
      Das mit dem Besenstil soll das Gefühl vermitteln, aus der Ganzkörperdynamik heraus die einhändige Rückhand aufzubauen. Der Kraftimpuls der rechten Schulter soll den Schlagarm die Anfangsbeschleunigung vermitteln.
      Ansonsten würde man nur den Arm vom Körper „wegdrücken“. Genau genommen ist dies sogar die erste Stufe einer Peitsche, die im modernen Tennis immer dominierender eingesetzt wird.

  2. Das ist ein wirklich gut gelungener Text danke dafür
    Er hat mir echt geholfen bei meinem Abi (Sport) und ist für jeden gut zu lesen gut strukturiert und wirklich sehr informativ
    Vielen dank also an Dr. Holger Hillmer für den informativen Beitrag und für die Grafiken
    Mit sportlichen Grüßen
    Max

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