Kräfte, Momente, Bandscheiben: Mechanik im menschlichen Körper

Physik steckt jedem Menschen in den Knochen – und in der Muskulatur. Gesetze der Mechanik helfen zu erklären, was beispielsweise einen Bandscheibenvorfall verursacht. Damit es nicht zu solchen Überlastungen kommt, spielen sowohl die Kraft als auch das Zusammenspiel der Muskeln eine wichtige Rolle.

In der Regel denken wir über die Bewegungen, die wir ausführen, nicht nach. Selbst komplexe Abläufe des täglichen Lebens wie Schreiben, Geschirr abtrocknen oder Schnürsenkel binden laufen automatisch ab. Aktiv setzen wir uns mit Bewegungen nur dann auseinander, wenn sie beispielsweise neu sind, also etwa Fahrradfahren lernen. Auch durch starke Schmerzen, wie bei einem Bandscheibenvorfall, nehmen wir einfache Vorgänge wie Bücken und Strecken plötzlich sehr deutlich wahr. Wie kann es zu solchen schmerzhaften Überlastungen kommen? Und wie muss unser Körper arbeiten, damit sie gar nicht erst entstehen?

Bewegungen laufen physikalisch im Wesentlichen im Bereich des Muskel-Skelett-Systems ab. Dass dabei auch mentale Prozesse, das Herz-Kreislauf-System und weitere Faktoren eine Rolle spielen, wird hier außer Acht gelassen. Die insgesamt mehr als zweihundert Knochen des menschlichen Skeletts, seine passiven Elemente, werden durch 656 Muskeln – als aktive Elemente – sowie eine Vielzahl von Bändern und Sehnen – als elastische Elemente – zusammengehalten, gegeneinander bewegt und stabilisiert.

Querschnitt durch den Rücken eines Menschen

Geführt wird die Bewegung der Knochen durch Gelenke. Damit zwei durch ein Gelenk miteinander verbundene Knochen gegeneinander bewegt werden können, müssen im einfachsten Fall die beiden Enden eines Muskels mit jeweils einem der Knochen über eine Sehne verbunden sein. Kontrahiert der Muskel, so wird der Gelenkwinkel verändert. Da ein Muskel nur Zug ausüben kann, ist mindestens ein zweiter Muskel erforderlich, um zum Beispiel den Arm oder das Bein wieder zu strecken. Die Wirkung des zweiten Muskels ist dabei der des ersten entgegengesetzt – die beiden arbeiten als sogenannte Antagonisten.

Tatsächlich ist jedes Gelenk von einer Vielzahl von Muskeln umgeben, die sowohl mit entgegengesetzter Wirkung als auch als sogenannte Agonisten – mit gleichlaufender Wirkung – arbeiten. Damit werden nicht nur komplexere Bewegungen wie das einfache Beugen und Strecken möglich, die Muskulatur stabilisiert auch Gelenkstellungen und Körperhaltungen. Bei den meisten Gelenken sind kleine, kurze, gelenknahe Muskeln für die Stabilisierung verantwortlich (siehe Infokasten: Biomechanische Modelle). Für diese Stabilität, die ganz besonders dann gefordert ist, wenn Kräfte über das Gelenk übertragen werden, sind nicht nur Stärke und Ausdauer der Muskulatur ausschlaggebend. Eine große Rolle spielt die Koordination zwischen den Muskeln, damit ein gut abgestimmtes Maß von Zug und Gegenzug das belastete Gelenk schützen kann. Beim Aufheben eines Gegenstandes muss der menschliche Körper beispielsweise eine sehr komplexe Bewegung des gesamten Rumpfes, mindestens eines Armes und der Beine, vollführen. Die Hauptrolle spielt dabei der Rumpf und innerhalb des Rumpfs die Wirbelsäule. Bei reiner Betrachtung des Skeletts ist sie es, die die aufrechte Körperhaltung gewährleistet.

Muskeln sorgen für Stabilität

Schon das aufrechte Stehen erfordert eine ständige Aktivität der Muskeln. Das wird sofort klar, wenn man das Bild eines Menschen im Stand von der Seite betrachtet. Einerseits befindet sich die Wirbelsäule im Rumpf deutlich hinter dem Schwerpunkt. Daher ist im Stand eine dauernde Aktivierung der Rückenmuskulatur erforderlich, um ein Umkippen nach vorn zu verhindern. Andererseits befindet sich die bewegliche Wirbelsäule auch seitlich in einem stetigen labilen Gleichgewicht, das durch fortwährende Muskelaktionen aufrechterhalten werden muss. Deshalb hängt die Stabilität jeder Körperhaltung ganz wesentlich davon ab, dass die Rumpfmuskulatur belastbar und gut aufeinander abgestimmt ist.

Kraftkompensation durch die Rückenmuskulatur

Beispielsweise sollte die Maximalkraft der Bauchmuskulatur, die den Körper nach vorne beugen kann, etwa siebzig Prozent der Maximalkraft der Rückenmuskulatur betragen. Allerdings belastet die Stabilisierung von Körperhaltungen durch Muskelarbeit von vornherein auch innere Strukturen des menschlichen Körpers: Beispielsweise werden die Bandscheiben vornehmlich im Lendenwirbelsäulenbereich, wenn man nach vorn und zur Seite geneigt ist, mehr belastet als im aufrechten Stand. Wie stark diese Strukturen bei Alltagsbewegungen belastet werden, lässt sich mit einer einfachen Rechnung abschätzen: Man denkt sich für das Vor- und Zurückbeugen des Oberkörpers ein punktförmiges Drehzentrum im Bereich der unteren Lendenwirbelsäule. Dann vereinigt man die Masse des Oberkörpers in einem einzigen, zentralen Punkt. Das Ergebnis für einen durchschnittlichen, sportlichen Menschen (1,75 Meter groß, 70 Kilogramm schwer) ist ein Gewicht von etwa 45 Kilogramm, das den Oberkörper etwa drei Zentimeter vor dem Drehpunkt nach unten zieht. Die Zugkraft und dieser Abstand bewirken zusammen ein Drehmoment nach vorn, das von der Rückenmuskulatur kompensiert werden muss.

Beide Kräfte – das Gewicht des Oberkörpers und die Kompensationskraft der Muskeln – drücken die Wirbelsäule unter dem gedachten Drehpunkt zusammen. Die Gesamtlast beträgt rund 720 Newton, das ist das 1,6-fache des Oberkörpergewichts. Bei einem Menschen gleicher Größe mit einem Gewicht von 100 Kilogramm wäre einerseits die Oberkörpermasse und andererseits auch der Hebel größer. Entsprechend erhöhen sich das Drehmoment und dadurch die Kompensationskraft der Muskulatur. Die auf die Lendenwirbelsäule wirkende Druckkraft entspricht bereits dem 2,2-fachen der Oberkörpermasse, die Belastung ist also deutlich größer. Das ist natürlich eine sehr grobe Schätzung. Allerdings wurden bereits Rechnungen mit sehr genauen biomechanischen Modellen zu unterschiedlichen Belastungen durchgeführt. Die resultierenden Werte sind durchweg sogar höher als die Ergebnisse der oben durchgeführten Abschätzung.

Druck auf die Bandscheiben

Noch genauer sind Resultate direkter Messungen: Der Mediziner Alf Nachemson hat bereits 1966 den Bandscheibeninnendruck bei Versuchspersonen in verschiedenen Körperhaltungen gemessen, indem er ihnen Drucksensoren in den Bandscheibenkern implantierte. Der bei geradem Stehen gemessene Wert, auf den alle anderen Angaben bezogen sind, betrug 4,5 bar. Der Orthopäde Peter Neef erhielt im gleichen Jahr ähnliche Untersuchungsergebnisse aus Selbstversuchen. Während die Ergebnisse im Stehen und in Rückenlage mit denen Nachemsons vergleichbar waren, gab er für Sitzen und Seitenlage geringere, für das Heben mit Rundrücken jedoch viel höhere Werte an. Hier trat mit 25,5 bar das Fünffache des Drucks bei geradem Stehen auf. Es handelt sich dabei nur um die Druckbelastung, andere Kräfte sind nicht berücksichtigt. Dennoch wird sehr deutlich, dass besonders das Krümmen der Wirbelsäule zu einer Erhöhung des Drucks in den Bandscheiben führt.

Belastungen in den Bandscheiben

Belastungen des Muskel-Skelett-Systems, aber auch Lärm, Stress oder Hitze, die auf den menschlichen Körper einwirken, werden in Beanspruchungen innerer Strukturen umgesetzt. Ob in der Folge eine diese Strukturen geschädigt wird, hängt ausschließlich von der Höhe der Beanspruchung ab, sodass eine Belastung an sich zunächst weder als gut noch als schlecht gesehen werden kann. Von ausschlaggebender Bedeutung ist, auf welche Voraussetzungen die Belastung trifft. Es spielt eine wichtige Rolle, ob bei einer physischen Belastung die aufnehmenden und weiterleitenden Knochen, Bänder und Muskeln in einer physiologisch günstigen Position arbeiten. Damit sind tatsächlich vor allem Gelenkwinkelstellungen gemeint. Wie effektiv Muskeln diese Stellungen stabilisieren können, hängt maßgeblich von der aktuellen Muskellänge ab – und diese wieder von Gelenkwinkeln.

Günstig sind Gelenkstellungen, die Beanspruchungen effektiv aufnehmen oder weiterleiten. Die Vorgänge laufen bei Gesunden automatisch und so schnell ab, dass sie beendet sind, ehe das Hirn überhaupt etwas davon mitbekommt. Die Muskeln aktivieren sich scheinbar selbst, Reflexe verursachen ihre Kontraktion. Je weiter die entsprechenden Körperteile zum Zeitpunkt der Belastung von einer günstigen physiologischen Position entfernt sind, desto wahrscheinlicher wird diese Belastung zur Überbelastung. Sehr gut lässt sich dies am Beispiel einer Bandscheibe erläutern. Die Bandscheiben verbinden die einzelnen Wirbelkörper miteinander. Sie bestehen aus einem weichen Kern aus gallertartiger Masse, der von einem vielschichtigen Faserring umgeben ist. Die Zugrichtung der Fasern übereinanderliegender Schichten des Faserrings ist gekreuzt. Zudem verändert sich der Winkel der Fasern von innen nach außen. Dieses Kreuzgeflecht ist mechanisch extrem fest. Damit ist die Bandscheibe von vornherein dafür ausgelegt, sehr hohen Druckkräften standzuhalten.

Wirbelkörper mit Bandscheibe

Allerdings beruht diese Festigkeit der Bandscheibe auf einer gleichmäßigen Spannungsverteilung im Faserring. Durch Kippen oder Verdrehen der beiden Wirbelkörper gegeneinander kann diese Struktur einseitig vorbelastet werden. Verdrehen führt beispielsweise dazu, dass die in Drehrichtung verlaufenden Fasern gedehnt, während die entgegen der Drehrichtung verlaufenden gestaucht werden. Damit büßt das Kreuzgeflecht einen Teil seiner Festigkeit ein: Das System verlässt seinen physiologischen Arbeitsbereich. Eine zusätzliche Last von außen – zum Beispiel das Gewicht des Oberkörpers beim Aufheben eines Gegenstands – kann dann leicht den Gesamtkomplex überbeanspruchen. So können Teile des Gallertkerns in den Raum zwischen den Wirbelkörpern austreten und dort verlaufende Nerven beeinträchtigen: ein klassischer Bandscheibenvorfall.

In aller Regel ist es uns möglich, einen Gegenstand aufzuheben, ohne gleich einen Bandscheibenvorfall zu erleiden. Ein gesunder und leistungsfähiger Körper ist von Natur aus darauf eingerichtet, Belastungen aufzunehmen und Überbeanspruchungen vorzubeugen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die bereits erwähnte Stabilisierung von Gelenken durch die umgebende Muskulatur. Das wird durch Untersuchungen zur Reaktion des Körpers auf plötzliche Belastungen verdeutlicht: Wird ein aufrecht stehender Mensch durch einen plötzlichen Zug am Arm aus dem Gleichgewicht gebracht, versucht der gesamte Körper bis hinunter zu den Beinen, das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Dabei läuft eine Bewegungsantwort durch den gesamten Körper vom Arm über die Schulter, den Rumpf und das Becken bis in die Beine.

Koordination der Muskulatur

Bei gesunden Personen kann nachgewiesen werden, dass die Muskulatur in einem bestimmten Körperbereich, zum Beispiel in einer bestimmten Höhe im Rücken, bereits aktiv wird, bevor die Bewegung überhaupt dort ankommt. Das weist darauf hin, dass hier eine vorauslaufende Stabilisierung der Gelenke einschließlich der Wirbelsäule erfolgt. Diese schützt die Gelenke vor Überlastung. Gleiche Untersuchungen an Patienten mit chronischem Rückenschmerz liefern ein umgekehrtes Bild: Hier läuft die Bewegung der Muskelaktivität voraus, die schützende Aktivierung fehlt.

Zusammenspiel von Muskeln und Skelett bei Bewegungen

Ein weiteres Beispiel aus einer anderen Körperregion untermauert das Bild: Eine häufige Verletzung im Bereich des Schultergürtels ist die sogenannte Rotatorenmanschettenruptur. Dabei reißt in aller Regel die Sehne des relativ kleinen Musculus supraspinatus, der vom oberen Ende des Oberarmknochens zum Schulterblatt zieht. Ein vergleichsweise geringes Gewicht, das im Fallen aufgefangen werden soll, kann eine solche Ruptur hervorrufen, wenn ausschließlich der Musculus supraspinatus in Aktion tritt. Die Gefahr einer Verletzung verringert sich sofort beträchtlich, wenn rechtzeitig der deutlich größere und kräftigere Musculus deltoideus unterstützend eingreift. Dies setzt jedoch eine entsprechende Koordination in der Muskulatur voraus.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der menschliche Körper auch bei scheinbar leichten Alltagsbewegungen hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, die in der Regel gut toleriert werden. Voraussetzung dafür ist, dass das Zusammenspiel der einbezogenen Muskeln, Sehnen, Bänder und Knochen funktioniert und dass die einzelnen Komponenten richtig beansprucht werden. Sport oder handwerkliche Arbeit können die Belastbarkeit des Muskel-Skelett-Systems erhalten oder sogar verbessern.

In der modernen Gesellschaft nehmen die Belastungen jedoch immer mehr ab, zum Beispiel durch häufige Arbeit am Schreibtisch Das hat sicher seine Vorteile. Auf der anderen Seite vermindert der damit verbundene Belastungsmangel bei vielen Menschen die Widerstandsfähigkeit des Muskel-Skelett-Systems, wodurch zum Beispiel Muskulatur abgebaut wird. Um die Widerstandskraft des Körpers und damit die Gesundheit zu erhalten, ist es deshalb notwendig, dem Bewegungsmangel ein gesundes Maß an Belastung entgegenzusetzen.