Techniklexikon

Biostatik

Teilgebiet der Biomechanik, das dem Studium der Belastbarkeit des Skeletts (Festkörperstütze als Innen- oder Aussenskelett oder eine weiche, durch Innendruck stabilisierte Aussenhaut als Hydroskelett) und seiner Bedeutung für die Stabilität der Körperform und für die Bewegung bei grossen mehrzelligen Pflanzen und Tieren gewidmet ist.

Die Kräfte, welche auf die Körper (Organismen, Organe) wirken, werden als Belastung bezeichnet. Je nach Wirkungsrichtung können Zug-, Druck-, Biege-, Knick-, Schub- und Torsionsbelastung unterschieden werden. Die Gesamtheit der Auswirkungen der Belastungen auf eine Struktur wird Beanspruchung genannt. Gleiche Kräfte, die aber mit unterschiedlicher Belastungsart (z.B. mit unterschiedlicher Wirkungsrichtung) auf die Struktur einwirken, haben unterschiedliche Beanspruchung zur Folge. Eine Säule (z.B. ein Extremitätenknochen oder ein Pflanzenstengel), auf die in zentraler Richtung der Längsachse Kräfte wirken, wird nur auf Druck bzw. Zug belastet (je nach Kraftrichtung). Wirkt die Kraft in seitlicher Richtung, so treten Biegebelastungen (Biegefestigkeit) auf. Auf der Seite, die der Krafteinwirkung entgegengesetzt ist, kann man die Biegebelastung als Zugkraft darstellen, auf der Seite in Richtung der Krafteinwirkung als Druckbelastung. Im Zwischenbereich existiert eine belastungsfreie Zone, welche materialsparend konstruiert sein kann (neutrale Zone). Zwei technische Lösungen können die Beanspruchung säulenartige Körper durch Biegebelastung mindern. (1) Sie wird durch ein Gegengewicht zur primären Kraft aufgehoben, was zwar die Druckbelastung erhöht, die aber wiederum durch die Konstruktion leichter ertragen wird. (2) Die materialsparendere und damit auch ökonomischere Möglichkeit ist die Anbringung eines Gegenzugs (Zuggurtung).

Das klassische Objekt der biomechanischen Forschung ist die Analyse der mechanischen Eigenschaften des Oberschenkelknochens. Belastung erfolgt in erster Linie durch Druck (Körpergewicht) und Biegung (seitliche Insertion des Oberschenkelknochens in das Hüftgelenk am Becken). Das Knochenmaterial ist gegenüber Druck sehr widerstandsfähig, es erlaubt die Ausbildung langer, schmaler und hohler Knochen. Nur im Gelenkbereich wird der Querschnitt des Knochens verbreitert, um den Druck auf den empfindlicheren Knorpel zu verringern. Ein weitaus grösseres Konstruktionsproblem stellt die erforderliche Biegefestigkeit dar. Da sie aber nur in den Randzonen auftritt, können die mittleren Bereiche des Knochens hohl sein (Röhrenknochen). Dies stellt bei gleicher Belastbarkeit eine wesentliche Einsparung von Material und Gewicht dar. Die auf den Knochen wirkenden Biegebelastungen werden durch eine Anzahl von Zuggurtungen (Muskeln der Ober- und Unterschenkel) reduziert. Diese schränken gleichzeitig die Bewegungsfreiheit der Gelenke ein. Die stark beanspruchten Knochenenden haben ein System von Knochenbälkchen (Spongiosa), die bogenförmig angeordnet im rechten Winkel zueinander stehen und entlang der Zug- und Druckspannungslinien verlaufen. Das System der Knochenbälkchen ist in einem ständigen Umbau begriffen, um für die über längere Zeit mittlere Belastung die optimale Form zu haben. [FE]