Die Geheimwaffe des US-Schwimmteams

Ungefähr zur gleichen Zeit, als die Bademodenfirma Speedo bei der NASA anklopfte, um sich von den dortigen Wissenschaftlern bei der Arbeit am inzwischen legendären Athletenanzug "LZR Racer" helfen zu lassen (mit dem inzwischen über ein Dutzend Weltrekorde fielen), begann ein Forscher in New York die Arbeit an einem anderen Ansatz, die Wassersportler schneller zu machen. Tim Wei, Maschinenbau- und Raumfahrtingenieur am Rensselaer Polytechnic Institute, erweiterte eine Methode aus dem Bereich der Strömungsmechanik, um damit Bewegungen von Schwimmern zu messen. Die Technik macht es erstmals möglich, genau zu untersuchen, wie ein Athlet das Wasser verdrängt. Schwimmtrainer Sean Hutchison, der zwei Athleten des US-Olympiateams coacht, sagt, dass er Weis Einblicke als Basis für Schwimmstilveränderungen verwenden konnte, die er im Training vor den Pekinger Spielen vornahm.

Wei nutzt eine Messtechnik namens "Particle Image Velocimetry" (PIV), ein optisches Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in der Strömungsmechanik. Es wird normalerweise zur Messung der Bewegungen kleiner Partikel um Flugzeuge herum verwendet – oder auch zur Messung der Bewegungen von Fischen oder Krustentieren im Wasser. Bei kleineren Flussexperimenten geben Forscher üblicherweise mit Silber überzogene Kugeln ins Wasser und bestrahlen sie dann mit einem Laser. Eine digitale Hochgeschwindigkeitskamera nimmt dann die Bewegungen der Kugeln auf, wie sie sich stromabwärts über das Objekt bewegen. "Das auf einen großen Maßstab zu übertragen, ist allerdings schwer", sagt Biologe Frank Fish, der die Bewegungen von Meeressäugern an der West Chester University erforscht und mit Wei an Delphinstudien arbeitete. "Schwimmer mit Lasern zu beschießen und sie in ein Becken voller Kügelchen abzulassen, geht im Namen der Wissenschaft wohl etwas zu weit."

Wei entwickelte deshalb eine andere Lösung: Statt Glaskugeln filterte er Luft aus einer Taucherflasche durch einen porösen Schlauch. So entstehen Bläschen mit einem Durchmesser von einem Zehntel Millimeter. Ein Athlet schwimmt durch diese Blasenschicht, die vom Beckenboden aufsteigt. Eine Kamera nimmt ihren Fluss um den Körper des Schwimmers auf. Die Bilder zeigt die Richtung und Geschwindigkeit der Blasen, die Wei dann in die Schubkraft des Schwimmers umrechnen kann – mit einer Spezialsoftware, die er selbst geschrieben hat. "Mehr Kraft bedeutet schnelleres Schwimmen", sagt er.

In Zusammenarbeit mit Hutchison, der Elite-Athleten in der Nähe von Seattle trainiert, filmte Wei die Goldmedaillengewinnerin Megan Jendrick und ihre Kollegin Ariana Kukors in einem Messkanal beim Brustschwimmen, das bekanntlich einen froschartigen Grätschenschlag enthält. Jendricks Geschwindigkeitsvektoren deuteten auf eine hohe Geschwindigkeit hin und kamen direkt von der Fußunterseite. Das bedeutete, dass ihre Füße das Wasser nach hinten drückten und sie so vorwärts schoben – ähnlich wie wenn ein Eisläufer, der einen Ball wirft, in die gegenläufige Richtung schießt. Im Vergleich dazu zeigte Kukors, eine weniger erfahrene Schwimmerin, langsamere Vektoren, die parallel zu ihren Füßen verliefen – sie rutschte also eher durch das Wasser.

"Hutchison nahm diese Daten dann und veränderte den Grätschenschlag aller Elite-Athleten", sagt Wei, der seine Arbeit dem US-Sportverband "USA Swimming" bereits im Jahr 2007 vorstellte. Bei einem Sport, bei dem Zehntelsekunden entscheidend sein können, war das enorm wichtig. Laut Hutchison konnte Kukors so mehrere Sekunden bei einem Brustwettkampf gewinnen, obwohl sie dann letztlich doch die Olympiamannschaft verpasste. Jendrick und eine andere Schwimmerin des Trainers, Margaret Hoelzer, sind bei Olympia hingegen dabei.

Wei untersucht nun die Schubkräfte beim Schwimmen weiter. Mit Mitteln von USA Swimming baute er eine Spezialwaage in einem dreieckigen Rahmen auf. Schwimmer liegen zur Messung ausgestreckt im Wasser und treten in den Rahmen hinein, der dann ihren Vortrieb auf der Zeitachse misst. Das Ergebnis kann dabei helfen, den Trainer bestimmen zu lassen, ob ein Sportler mehr Kraft mit einem härteren, breiteren Fußstoß entwickeln sollte, statt mit einem flacheren, schnelleren. Elite-Schwimmer wie Kukors zeigen hier eine sinusförmige, sich wiederholende Welle. "Das hängt ganz von der Person ab", sagt Wei, der hofft, Fluss und Schubkraft so zu messen, dass sie ein Gesamtbild ergeben. Außerdem hofft er, die Technik auch in ein normales Becken einzubauen, damit die Schwimmer natürlicher schwimmen können.

Wei trifft sich im Herbst mit dem Biomechanik-Koordinator Russell Mark von USA Swimming, um zu besprechen, wie die Arbeit weitergehen soll. "Russells Aufgabe ist es, den Trainern eine vernünftige physikalische Basis für das zu liefern, was sie ihren Schwimmern sagen." USA Swimming nutzt außerdem eine computerbasierte Flussanalyse mit Hilfe von Ganzkörperscannern. Diese könnte mit Weis Technik kombiniert werden, um die Ergebnisse abzusichern. (bsc)