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Virtuelle Fussballspieler

Die menschlichen Bewegungen und vor allem die Fortbewegung auf Beinen fasziniert die Wissenschaftler bereits seit langer Zeit. Denn die Lokomotion, die ortsverändernde Bewegung, sicherlich zu einer der wichtigsten körperlichen Fähigkeiten gehört und sich fundamental von der üblichen technischen Fortbewegung auf Rädern unterscheidet. Beispielsweise hat Aristoteles schon um 330 v. Chr. eine Abhandlung über den Gang der Tiere verfasst, in der er der Frage nach der Ursache von Fortbewegung sowie der Form der Bewegungsapparate in der Tierwelt nachging. Trotz intesiver Forschung auf dem Gebiet der Biomechanik und der Bewegungswissenschaften sind noch viele Fragen offen.

Die Erforschung der Fortbewegung auf Beinen und vor allem die Untersuchung des menschlichen zweibeinigen Gehens ist im Wesentlichen für drei Anwendungsgebiete von Interesse. Zum einen gibt es die medizinische und biomechanische Forschung, die auf der Suche nach einem grundlegenden Verständnis des menschlichen Gehens ist, hauptsächlich des muskulär erzeugten Gehens. Ein weiteres Feld stellt die Robotik und die Konstruktion von Laufmaschinen dar. Sie ist in verstärktem Masse bestrebt Maschinen zu konstruieren, die sich auf Beinen fortbewegen und evtl. auch klettern können. Und ein drittes Feld ist die Computeranimation von natürlichen Bewegungsabläufen in der Film- und Computerspielindustrie. Die Kinematik der Bewegungsabläufe von Figuren wurde auf diesem Gebiet bisher nicht durch dynamische Simulationen, sondern vielfach durch aufwendige „Try-and-Error-Methode“ der Trajektorien oder durch experimentelle Bewegungsanalysen ermittelt. Diese Vorgehensweise ist zwar verhältnismässig erfolgreich und es können verblüffend realistisch wirkende Bewegungsabläufe visualisiert werden. Doch durch die dynamische Simulation wäre es jedoch möglich, noch realistischere Animationen auf direktem Wege zu erzeugen. Die Voraussetzung dafür ist allerdings das Verständnis der Prinzipien der Bewegungserzeugung.

Dynamik eines laufenden Fussballspielers

Die Mehrkörpersystemdynamik bildet die Grundlage einer Modellierung der Dynamik des Laufens. Das kinematische Modell beruht auf der Modellierung des Fussballspielers als geometrische Verkettung elementarer Gelenkstrukturen (z.B. von Dreh- oder Schubgelenken) mittels starrer Glieder. Mit Hilfe des Vorwärtskinematikmodells wird die aus einer vorgegebenen Kombination von Hüft-, Knie- und Fussgelenkswinkeln resultierende Position und Orientierung des Fusses beschrieben.

Mögliche Aufgaben für die Schülerinnen und Schüler

1) Simulieren von einfachen Spielzügen

Parametrisierung von verschiedenen Bahnen oder Laufwegen auf dem Spielfeld mit einem oder mehreren Spielern. Dabei soll die Richtung des Strichmännlein mit berücksichtigt werden. Die Schülerinnen und Schüler können mit dem Beispiel starten, bei welchem zwei Spielern dem Mittelkreis entlang laufen.

2) Optimierung der Laufbewegung

Das Strichmännlein ist aus 13 Elementen (Zylinder und Kugeln) zusammengesetzt und besitzt 8 Gelenke. Die Physiologie des Laufens kann mit diesem einfachen Modell nicht perfekt simuliert werden. Die Schülerinnen und Schüler haben durch den einfachen Zugang die Möglichkeit Optimierungen am statischen Körpermodell, wie auch an der Laufdynamik vorzunehmen. Ein möglicher Einstieg ist ein unsystematisches Verändern der einzelnen Glieder, z.B. könnte der Bauch um den Faktor 4 vergrössert werden.

3) Texturen auf Gesicht

Neben der Form kann auch das Aussehen der Strichmännchen verändert werden. Es können individuelle Strichmädchen mit eigenen Gesichtern erstellt werden.