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Die Erfindung betrifft einen Expander zum Trainieren der Muskulatur, aufweisend ein elastisches Element, das zum Training gegen seine Rückstellkraft expandierbar ist und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Expanders.
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Expander als Trainingsgeräte zur Stärkung der Muskulatur sind hinlänglich bekannt. Typische Bauarten von Expandern sind zum Einen durch elastische Gummibänder verbundene Griffe, die durch entsprechende Übungen auseinander gezogen werden können. Zum Anderen bestehen Expander aus einem länglichen Latextuch in Bandform. Das Latextuch liegt dabei als offenes Band vor o der als geschlossener Bandring. Eine typische Übung mit einem Latextuch ist es, sich das Latextuch um den Körper zu legen und mit den Gliedmaßen gegen die Rückstellkraft des Latextuches eine Streckbewegung zu vollziehen.
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Nachteilig an Expandern der bestehenden Art ist, dass die Rückstellkraft im elastischen Bereich der Längenausdehnung linear ist. Bei einer Streckbewegung mit dem Bein oder dem Arm öffnet sich der Arm oder das Bein durch Strecken des Gelenks. Mit dem geschlossenen Arm ist die notwendige Kraftanstrengung für den entsprechenden Streckmuskel vergleichsweise hoch, da der Angriffswinkel für den Muskel durch die Stellung des Gelenks sehr ungünstig für eine Streckbewegung ist.
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Ein weiterer Nachteil des im Arbeitsbereich linearen Faktors der Rückstellkraft ist, dass dieser zum Trainieren von schnellen Muskelbewegungen weniger gut geeignet ist. Zum Training von schnellen Streckbewegungen, wie sie für einen Boxer üblich sind oder grundsätzlich in Kampfsportarten und olympischen Disziplinen, wie z.B. dem Speerwurf üblich sind, wäre es wünschenswert, wenn die Rückstellkraft entlang der Muskelbewegung möglichst früh und lange relativ konstant bleibt. Eine typische Übung ist es, sich ein Expanderband um die Hüften zu legen, wobei die Arme innerhalb des Expanderbandes angeordnet sind. Der Trainierende übt sodann plötzliche Streckbewegungen der Arme aus. In der Nähe der Hüfte ist die Rückstellkraft in wünschenswerter Weise zunächst linear. Es wäre für einen Trainingserfolg der schnellen Muskelkontraktion aber wünschenswert, wenn der sich streckende Arm bei einer Boxbewegung in der Nähe des gestreckten Armes entgegen einer gleichbleibenden Kraft, zumindest aber gegen einer nicht mehr so stark zunehmende Kraft strecken könnte.
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Eine konstante Rückstellkraft mit einem isotropen elastischen Material zu erzeugen, erscheint nicht möglich. Dies wäre ein Widerspruch zum bekannten Hook'schen Gesetz. In der Regel zeigen elastische Materialien einen Elastizitätsbereich mit etwa konstantem Elastizitätsmodul, in dem die Kraft zur Längenausdehnung proportional zur Längenausdehnung selbst ist. Im Endbereich des elastischen Bereiches steigt das Elastizitätsmodul an, das bedeutet, der Anstieg der Rückstellkraft mit zunehmender Längenausdehnung erhöht sich. Ein Training für schnelle und kraftvolle Muskelbewegungen, in denen möglichst viel Kraft in Bewegungsgeschwindigkeit transformiert wird und dadurch auch höhere Endgeschwindigkeiten ermöglicht werden, ist dadurch nicht effizient.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Expander zur Verfügung zu stellen, der ein degressives Spannungsverhalten zeigt.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch einen Expander mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 1 angegeben. Verfahren zur Herstellung des Expanders sind in den Ansprüchen 7 bis 10 angegeben.
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Nach der Erfindung ist vorgesehen, den Expander mit einem elastischen Materia I aufzubauen, wobei das elastische Material ein Verbundmaterial ist. Dabei ist das Verbundmaterial anisotrop aufgebaut. Die Anisotropie, also die Eigenschaft der unterschiedlichen Stoffeigenschaften in unterschiedlichen Raumrichtungen aufzuweisen, ändert sich bei der Längenausdehnung. Diese Änderung der Anisotropie wird dadurch erreicht, dass sich die geometrische Struktur eines Fachwerkes des Verbundmaterials bei der Längenausdehnung ändert und dadurch sich die Ausrichtung der selbst elastischen Strukturelemente gegenüber der Längenausdehnung ändert. Eine solche Struktur ist fachwerkähnlich aufgebaut und zwar in Form einer sogenannten Kachelung. Eine Kachelung ist eine geschlossene Fläche aus einer begrenzten Menge unterschiedlicher geometrischer Einzelteile, wobei die Einzelteile innerhalb einer Menge identisch sind. Im einfachsten Fall gibt es nur eine einzige Menge geometrischer Figuren, nämlich innerhalb der Menge identischer Quadrate. Es ist auch möglich, eine Kachelung mit zueinander passenden Quadraten und Dreiecken aufzubauen. Für kleine Anzahlen von Mengen, nämlich n = 1, 2, 3 oder 4 sind Kachelungen, die zu einer geschlossenen Fläche führen, in nur kleiner Anzahl und Zähligkeit vorhanden. Die Zähligkeit ist die Anzahl der Seiten der Geometrie der Einheitszelle. So gibt es quadratische, also vierzählige Einheitszellen und es gibt hexagonale, also sechszählige Einheitszellen der Kachelung. Es sind auch fünfzählige Kachelungen bekannt. Diese aber sind nicht regelmäßig. Des Weiteren gibt es bei der vierzähligen Kachelung regelmäßige und versetzte Kachelungen. Die Kachelung besteht innerhalb einer Menge aus geometrisch identischen oder kongruenten Kacheln.
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Das elastische Verbundmaterial des Expanders besteht aus mindestens zwei unterschiedlichen Elastomeren. Ein erster Elastomer ist als geschlossenes Linienmuster aufgebaut, wobei die Linien die Begrenzungen von Kacheln einer Kachelung darstellen. Das Muster ist geschlossen, das bedeutet, es gibt keine freien Enden einer Linie, sondern jede Linie endet in einem Punkt, von dem mehr als eine weitere Linie abgeht.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn vorgesehen ist, dass das Flächenverhältnis der mindestens zwei elastischen Materialien in dem Verbund etwa gleich groß ist mit einer relativen Abweichung eines Materials von weniger als 10% von einer Gleichverteilung. Dies führt zu besonders ausgeprägten Effekten bei der Änderung der elastischen Eigenschaften bei der Längsdehnung.
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Um den Effekt der Änderung des Elastizitätsmoduls bei der Längsdehnung zu verstärken, kann vorgesehen sein, dass in dem weiteren elastischen Material Elastomergranulat und/oder Gasblasen vorhanden sind, die einen Durchmesser zwischen 1 mm und 5 mm aufweisen und eine Flächenkonzentration von weniger als 20% aufweisen. Das weitere Elastomer ist damit kein Schaumstoff, sondern eher ein isotropes Elastomer mit Fehlstellen, die bei der Längsdehnung kollabieren, wie es bei den Gasblasen der Fall ist, oder die einer Querkontraktion entgegenstehen, wie es beim Granulat der Fall ist. Wichtig ist, dass sich in dem weiteren Elastomer ausgeprägte Phasengrenzen zwischen den elastischen Bereichen bilden.
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Zur Herstellung eines solchen Verbundmaterials hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein erstes Elastomer zu einem geschlossenen Linienmuster als Begrenzungslinie der Kacheln einer Kachelung gestanzt wird. Dieses erste Elastomer wird sodann in ein weiteres Elastomer eingebettet, wie zum Beispiel in Latex oder in Silikon.
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Um den anisotropen Effekt zu verstärken, kann vorgesehen sein, dass die Stanzung des ersten Elastomeren beim Einbetten zu strecken, also unter Spannung zu halten ist. Dabei sollte die Längenänderung beim Strecken im Bereich von 5% und 20%, bevorzugt zwischen 8% und 11% aufweisen, um zu vermeiden, dass sich Kräuselungen oder Wellen im Elastomer bilden, die durch die unterschiedlichen Rückstellkräfte der Einzelelemente des Verbundmaterials entstehen.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Skizze eines Expanders in Form eines elastischen Bandes und ein Einsatz des Expanders beim Training,
- 2 eine Skizze eines Expanders in Form einer geschlossenen Schlaufe und ein Einsatz des Expanders beim Training,
- 3 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Expanders aus einem isotropen elastischen Material aus dem STAND DER TECHNIK,
- 4 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines erfindungsgemäßen Expanders,
- 5 eine erste Struktur eines elastischen Elements mit sechszähliger Einheitszelle,
- 6 eine zweite Struktur eines elastischen Elements mit sechszähliger Einheitszelle,
- 7.1 eine dritte Struktur eines elastischen Elements mit vierzähliger Einheitszelle,
- 7.2 die zweite Struktur aus 7.1 in gestreckter Form,
- 8 ein Ausschnitt aus dem Verbundmaterial des elastischen Elements mit eingebettetem Elastomergranulat,
- 9 ein Ausschnitt aus dem Verbundmaterial des elastischen Elements mit eingebetteten Gasblasen,
- 10 ein Ausschnitt aus dem Verbundmaterial des elastischen Elements mit eingebettetem Elastomergranulat und mit eingebetteten Gasblasen.
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In 1 ist eine Skizze eines Expanders 100 in Form eines elastischen Bandes 200 und ein Einsatz dieses Expanders 100 beim Training abgebildet. Zum Training wird ein Band aus einem elastischen Element um den Oberkörper gelegt oder zu einem Ring verknotet und es wird eine Boxbewegung in den so geschaffenen elastischen Ring durchgeführt. Diese Übung wird vielfach wiederholt, um die dabei eingesetzte Muskulatur zu stärken. Die hier gezeigte Übung ist nur eine von einer Vielzahl möglicher Übungen.
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In 2 ist eine Skizze eines Expanders 100 in Form eines geschlossenen Rings 300 und ein Einsatz des Expanders 100 beim Training gezeigt. Der zum Training geschlossene Ring 300 wird um den Oberkörper gelegt und es wird eine Boxbewegung in den elastischen Ring 300 durchgeführt. Diese Übung wird vielfach wiederholt, um die dabei eingesetzte Muskulatur zu stärken. Auch die hier gezeigte Übung ist nur eine von einer Vielzahl möglicher Übungen.
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In 3 ist ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Expanders aus einem isotropen elastischen Material aus dem STAND DER TECHNIK dargestellt. Ein Expander mit einem hier dargestellten isotropen, elastischen Material wird üblicherweise im Bereich einer ersten Dehnung d1 mit einem konstanten Elastizitätsmodul ε1 genutzt. Im Endbereich der elastischen Dehnung schließt sich eine weitere Dehnung d2 mit einem erhöhten Elastizitätsmodul ε2 an, das mit einer höheren Rückstellkraft pro weiterer Dehnung einhergeht. Dabei ist das Elastizitätsmodul im Endbereich nicht mehr konstant, sondern steigt in der Regel nicht-linear an. Der exakte Verlauf des Elastizitätsmoduls ε im Endbereich des elastischen Bereiches eines Elastomers ist hochgradig stoffspezifisch und unterscheidet sich zwischen gummielastischen Materialien (Entropie-Elastisch) und nicht gummielastischen Materialien.
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In 4 ist ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines erfindungsgemäßen Expanders dargestellt. Das Besondere des erfindungsgemäßen Expanders ist, dass das Elastizitätsmodul ε im Endbereich abnimmt. Zwar steigt die Rückstellkraft F mit zunehmender Dehnung x, jedoch ist die Zunahme der Rückstellkraft F degressiv. Gerade für das Training kraftvoller, schneller Bewegungen, wie Stoßbewegungen oder Schlagbewegungen ist diese Art des Spannungs-Dehnungs-Diagramms eines Expanders von Interesse. Die weitere Zunahme der Rückstellkraft F im Endbereich des Expanders nimmt ab. Je nach Geometrie der Verbundstruktur ist die Degression mehr oder weniger nicht-linear. Es gibt auch Verbundstrukturen, bei denen die elastische Verbundstruktur plötzlich zusammenbricht und daher ein regelrechter Knick oder mehrere Knicke im Spannungs-Dehnungs-Diagramm zu verzeichnen sind, so dass sich Bereiche mit Elastizitätsmodulen ε1, ε2 und ε3 bilden. In dem Diagramm in 4 ist eingezeichnet, wie in einem markierten Arbeitsbereich, der sich über einen Knick des Elastizitätsmoduls ε1 und ε2 erstreckt, die Struktur des Verbundmaterials im elastischen Element 110 zusammenbricht.
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5 zeigt eine erste Struktur eines elastischen Elements 110 mit sechszähliger Einheitszelle E. Dabei besteht das elastische Element 110 insgesamt aus drei unterschiedlichen Materialien. Ein erstes elastisches Material ist eine Stanzung eines ersten elastischen Materials 120 zu einem geschlossenen Linienmuster mit einer sechszähligen Einheitszelle E, wobei das geschlossene Linienmuster als Begrenzungslinien 122 der Kacheln 121 einer Kachelung vorliegt. In diesem Beispiel besteht die Kachelung aus geometrisch identischen Kacheln 121 aus einem weiteren elastischen Material, wobei das Flächenverhältnis der mindestens zwei elastischen Materialien in dem Verbund etwa gleich groß ist mit einer relativen Abweichung eines Materials von weniger als 10% von einer Gleichverteilung. Ein drittes Material bilden in den Kacheln 121 vorhandene Stücke eines dritten elastischen Materials in Form eines groben Elastomergranulats 140, dessen Granalien einen Durchmesser zwischen 1 mm und 5 mm aufweisen und eine Flächenkonzentration in den Kacheln von weniger als 20% aufweisen.
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6 zeigt eine zweite Struktur eines elastischen Elements mit sechszähliger Einheitszelle. Dabei besteht das elastische Element 110 insgesamt aus drei unterschiedlichen Materialien. Ein erstes elastisches Material ist eine Stanzung eines ersten elastisches Materials 120 zu einem geschlossenen Linienmuster mit einer sechszähligen Einheitszelle E, wobei das geschlossene Linienmuster als Begrenzungslinien 122 der Kacheln 121 einer Kachelung vorliegt. In diesem Beispiel besteht die Kachelung aus geometrisch identischen Kacheln 121 aus einem weiteren elastischen Material, wobei das Flächenverhältnis der mindestens zwei elastischen Materialien in dem Verbund etwa gleich groß ist mit einer relativen Abweichung eines Materials von weniger als 10% von einer Gleichverteilung. Ein drittes Material bildet in den Kacheln 121 vorhandene Stücke eines dritten elastischen Materials in Form eines groben Elastomergranulats 140, dessen Granalien einen Durchmesser zwischen 1 mm und 5 mm aufweisen und eine Flächenkonzentration in den Kacheln von weniger als 20% aufweisen.
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In 7.1 ist eine dritte Struktur eines elastisches Element mit vierzähliger Einheitszelle skizziert. Dabei besteht das elastische Element 110 insgesamt aus drei unterschiedlichen Materialien. Ein erstes elastisches Material ist eine Stanzung eines ersten elastischen Materials 120 zu einem geschlossenen Linienmuster mit einer vierzähligen und rechteckigen Einheitszelle E, wobei das geschlossene Linienmuster als Begrenzungslinien 122 der Kacheln 121 einer Kachelung vorliegt. In diesem Beispiel besteht die Kachelung aus geometrisch identischen Kacheln 121 aus einem weiteren elastischen Material, wobei das Flächenverhältnis der mindestens zwei elastischen Materialien in dem Verbund etwa gleich groß ist mit einer relativen Abweichung eines Materials von weniger als 10% von einer Gleichverteilung. Ein drittes Material bilden in den Kacheln 121 vorhandene Stücke eines dritten elastischen Materials in Form eines groben Elastomergranulats 140, dessen Granalien einen Durchmesser zwischen 1 mm und 5 mm aufweisen und eine Flächenkonzentration in den Kacheln von weniger als 20% aufweisen.
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In 7.2 ist die zweite Struktur aus 7.1 in gestreckter Form dargestellt. Je nach Streckrichtung linearisiert sich die in 7.1 deutlich erkennbare ZickZack- oder Dreiecks-Linie bei der Ausdehnung. Vor der Streckung der Dreieckslinie wird die Rückstellkraft dominiert durch den gesamten Verbund der Materialien im elastischen Element 110. Bricht die Struktur zusammen, so wird die Rückstellkraft fast ausschließlich durch die linearisierten Dreieckslinien dominiert. Diese haben aufgrund ihrer geringen Breite einer äußeren Kraft weniger entgegenzusetzen. In der Folge nimmt das Elastitzitätsmodul mit weiterer Streckung in degressiver Form ab. Die Rückstellkraft wird natürlich höher mit zunehmender Dehnung, jedoch mit geringerem Maße.
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In 8 ist ein Ausschnitt aus dem Verbundmaterial des elastischen Elements 110 mit eingebettetem Elastomergranulat 140 wiedergegeben. In dieser Darstellung sind die Elastomerkacheln, Kacheln 121, aus der Struktur in 6 gezeigt.
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In 9 zeigt einen Ausschnitt aus dem Verbundmaterial des elastischen Elements mit eingebetteten Gasblasen 150. Auch in dieser Darstellung sind die Elastomerkacheln, Kacheln 121, aus der Struktur in 6 gezeigt.
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In 10 zeigt schließlich einen Ausschnitt aus dem Verbundmaterial des elastischen Elements 110 aus 6 mit eingebettetem Elastomergranulat 140 und auch mit eingebetteten Gasblasen 150.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Expander
- 110
- elastisches Element
- 120
- elastisches Material
- 121
- Kachel
- 122
- Begrenzungslinie
- 130
- elastisches Material
- 140
- Elastomergranulat
- 150
- Gasblase
- 160
- Stanzung
- 200
- elastisches Band
- 300
- geschlossener Ring
- ε-
- Elastizitätsmodul
- d
- Dehnung
- E
- Einheitszelle
- F
- Kraft
- x
- Länge
