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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Fußballschuh.
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Fußballschuhe
erfüllen
in erster Linie zwei Funktionen. Zum einen wird durch Profilelemente
wie z.B. Stollen die Haftung des Schuhs auf der Spielfläche, d.h.
dem Rasen, erhöht.
Zum anderen wird bei der Gestaltung des Schuhoberteils eines Fußballschuhs
versucht, die Ballbeherrschung durch den Spieler und die Abgabe
schneller Schüsse
mit dem Ball zu unterstützen.
Beispielsweise ist es bekannt, die Oberfläche des Spanns eines Fußballschuhs
mit reibungsverstärkenden
Elementen zu versehen, um die Ballkontrolle durch den Spieler zu
erleichtern.
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Darüber hinaus
ist es auch bei Fußballschuhen
ebenso wie bei Laufschuhen ein Ziel, den Schuh so leicht wie möglich zu
gestalten. Dies verringert die für
den Bewegungsvorgang erforderliche Leistung des Spielers, da die
zu überwindenden
Trägheitskräfte proportional
zur Masse des Schuhs zunehmen. Ein leichter Schuh kann sowohl beim
Laufen als auch beim Schießen
eines Balls mit geringerer Kraft bewegt werden als ein schwerer
Schuh. Der zunehmende Einsatz von leichten aber hochfesten Kunststoffen ermöglicht heutzutage
Fußballschuhe
mit einem Gesamtgewicht unter 300 g zu fertigen.
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Zu
Trainingszwecken ist es jedoch bekannt, zusätzliche Gewichte im Schuh vorzusehen,
um die Muskulatur des Beins und des Fußes gezielt zu kräftigen.
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Beispiele
dafür finden
sich in
US 3 114 982 ,
DE 696 24 515 T2 ,
US 2001/0000835 A1 und US 2002/0017039 A1, sowie in der
US 5,758,435 A die die
Anordnung von Trainingsgewichten in den unterschiedlichsten Bereichen
der Sohle eines Schuhs offenbaren. Speziell für Fußballschuhe ist es aus der
US 5,901,473 A bekannt,
im Training das Gewicht des Schuhs durch die Verwendung besonders schwerer
Stollen über
den gesamten Schuh hinweg zu erhöhen,
damit der Spieler zusätzliche
Kraftreserven entwickeln kann, ohne einen anderen Schuh verwenden
zu müssen.
Im Spiel werden die schweren Trainingsstollen jedoch gegen gewöhnliche,
leichte Stollen ausgetauscht, um die oben beschriebenen Vorteile
eines besonders leichten Schuhs zu erzielen.
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Ein
durch zusätzliche
Gewichte beschwerter Fußballschuh
kann zwar langfristig die allgemeine Leistungsfähigkeit eines Sportlers steigern,
eine direkte Verbesserung der Schussleistung des Spielers oder seines
Ballgefuhls wird dadurch jedoch nicht erzielt. Der vorliegenden
Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, einen Fußballschuh
bereitzustellen, der dem Spieler ermöglicht, den Ball fester und
kontrollierter als mit Fußballschuhen
nach dem Stand der Technik zu schießen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Fußballschuh mit einem Schuhoberteil
zur Aufnahme eines Fußes,
einer Sohleneinheit mit einem Fersenbereich und einem Vorderfußbereich,
wobei im Vorderfußbereich
der Sohleneinheit ein Zusatzgewicht angeordnet ist, das den Fuß gegen
zumindest ein beim Schuss eines Balls angreifendes Drehmoment stabilisiert.
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Anders
als die gleichverteilten Trainingsgewichte aus dem Stand der Technik
wird zur Verbesserung der Schussleistung erfindungsgemäß ein Zusatzgewicht
gezielt im Vorderfußbereich
der Sohleneinheit des Fußballschuhs
angeordnet. Dadurch entsteht ein zusätzliches Trägheitsmoment des Fußballschuhs
bezüglich einer
Drehung des Fußes
auf die laterale oder mediale Seite. Dieses Trägheitsmoment wirkt dem Drehmoment
auf den Schuh aufgrund des Ballkontakts mit der Innen- oder der
Außenseite
entgegen und stabilisiert damit den Bewegungsablauf. Der Kraftaufwand,
um den Fuß bei
einem festen Schuss in der gewünschten
Position zu halten, wird geringer. Dies wiederum ermöglicht,
den Ball fester zu schießen
und erhöht
damit die Leistungsfähigkeit des
Spielers.
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Die
Stabilisierung durch das Zusatzgewicht verbessert zudem die Ballkontrolle,
da der Fuß aufgrund
des größeren Trägheitsmoments
beim Ballkontakt genauer geführt
werden kann. Die Wahrscheinlichkeit, das ein Schuss verzogen wird,
weil der Fuß beim
Ballkontakt von der beabsichtigten Orientierung und Bewegungsrichtung
durch das vom Ball verursachte Drehmoment abweicht, wird verringert.
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Das
Zusatzgewicht ist bevorzugt unter und/oder unterhalb neben den Metatarsalen
und /oder den Phalangen des Fußes
angeordnet, wobei das Zusatzgewicht in Aufsicht vorzugsweise im
wesentlichen symmetrisch um die metatarsophalange Achse 1+2 und/oder
die metatarsophalange Achse 3, 4+5 verteilt ist.
Mit dieser Anordnung wird bei minimalem Gesamtgewicht des Schuhs
das größte Trägheitsmoment
und damit der größte Stabilisationseffekt
erzielt. Dies gilt insbesondere deshalb, weil der Ballkontakt in
den meisten Fällen
mit diesen Bereichen des Fußes
erfolgt.
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Das
Zusatzgewicht weist bevorzugt eine Masse von ≥ 30g, besonders bevorzugt ≥ 40g und am
meisten bevorzugt zwischen 45g und 90g auf. Bereits mit diesen geringen
Gewichten lassen sich messbare Verbesserungen der Schussleistungen
eines Spielers erzielen. Das Gesamtgewicht des Schuhs wird dabei
nur unwesentlich erhöht,
insbesondere wenn das Zusatzgewicht im Vorderfußbereich durch eine besonders
leichte Konstruktion des übrigen
Schuhs kompensiert wird.
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Das
Zusatzgewicht weist bevorzugt ein Verbundmaterial aus einem Kunststoff
und einem Metall, vorzugsweise Wolfram, auf, wobei das Wolfram in
einer bevorzugten Ausführungsform
in eine Polymermatrix eines Kunststoffs eingebettet ist. Die hohe Dichte
von Wolfram ermöglicht
die bevorzugten Gewichtswerte für
das Zusatzgewicht mit vergleichsweise kleinen Elementen zu erreichen,
die daher sehr gezielt im Vorderfußbereich der Sohleneinheit
angeordnet werden können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Zusatzgewicht als ein oder mehrere Ballastelement(e) in
eine Sohlenplatte der Sohleneinheit integriert. In dieser Variante
ist das durch das Zusatzgewicht bereitgestellte Trägheitsmoment
fest eingestellt. Alternativ ist es auch denkbar, das Zusatzgewicht
lösbar
am Vorderfußbereich
der Sohleneinheit zu befestigen, beispielsweise indem das Zusatzgewicht
in eine herausnehmbare Innensohle integriert wird oder indem das
Zusatzgewicht in einer Aufnahme der Sohleneinheit verschraubbar
ausgebildet ist. Eine lösbare
Befestigung ermöglicht
dem Spieler, das Zusatzgewicht teilweise oder ganz vom Schuh zu entfernen
oder die genaue Position im Vorderfußbereich zu verändern. Dadurch
wird eine individuelle Anpassung des dynamischen Verhaltens des
Fußballschuhs
beim Ballkontakt ermöglicht.
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Zusätzliche
vorteilhafte Weiterentwicklungen des erfindungsgemäßen Fußballschuhs
bilden den Gegenstand weiterer abhängiger Patentansprüche.
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In
der folgenden detaillierten Beschreibung werden gegenwärtig bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben:
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1:
Schematische Darstellung der Stabilisierung durch das von einem
Zusatzgewicht hervorgerufene Trägheitsmoment
T in einem Fußballschuh gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2:
Aufsicht auf das Knochengerüst
eines menschlichen Fußes;
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3:
Schematische Darstellung einer beispielhaften Anordnung des Zusatzgewichts
in einem Ausführungsbeispiel
mit besonders schweren Stollen im Vorderfußbereich;
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4a – f: Seitenansichten
und schematische Ansichten von unten von Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung, bei der das Zusatzgewicht als eine Platte in Sohlenschichten
des Fußballschuhs
integriert ist;
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5a,
b: Seitenansichten und schematische Ansicht von unten eines Ausführungsbeispiels, bei
dem das Zusatzgewicht als eine Mehrzahl separater Ballastelemente
in die Sohlenschichten des Fußballschuhs
integriert ist.
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Im
folgenden werden gegenwärtig
bevorzugte Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Fußballschuhs
näher erläutert. Unter
dem Begriff "Fußballschuh" wird im folgenden
jeder Sportschuh verstanden, der dazu dient einen Ball o.ä. mit dem Fuß zu bewegen.
Die Erfindung lässt
sich daher auch für
Sportarten wie Rugby oder American Football verwenden, bei denen
der Ball zusätzlich
mit den Händen
gespielt wird.
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1 zeigt
schematisch die zwischen einem Schuh 10 und einem Ball 1 wirkenden
physikalischen Vektorgrößen. Bei
einem Schuss in Richtung des Blockpfeils wirkt gemäß dem Newtonschen
Gesetz von actio und reactio auf den Schuh 10 die Kraft
F ein. Die Kraft F erzeugt ein Drehmoment M, dessen Größe durch
das Produkt aus Kraft F und dem Abstand dl zur Drehachse D des Fußes (in
etwa in der Verlängerung
des Schienbeins) bestimmt wird. Bei einem Schuss mit der Innenseite
des Spanns wie in 1 dargestellt wirkt das Drehmoment
M entgegen dem Uhrzeigersinn, während
bei einem Schuss mit dem Außenspann
das Drehmoment im Uhrzeigersinn auf den Schuh 10 einwirkt
(nicht dargestellt).
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Bei
herkömmlichen
Fußballschuhen
muss das gesamte Drehmoment M von der Muskulatur des Fußes des
Spielers abgefangen werden. Da der Fuß jedoch auch bei starker Muskelanspannung
nicht vollkommen starr gehalten werden kann, erfolgt beim Ballkontakt,
insbesondere bei scharfen Schüssen, ein
leichtes Nachgeben des Fußes
in Richtung des angreifenden Drehmoments M (vgl. kleiner Blockpfeil in 1).
Dieses Nachgeben wiederum verringert den Impulsübertrag auf den Ball 1 und
damit die resultierende Schussleistung des Spielers.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das einwirkende Drehmoment
M verringert werden kann, indem der Schuh 10 ein bezüglich dieser Drehung
erhöhtes
Trägheitsmoment
T aufweist. Dieses erhöhte
Trägheitsmoment
wird durch die Masse des Zusatzgewichts 20 im Vorderfußbereich
und das Quadrat des Abstand d2 von der Achse der Drehbewegung bestimmt.
Ein Zusatzgewicht im Vorderfußbereich
im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dabei jedes Gewicht, das
nicht durch sonstige funktionale Anforderungen an den Schuh bedingt
ist, wie beispielsweise die Gestaltung des Profils, die Stabilität des Schuhoberteils
oder die Form einer Einlage.
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Ebenso
wie die träge
Masse eines Körpers einer
linearen Beschleunigung entgegenwirkt, wirkt das vom Zusatzgewicht 20 hervorgerufene
zusätzliche
Trägheitsmoment
T des Schuhs 10 dem erläuterten
Drehmoment M beim Ballkontakt entgegen (vgl. 1). Die
Anforderungen an die Muskulatur des Spielers, um den Ball mit hoher
Geschwindigkeit zu schießen,
werden dadurch entsprechend geringer, so dass insgesamt höhere Ballgeschwindigkeiten
erzielt werden können.
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Computersimulationen
an der University of Calgary haben gezeigt, dass bei Fußballschuhen
eines Gesamtgewichts zwischen 250g und 350g bereits mit Zusatzgewichten
einer Masse von ≥ 30g
im Vorderfußbereich
Steigerungen der resultierenden Ballgeschwindigkeiten im Bereich
einiger Prozent erzielt werden können.
Mit größeren Massen,
vorzugsweise zwischen 45g und 90g ergaben sich noch höhere Werte.
Dies wird durch die Aussagen von Sportlern bestätigt, die Fußballschuhe
mit unterschiedlich schweren Zusatzgewichten getestet haben. Während für trockene
Spielbedingungen Massen des Zusatzgewichts im Bereich von 60g – 90g als
ideal empfunden wurden, ergibt sich für feuchte Spielverhältnisse
ein bevorzugter Wert von 45g.
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Höhere Massen
für das
Zusatzgewicht sind zwar für
die Erhöhung
der Schussleistung vorteilhaft. Der Kraftaufwand beim Laufen nimmt
jedoch mit dem zusammen mit dem Zusatzgewicht steigenden Gesamtgewicht
des Schuhs zu. Die angegebenen Werte stellen daher einen gegenwärtig bevorzugten Kompromiss
zwischen den beiden entgegengesetzten Anforderungen eines großen Trägheitsmoments und
eines niedrigen Gesamtgewichts dar. Diesem Kompromiss liegt die
Dauer eines üblichen
Fußballspiels
von 2 × 45
min zugrunde. Bei anderen Rahmenbedingen, wenn die z.B. die Spieldauer
kürzer
ist oder häufiger
Pausen eingelegt werden, können auch
andere Werte für
die Masse des Zusatzgewichts sinnvoll sein. Dies gilt auch, wenn
es durch neue Materialien oder andere technische Fortschritte gelingt,
dass Gesamtgewicht des Fußballschuh
ansonsten zu verringern.
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Neben
der Steigerung der Schussleistung trägt das Zusatzgewicht im Vorderfußbereich
auch zu Verbesserung der Ballkontrolle bei. Wenn durch das zusätzliche
Trägheitsmoment
T die Ausweichbewegung des Schuhs 10 (in 1 angedeutet
durch den Blockpfeil nach unten links) verringert wird, kann der Ball
präziser
geführt
werden und die Gefahr, dass ein Schuss verzogen wird, nimmt ab.
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Die
genannten Tests haben ferner ergeben, dass das Zusatzgewicht bevorzugt
im Bereich der Metatarsalen 31 (Mittelfußknochen)
und der Phalangen 32 (Vorderfußknochen) angeordnet ist, die
in der Aufsicht des Knochengerüstes
des menschlichen Fußes 30 aus 2 zu
erkennen sind. 2 zeigt ferner den Verlauf der
metatarsophalangen Achse 1+2, die sich durch die Gelenke
zwischen den beiden medialen Metatarsalen 31 und Phalangen 32 erstreckt, und
der metatarsophalangen Achse 3, 4+5, die sich durch
die drei lateralen Gelenke zwischen den Metatarsalen 31 und
den Phalangen 32 erstreckt.
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Neben
den erläuterten
metatarsophalangen Achsen zeigt 2 die Position
der Längsachse 100 des
Fußes
sowie die talocrurale Achse 120 und die subtalare Achse 110.
Die obige Diskussion der physikalischen Vektorgrößen ist vereinfacht, da bei
einem Schuss über
das Drehmoment M um die Drehachse D hinaus weitere Drehmomente um
andere Achsen wirksam werden. Beispielsweise erkennt man, dass im
Fall eines nach oben gerichteten Schusses ein erhebliches Drehmoment
um die talocrurale Achse 110 einwirken wird. Da jedoch
das zusätzliche
Gewicht 20 im Vorderfußbereich
des Schuhs angeordnet ist, d.h. dem Bereich des Schuhs für den Ballkontakt,
werden die Wirkungen aller dieser Drehmomente durch das Zusatzgewicht 20 verringert,
das ein zusätzliches
Trägheitsmoment
bezüglich
einer Drehung um irgendeine der genannten Achsen bereitstellt.
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3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, bei dem im Vorderfußbereich Stollen 11 angeordnet
werden, die schwerer sind als die sonstigen Stollen 12 des
Fußballschuhs 10.
Beispielsweise können
die vorderen Stollen 11 aus einem geeigneten Metall einer
hohen Dichte gefertigt werden, während
für die
hinteren Stollen 12 leichte Kunststoffe verwendet werden.
Der Einsatz von Verbundmaterialien für die schwereren Stollen 11,
beispielsweise in eine Kunststoffmatrix eingebettetes Wolfram oder
Blei, ist ebenfalls denkbar.
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Wie
aus der Seitenansicht in 3 zu erkennen, liegen die schweren
Stollen 11 des Vorderfußbereiches unterhalb der Metatarsalen 31 und
Phalangen 32 des Fußes 30.
Die genaue Anordnung und Anzahl der verwendeten leichten und schweren
Stollen 12, 11 kann dabei variieren. Wenn die
Stollen 11 lösbar
an der Sohleneinheit 13 des Schuhs 10 befestigt
sind, kann die Masse des Zusatzgewichts den individuellen Bedürfnissen
eines Spielers angepasst werden.
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Gemäß einer
weiteren Alternative (nicht dargestellt) werden schwere Unterlegscheiben
zwischen den Stollen und dem Schuh angeordnet, um das Zusatzgewicht
bereitzustellen. Die schweren Unterlegscheiben können durch leichte Unterlegscheiben
ersetzt werden, beispielsweise aus einem geeigneten Kunststoffmaterial,
wenn das Zusatzgewicht nicht benötigt
wird oder wenn eine Anpassung erforderlich ist.
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Die 4a – 4f zeigen
eine zweite Gruppe von Ausführungsbeispielen
eines Fußballschuhs
gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei denen das Zusatzgewicht als eine Platte 15 in
den Vorderfußbereich
der Sohleneinheit 13 integriert ist. Auch hier ist eine
lösbare
Anordnung denkbar, bei der die Platte 15 als eine Einlage
ausgebildet ist, die herausgenommen werden kann, oder durch eine
Einlage einer anderen Masse ersetzt werden kann. In 4a ist
die Platte 15 in eine mittleren Sohlenschicht eingearbeitet,
während 4b eine
Ausführungsform
zeigt, bei der die Platte 15 in oder unterhalb der Außensohle
angeordnet ist.
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In
den 4c – 4f sind
beispielhaft Anordnungen der Platte 15 auf der Sohlenfläche gezeigt.
Während
in 4c die Platte 15 und somit das Zusatzgewicht
im wesentlichen auf der medialen Seite angeordnet ist, zeigt 4d eine
zentrische Anordnung und 4e ein
Platzierung auf der lateralen Seite. In der Ausführungsform aus 4f schließlich, ist
ein Zusatzgewicht aus zwei Teilplatten 15a, 15b auf
der medialen bzw. der lateralen Seite der Sohlenfläche angeordnet. Über diese
beispielhaften Anordnungen hinaus ist es ferner möglich, ein
oder mehrer Zusatzgewichte seitlich neben den Metatarsalen 31 und/oder
den Phalangen 32 vorzusehen (nicht dargestellt).
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Wie
an den in den 4c – 4e eingezeichneten
metatarsophalangen Achsen 1+2 und 3, 4+5 zu
erkennen, ist die Platte 15 bevorzugt im wesentlichen symmetrisch
bezüglich
dieser Achsen auf der Sohlenfläche
verteilt. Der Schwerpunkt des Zusatzgewichts, dessen Position das
oben erläuterte Trägheitsmoment
T bestimmt, liegt damit ungefähr
im Übergangsbereich
zwischen Metatarsalen 31 und Phalangen 32. Dies
entspricht der in Tests herausgefundenen günstigsten Position des Schwerpunkts
für die
Verstärkung
der Schussleistung.
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Die 5a und 5b,
schließlich,
zeigen ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung. Anstelle einer Platte 15 sind hier eine Mehrzahl
von Ballastelementen 16 in den Vorderfußbereich der Sohleneinheit 13 integriert. Auch
hier ist eine Anordnung in den verschiedensten Schichten der Sohleneinheit 13 möglich. Ferner
können
einzelne Ballastelemente 16 verschraubbar oder in anderer
Weise lösbar
an der Sohleneinheit 13 befestigt werden. Um ein Verschmutzen
der entsprechenden Gewinde oder anderer Befestigungseinrichtungen
zu vermeiden, wenn ein Ballastelement 16 entfernt worden
ist, können
Blindschrauben aus Kunststoff etc. (nicht dargestellt) bzw. ein
entsprechendes Abdeckelement (nicht dargestellt) eingesetzt werden. 5b zeigt
eine beispielhafte Verteilung der Ballastelemente 16 auf
der medialen und der lateralen Seite des Vorderfußbereiches
der Sohleneinheit. Auch hier ist die Anordnung im wesentlichen symmetrisch
bezüglich
der metatarsophalangen Achsen 1+2 und 3, 4+5.
Die Verwendung einzelner Ballastelemente 16 ist gegenüber dem
Einsatz einer Platte 15 vorteilhaft, wenn die Flexibilität der Sohleneinheit 13,
insbesondere in Längsrichtung
des Schuhs, durch das Zusatzgewicht nicht beeinträchtigt werden
soll.
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Wie
bereits erwähnt
werden für
das Zusatzgewicht bevorzugt Verbundmaterialien verwendet, bei denen
ein Metall in eine Polymermatrix eines Kunststoffs eingebettet ist.
Die Variation des Metallanteils ermöglicht in einfacher Weise,
die Masse des Zusatzgewichts einzustellen. Werden flexible Kunststoffe
oder Gele als Matrixmaterialien verwendet, bleibt das Biegeverhalten
der Sohleneinheit 13 durch die Anordnung des Zusatzgewichts
weitgehend unbeeinflusst. Bevorzugtes Metall für ein Verbundmaterial ist Wolfram,
da seine hohe Dichte die gezielte Positionierung von konzentrierten
Massen in den gewünschten
Bereichen des Vorderfußbereiches
der Sohleneinheit erlaubt. Darüber
hinaus sind die physikalischen und chemischen Eigenschaften von
Wolfram gut für
den Einbau in die Sohleneinheit geeignet. Andere Metalle oder Legierungen
wie Blei oder Stahl können
jedoch ebenfalls verwendet werden.