S-Form der Wirbelsäule

In der Schule, ja sogar an der Universit√§t wurde uns im Bezug auf die S-Form der Wirbels√§ule eine Erkl√§rung angeboten, die einmal Einzug in die Lehrb√ľcher gefunden hat und seither immer wieder erz√§hlt wird, obwohl sie v√∂llig falsch ist, wie wir gleich sehen werden.

Diese Erklärung lautet folgendermaßen:

"Durch die S-Form der Wirbelsäule werden Stöße besser gedämpft."

Begr√ľndet wurde das mit folgender Analogie:

<<Wenn man ein Tamburin (ein Holzkreis, bespannt mit Trommelfell) mit dem Trommelfell auf die Spitze eines geraden Stabes legt, reißt das Trommelfell. Biegt man den Stab S-förmig, so reißt das Fell nicht.>>

Sind Sie mitgekommen? Tamburin --> Kopf? Stab --> Wirbelsäule? Wenn Sie jetzt einwenden, dass der Kopf weder mit seinem Dach (der Oberseite) noch mit einem Fell an der Wirbelsäule befestigt ist, haben Sie völlig recht.

Es ist sogar noch viel schlimmer: Die Erkl√§rung h√§lt einer √úberpr√ľfung nicht stand. Wenn Sie n√§mlich mal versuchen, mit durchgedr√ľckten Beinen auch nur von einer wenigen Zentimeter hohen Stufe zu springen, werden Sie sich ein ordentliches Kopfweh holen. Denn die Wirbels√§ule f√§ngt fast nichts ab! (Diesen Versuch haben wir √ľbrigens schon in der Grundschule ausprobiert.)

Wo liegt also der Fehler? Und wozu ist die S-Form der Wirbelsäule wirklich gut? Das wollen wir im Folgenden analysieren.

Zunächst zum Tamburin:

 Nehmen wir ein Tamburin mit der Masse 200g und einem Fell, das sich praktisch nicht dehnt. Dazu einen Stab mit punktf√∂rmigem Radius, also bspw. 1mm Durchmesser. Legen wir dieses Tamburin mit der Mitte seines Fells auf die Spitze des Stabes, so wirkt an der Auflagestelle eine Kraft von 200gxG (Masse mal Erdbeschleunigung) auf die Stabspitze (und auf die Fell-Auflagefl√§che). Nach der Formel "Druck = Kraft pro Fl√§che" ergibt das einen Druck von



Nehmen wir statt eines Stabes von 1mm Durchmesser eine Stab von 1cm Durchmesser, so ergibt sich ein Druck von


Das hei√üt, hier ist der Druck schon um den Faktor 100 kleiner. Bei einer Vergr√∂√üerung des Durchmessers des Stabes um den Faktor 10 wird die Auflagefl√§che um den Faktor 100 vergr√∂√üert. Bei 10 cm Durchmesser haben wir nur noch einen Druck von , also .

Wenn wir die Kraft pro Fl√§che (den Druck) in einem Diagramm √ľber der jeweiligen Auflagefl√§che einzeichnen, ergibt sich eine Stufenzeichnung. Knapp au√üerhalb der Auflagefl√§che liegt der Druck bei 0, knapp innerhalb der Auflagefl√§che bei dem jeweiligen Druck. Liegt diese Differenz (der Sprung) √ľber der Rei√üfestigkeit des Fells, so rei√üt es. Um die Wahrscheinlichkeit des Rei√üens zu minimieren k√∂nnen wir also die Auflagefl√§che erh√∂hen. Alternativ dazu k√∂nnen wir auch daf√ľr sorgen, dass der √úbergang nicht mehr stufenartig erfolgt. Wir runden den √úbergang also ab. Da wir jetzt einen gleichm√§√üigen Verlauf des √úbergangs haben, k√∂nnen jetzt auch Dr√ľcke ausgehalten werden, die bei einem pl√∂tzlichen √úbergang schon zum Rei√üen f√ľhren w√ľrden.

Das ist der Grund, warum Trommelschlägel rund sind!

Und genau den gleichen Effekt haben wir, wenn wir das Tamburin auf einen stark S-förmig gebogenen Stab legen! Die Auflagefläche wird größer, und der Übergang wird weicher.

Mit der Wirbelsäule und dem Kopf hat das tatsächlich nichts zu tun.

Wozu ist die S-Form der Wirbelsäule dann gut?

Hier spielt die Physik eine Rolle: Wenn Sie Ballett machen oder klettern, dann wissen Sie, dass man am kraftsparendsten arbeitet, wenn sich der K√∂rperschwerpunkt √ľber den F√ľ√üen befindet. Um den K√∂rperschwerpunkt zu finden, k√∂nnen Sie die Kombination der Schwerpunkte von Teilbereichen des K√∂rpers betrachten.

Der Kopf hat seinen Schwerpunkt etwa in seiner Mitte, auf jeden Fall aber vor der Aufh√§ngung des Kopfes an der Wirbels√§ule. Der Brustkorb hat seinen Schwerpunkt ebenfalls in der Mitte, ebenfalls vor der Wirbels√§ule. W√§re die Wirbels√§ule ganz gerade, so w√ľrde sich der Schwerpunkt vor den F√ľ√üen befinden. Die S-Form sorgt daf√ľr, dass sich der K√∂rperschwerpunkt √ľber den F√ľ√üen befindet. So ist die Kraft, die zur Stabilisierung ben√∂tigt wird, minimal.

Am 11.02.2007 von Diethelm Schneider verfasst.