Es ist allgemein anerkannt, dass das Spielen von Fußball und Rugby zu Gehirnerschütterungen und anderen Kopfverletzungen führen kann. Bei Tennisbällen stellt sich jedoch die Frage: Wie schnell muss sich ein Tennisball bewegen, um ein Schädel-Hirn-Trauma zu verursachen? Forscher einer landesweit anerkannten Privatuniversität in Dallas haben herausgefunden, dass Kopfverletzungen beim Tennis zwar möglich, aber sehr selten sind.
Sie führten eine detaillierte Computerstudie durch, die im Journal of Applied Mechanics der American Society of Mechanical Engineers veröffentlicht wurde, und verwendeten dabei dieselbe Technik, die häufig zur Vorhersage möglicher Kopfverletzungen bei Autounfällen eingesetzt wird.
Xinlin Gao, Professor für Maschinenbau an der SMU, und Yongqiang Li, ein ehemaliger SMU-Doktorand, der mit ihm zusammenarbeitete, modellierten mithilfe von Computern den menschlichen Körper und Tennisbälle, um zu bestimmen, was passieren würde, wenn ein Tennisball mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, Positionen und Winkeln auf den Kopf einer Person treffen würde.
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Leichte traumatische Hirnverletzungen oder Gehirnerschütterungen sind selten, können aber auftreten, wenn die Geschwindigkeit eines Tennisballs 40 Meter pro Sekunde überschreitet. Um das ins rechte Licht zu rücken: Das ist schneller, als ein Gepard rennen kann.
Kopfverletzungen treten am wahrscheinlichsten auf, wenn ein Ball seitlich auf den Kopf trifft, als wenn der Ball die Stirn oder den Kopf trifft.
Kopfverletzungen treten außerdem häufiger auf, wenn der Ball eine Person in einem 90-Grad-Winkel trifft als in einem 30-Grad- oder 60-Grad-Winkel.
Es wurde jedoch festgestellt, dass die Drehung des Balls keinen nennenswerten Einfluss auf die Entstehung von Kopfverletzungen hatte.
„Tennis ist eine weltweite Sportart, die jedes Jahr von Dutzenden Millionen Menschen gespielt wird. Daher ist es sehr wichtig, die Verletzungen zu verstehen, die durch Tennisschläge auf den Kopf verursacht werden, und Schutzmaßnahmen zu ergreifen“, sagte Gao. Er und Li, heute außerordentlicher Professor an der Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, konzentrieren sich insbesondere darauf, herauszufinden, ob Tennis Kopfverletzungen verursachen kann, die so schwerwiegend sind, dass sie als traumatische Hirnverletzungen eingestuft werden können – wenn der Kopf oder Körper hart getroffen, geschlagen oder gestoßen wird, wodurch die normale Funktion des Gehirns gestört wird.
Gehirnerschütterungen werden als „leichte“ Hirnverletzungen eingestuft, da sie nicht lebensbedrohlich sind. Eine Gehirnerschütterung kann jedoch Wochen oder Monate andauernde Probleme wie Kopfschmerzen, Schwindel und Konzentrationsschwierigkeiten verursachen.
Obwohl der leitende Forscher Gao sagte, dass die Ergebnisse bei Frauen und Kindern ähnlich sein könnten, sind weitere Untersuchungen erforderlich.
In der Studie verwendeten die Forscher zwei sogenannte Finite-Elemente-Modelle (FE-Modelle): eines eines Tennisballs und das andere eines menschlichen Kopfes.
Dieses Kopfmodell wurde vom Global Mannequin Consortium bereitgestellt, das realistische 3D-Modelle von Männern, Frauen und Kindern erstellt, die in Crashsimulationen verwendet werden können. Forscher verwenden diese (FE-)Kopfmodelle häufig, um mögliche Hirnschäden durch Kopfstöße zu untersuchen.
Gao und Li haben einen computergenerierten Tennisball entwickelt, der auf Experimenten mit echten Tennisbällen basiert.
Eine einfache Möglichkeit, die Finite-Elemente-Modellierung zu verstehen, besteht darin, sie sich als Aufteilung eines großen mathematischen Problems in eine Reihe kleinerer Probleme oder Finite-Elemente vorzustellen. Dies erleichtert die Untersuchung des Gesamtproblems.
Die Finite-Elemente-Modellierung ist bei Ingenieuren beliebt und wird beispielsweise von Automobilherstellern verwendet, um die Verletzungswahrscheinlichkeit bei einem Autounfall einzuschätzen.
Die Forschung an der SMU nutzt Finite-Elemente-Modelle, um vorherzusagen, wie sich das Gehirn verhält, wenn es äußeren Kräften ausgesetzt wird. Die Forscher taten dies, indem sie einem Computersystem namens LS-DYNA mehrere mathematische Algorithmen fütterten, die Merkmale eines Balls oder eines menschlichen Kopfes darstellen. Beispielsweise wurde ein Algorithmus zum Testen der Elastizität von Gummi, das sogenannte Ogden-Hyperelastizitätsmodell, verwendet, um das Verhalten von Gehirngewebe darzustellen.
Basierend auf diesen Gleichungen erstellt LS-DYNA eine dreidimensionale Simulation dessen, was im wirklichen Leben passieren könnte.
Anhand dieser simulierten Messungen können Forscher feststellen, ob die Kraft eines Tennisballs – bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten oder beim Auftreffen auf verschiedene Teile des Kopfes – ausreicht, um Gehirngewebe in den Schädel einer Person zu schlagen und eine Gehirnerschütterung oder schwerwiegendere Folgen zu verursachen.
Um sicherzustellen, dass ihre Ergebnisse korrekt waren, stützten sich Gao und Li auf frühere Forschungen zu traumatischen Hirnverletzungen, beispielsweise Experimente an menschlichen Leichen und Beobachtungen von Patienten mit bekannten Gehirnerschütterungen.
Gao und sein Forschungsteam haben auch Studien zu Kopfverletzungen durch Golfbälle und ballistische Einschläge veröffentlicht.
Referenz: „Head Injury Caused by Tennis Impact: Computational Study“, Autor: Li Yongqiang, Gao Xinlin, 3. November 2023, „Journal of Applied Mechanics“.
doi:10.1115/1.4063814
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily