Modifications to the net knee moments lead to the greatest improvements in accelerative sprinting performance: a predictive simulation study

The current body of sprinting biomechanics literature together with the front-side mechanics coaching framework provide various technique recommendations for improving performance. However, few studies have attempted to systematically explore technique modifications from a performance enhancement perspective. The aims of this investigation were therefore to explore how hypothetical technique modifications affect accelerative sprinting performance and assess whether the hypothetical modifications support the front-side mechanics coaching framework. A three-dimensional musculoskeletal model scaled to an international male sprinter was used in combination with direct collocation optimal control to perform (data-tracking and predictive) simulations of the preliminary steps of accelerative sprinting. The predictive simulations differed in the net joint moments that were left ‘free’ to change. It was found that the ‘knee-free’ and ‘knee-hip-free’ simulations resulted in the greatest performance improvements (13.8% and 21.9%, respectively), due to a greater knee flexor moment around touchdown (e.g., 141.2 vs. 70.5 Nm) and a delayed and greater knee extensor moment during stance (e.g., 188.5 vs. 137.5 Nm). Lastly, the predictive simulations which led to the greatest improvements were also found to not exhibit clear and noticeable front-side mechanics technique, thus the underpinning principles of the coaching framework may not be the only key aspect governing accelerative sprinting.Peer ReviewedPostprint (published version

Newton's Principia

The Oxford Handbook of the History of Physics brings together cutting-edge writing by more than twenty leading authorities on the history of physics from the seventeenth century to the present day. By presenting a wide diversity of studies in a single volume, it provides authoritative introductions to scholarly contributions that have tended to be dispersed in journals and books not easily accessible to the general reader. While the core thread remains the theories and experimental practices of physics, the Handbook contains chapters on other dimensions that have their place in any rounded history. These include the role of lecturing and textbooks in the communication of knowledge, the contribution of instrument-makers and instrument-making companies in providing for the needs of both research and lecture demonstrations, and the growing importance of the many interfaces between academic physics, industry, and the military

Fitness Varying Gravitational Constant in GSA

Gravitational Search Algorithm (GSA) is a recent metaheuristic algorithm inspired by Newton's law of gravity and law of motion. In this search process, position change is based on the calculation of step size which depends upon a constant namely, Gravitational Constant (G). G is an exponentially decreasing function throughout the search process. Further, inspite of having different masses, the value of G remains same for each agent, which may cause inappropriate step size of agents for the next move, and thus leads the swarm towards stagnation or sometimes skipping the true optima. To overcome stagnation, we first propose a gravitational constant having different scaling characteristics for different phase of the search process. Secondly, a dynamic behavior is introduced in this proposed gravitational constant which varies according to the fitness of the agents. Due to this behavior, the gravitational constant will be different for every agent based on its fitness and thus will help in controlling the acceleration and step sizes of the agents which further improve exploration and exploitation of the solution search space. The proposed strategy is tested over 23 well-known classical benchmark functions and 11 shifted and biased benchmark functions. Various statistical analyses and a comparative study with original GSA, Chaos-based GSA (CGSA), Bio-geography Based Optimization (BBO) and DBBO has been carried out

Wearable Sensors and Machine Learning based Human Movement Analysis – Applications in Sports and Medicine

Die Analyse menschlicher Bewegung außerhalb des Labors unter realen Bedingungen ist in den letzten Jahren sowohl in sportlichen als auch in medizinischen Anwendungen zunehmend bedeutender geworden. Mobile Sensoren, welche am Körper getragen werden, haben sich in diesem Zusammenhang als wertvolle Messinstrumente etabliert. Auf Grund des Umfangs, der Komplexität, der Heterogenität und der Störanfälligkeit der Daten werden vielseitige Analysemethoden eingesetzt, um die Daten zu verarbeiten und auszuwerten. Zudem sind häufig Modellierungsansätze notwendig, da die gemessenen Größen nicht auf direktem Weg aussagekräftige biomechanische Variablen liefern. Seit wenigen Jahren haben sich hierfür Methoden des maschinellen Lernens als vielversprechende Instrumente zur Ermittlung von Zielvariablen, wie beispielsweise der Gelenkwinkel, herausgestellt. Aktuell befindet sich die Forschung an der Schnittstelle aus Biomechanik, mobiler Sensoren und maschinellem Lernen noch am Anfang. Der Bereich birgt grundsätzlich ein erhebliches Potenzial, um einerseits das Spektrum an mobilen Anwendungen im Sport, insbesondere in Sportarten mit komplexen Bewegungsanforderungen, wie beispielsweise dem Eishockey, zu erweitern. Andererseits können Methoden des maschinellen Lernens zur Abschätzung von Belastungen auf Körperstrukturen mittels mobiler Sensordaten genutzt werden. Vor allem die Anwendung mobiler Sensoren in Kombination mit Prädiktionsmodellen zur Ermittlung der Kniegelenkbelastung, wie beispielsweise der Gelenkmomente, wurde bisher nur unzureichend erforscht. Gleichwohl kommt der mobilen Erfassung von Gelenkbelastungen in der Diagnostik und Rehabilitation von Verletzungen sowie Muskel-Skelett-Erkrankungen eine zentrale Bedeutung zu. Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation ist es, festzustellen inwieweit tragbare Sensoren und Verfahren des maschinellen Lernens zur Quantifizierung sportlicher Bewegungsmerkmale sowie zur Ermittlung der Belastung von Körperstrukturen bei der Ausführung von Alltags- und Sportbewegungen eingesetzt werden können. Die Dissertation basiert auf vier Studien, welche in internationalen Fachzeitschriften mit Peer-Review-Prozess erschienen sind. Die ersten beiden Studien konzentrieren sich zum einen auf die automatisierte Erkennung von zeitlichen Events und zum anderen auf die mobile Leistungsanalyse während des Schlittschuhlaufens im Eishockey. Die beiden weiteren Studien präsentieren jeweils einen neuartigen Ansatz zur Schätzung von Belastungen im Kniegelenk mittels künstlich neuronalen Netzen. Zwei mobile Sensoren, welche in eine Kniebandage integriert sind, dienen hierbei als Datenbasis zur Ermittlung von Kniegelenkskräften während unterschiedlicher Sportbewegungen sowie von Kniegelenksmomenten während verschiedener Lokomotionsaufgaben. Studie I zeigt eine präzise, effiziente und einfache Methode zur zeitlichen Analyse des Schlittschuhlaufens im Eishockey mittels einem am Schlittschuh befestigten Beschleunigungssensor. Die Validierung des neuartigen Ansatzes erfolgt anhand synchroner Messungen des plantaren Fußdrucks. Der mittlere Unterschied zwischen den beiden Erfassungsmethoden liegt sowohl für die Standphasendauer als auch der Gangzyklusdauer unter einer Millisekunde. Studie II zeigt das Potenzial von Beschleunigungssensoren zur Technik- und Leistungsanalyse des Schlittschuhlaufens im Eishockey. Die Ergebnisse zeigen für die Standphasendauer und Schrittintensität sowohl Unterschiede zwischen beschleunigenden Schritten und Schritten bei konstanter Geschwindigkeit als auch zwischen Teilnehmern unterschiedlichen Leistungsniveaus. Eine Korrelationsanalyse offenbart, insbesondere für die Schrittintensität, einen starken Zusammenhang mit der sportlichen Leistung des Schlittschuhlaufens im Sinne einer verkürzten Sprintzeit. Studie III präsentiert ein tragbares System zur Erfassung von Belastungen im Kniegelenk bei verschiedenen sportlichen Bewegungen auf Basis zweier mobiler Sensoren. Im Speziellen werden unterschiedliche lineare Bewegungen, Richtungswechsel und Sprünge betrachtet. Die mittels künstlich neuronalem Netz ermittelten dreidimensionalen Kniegelenkskräfte zeigen, mit Ausnahme der mediolateralen Kraftkomponente, für die meisten analysierten Bewegungen eine gute Übereinstimmung mit invers-dynamisch berechneten Referenzdaten. Die abschließende Studie IV stellt eine Erweiterung des in Studie III entwickelten tragbaren Systems zur Ermittlung von Belastungen im Kniegelenk dar. Die ambulante Beurteilung der Gelenkbelastung bei Kniearthrose steht hierbei im Fokus. Die entwickelten Prädiktionsmodelle zeigen für das Knieflexionsmoment eine gute Übereinstimmung mit invers-dynamisch berechneten Referenzdaten für den Großteil der analysierten Bewegungen. Demgegenüber ist bei der Ermittlung des Knieadduktionsmoments mittels künstlichen neuronalen Netzen Vorsicht geboten. Je nach Bewegung, kommt es zu einer schwachen bis starken Übereinstimmung zwischen der mittels Prädiktionsmodell bestimmten Belastung und dem Referenzwert. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse von Studie I und Studie II zur sportartspezifischen Leistungsanalyse im Eishockey bei. Zukünftig können sowohl die Trainingsqualität als auch die gezielte Verbesserung sportlicher Leistung durch den Einsatz von am Körper getragener Sensoren in hohem Maße profitieren. Die methodischen Neuerungen und Erkenntnisse aus Studie III und Studie IV ebnen den Weg für die Entwicklung neuartiger Technologien im Gesundheitsbereich. Mit Blick in die Zukunft können mobile Sensoren zur intelligenten Analyse menschlicher Bewegungen sinnvoll eingesetzt werden. Die vorliegende Dissertation zeigt, dass die mobile Bewegungsanalyse zur Erleichterung der sportartspezifischen Leistungsdiagnostik unter Feldbedingungen beiträgt. Zudem zeigt die Arbeit, dass die mobile Bewegungsanalyse einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Gesundheitsdiagnostik und Rehabilitation nach akuten Verletzungen oder bei chronischen muskuloskelettalen Erkrankungen leistet

Climbing skill and complexity of climbing wall design : assessment of jerk as a novel indicator of performance fluency

This study investigated a new performance indicator to assess climbing fluency (smoothness of the hip trajectory and orientation of a climber using normalized jerk coefficients) to explore effects of practice and hold design on performance. Eight experienced climbers completed four repetitions of two, 10-m high routes with similar difficulty levels, but varying in hold graspability (holds with one edge vs holds with two edges). An inertial measurement unit was attached to the hips of each climber to collect 3D acceleration and 3D orientation data to compute jerk coefficients. Results showed high correlations (r = .99, P < .05) between the normalized jerk coefficient of hip trajectory and orientation. Results showed higher normalized jerk coefficients for the route with two graspable edges, perhaps due to more complex route finding and action regulation behaviors. This effect decreased with practice. Jerk coefficient of hip trajectory and orientation could be a useful indicator of climbing fluency for coaches as its computation takes into account both spatial and temporal parameters (ie, changes in both climbing trajectory and time to travel this trajectory)

Aerospace medicine and biology: A continuing bibliography with indexes, supplement 129, June 1974

This special bibliography lists 280 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in May 1974

The role of turbulence on the bubble-particle collision – An experimental study with particle tracking methods

Die Analyse von Kollisionen zwischen Partikeln und Blasen in einer turbulenten Strömung ist ein grundlegendes Problem von hoher technologischer Relevanz, z. B. für die Abtrennung wertvoller Mineralpartikel durch Schaumflotation. Dieser Relevanz steht ein Defizit an experimentellen Daten und Erkenntnissen über den Kollisionsprozess gegenüber. Ein Hauptproblem ist die geringe Anzahl der verfügbaren Messtechniken zur direkten Beobachtung der Kollisionen zwischen Partikeln und Blasen. Daher besteht das Ziel dieser Dissertation darin, neue Methoden zu entwickeln, um die Wechselwirkung zwischen Blasen und Partikeln unter definierten hydrodynamischen Bedingungen zu messen. Diese Methoden beruhen auf der Verfolgung von einzelnen Partikeln mit 4D Particle Tracking Velocimetry (PTV) und Positron Emission Particle Tracking (PEPT), um die Lagrangeschen Partikeltrajektorien in der Nähe einer Blase zu bestimmen und die kollidierenden Partikel zu klassifizieren. In zwei Versuchsaufbauten werden diese Messmethoden angewandt, um die Wechselwirkung zwischen Blasen und Partikeln in turbulenten Strömungen zu untersuchen. In einer Blasensäule wird die Turbulenz im Nachlauf einer frei aufsteigenden Blasenkette erzeugt, während in einem Wasserkanal die Turbulenz durch die Umströmung eines Gitters produziert wird. In beiden Fällen wird das vorhandene turbulente Strömungsfeld um die Blasen mittels Tomographic Particle Image Velocimetry (TPIV) charakterisiert. Zunächst wird der Einfluss des Blasennachlaufs auf die Blasen-Partikel-Kollision für beide Versuchsaufbauten mit dem 4D-PTV-Verfahren analysiert. Es wird gezeigt, dass in beiden Versuchsanordnungen die Kollision von feinen Partikeln nicht nur an der Vorderseite, sondern auch an der Hinterseite der Blase stattfindet. Diese Ergebnisse werden mit der gemessenen turbulenten kinetischen Energie und der Dissipationsrate um die Blase korreliert. Anschließend werden die experimentell ermittelte turbulente kinetische Energie und Dissipationsrate genutzt, um die Kollisionsfrequenz vorherzusagen. Dafür werden bestehende Modelle angewendet und deren Vorhersagen den experimentellen Ergebnissen gegenübergestellt. Weiterhin wird der Wasserkanal genutzt, um den Einfluss der turbulenten Flüssigkeitsströmung auf die Kollision zwischen einer stagnierenden Blase und den Modellpartikeln zu verdeutlichen. Neben der Untersuchung in einer verdünnten Feststoffsuspension wird auch die Blasen-Partikel-Wechselwirkung in einer dichten Strömung mit dem PEPT-Verfahren untersucht. Das PEPT-Verfahren hat das Potenzial, Suspensionen mit einem hohen Feststoffanteil zu messen, was mit optischen Trackingverfahren, wie 4D-PTV, nicht möglich ist. Für den Nachweis einzelner Partikel mit dem PEPT-Verfahren wurden radioaktive Tracerpartikel entwickelt, welche repräsentativ für die Modellpartikeln sind. Die Trajektorien der markierten Partikel werden verwendet, um die durchschnittliche Partikelverteilung im turbulenten Feld zu bestimmen und die Blasen-Partikel-Wechselwirkung zu beschreiben. Insgesamt bieten die entwickelten Methoden eine Möglichkeit die Kollision zwischen Partikeln und Blasen in einer turbulenten Strömung direkt zu untersuchen. Die gewonnenen experimentellen Daten ermöglichen es, bestehende Kollisionsmodelle zu überprüfen und das Verständnis über die Rolle von Turbulenzen in der Schaumflotation zu verbessern.The analysis of collisions between particles and bubbles in a turbulent flow is a fundamental problem of high technological relevance, e.g. for the separation of valuable mineral particles by froth flotation. That relevance contrasts with an apparent lack of experimental data and insights into this collision process. A major issue is the limitation of available measurement techniques to directly observe the collisions between particles and bubbles. In this dissertation, novel methodologies are developed to measure the interaction between bubbles and particles under defined hydrodynamic conditions. These methodologies comprise particle tracking techniques such as 4D PTV and PEPT to triangulate the Lagrangian particle trajectories in the vicinity of a bubble and classify those which are colliding. In two experimental setups, these techniques are applied to investigate the bubble-particle interaction in turbulent flows. In a bubble column, turbulence is generated in the wake of a freely rising bubble chain, whereas in a water channel, a fluid passing through grid produces a turbulent flow upstream of a stagnant bubble. Accordingly, the turbulent flow field around these bubbles is characterized by TPIV. Firstly, the influence of the bubble wake on the bubble-particle collision is analyzed for both experimental setups with 4D PTV. It is shown that the collision of fluorescent fine particles take place not only at the leading edge but also at the trailing edge of the bubble, independently of the experimental setup. These findings are correlated with the measured TKE and dissipation rates around the bubble and in the bubble wake. Subsequently, the experimental TKE and dissipation rates are applied to existing models for collision frequency, and their predictions are discussed. Secondly, the impact of the turbulent liquid flow on the collision between a stagnant bubble and model particles is studied for a range of turbulent length scales. Besides the investigation in a dilute solid suspension, the bubble-particle interaction is also examined in a dense flow with PEPT. PEPT has the potential to measure suspensions with a high solid fraction, which could not be achieved with optical particle tracking methods. For the detection of individual particles with PEPT, radioactive tracer particles were designed to represent the bulk particles. The trajectories of the labeled particles are used to determine the average particle distribution in the turbulent field and describe the bubble-particle interactions. Overall, the developed methodologies in this dissertation provide a framework to investigate directly the collision between particles and bubble in a turbulent flow. The gained experimental validation data allows to verify existing collision models and to advance our understanding of the role of turbulence in froth flotation

Analysis, Design Optimization, and Semi-Active Control of Skid Landing Gear Featuring Bi-Fold Magnetorheological Dampers

Providing safer environment and minimizing the fatalities during helicopter harsh impacts and crashes have been a concern to scientists, engineers, and the regulating agencies since the dawn of helicopter industry. Tremendous efforts have been devoted to enhance the crashworthiness capabilities of helicopter’s skid landing gear (SLG) system. These efforts have been aiming to improve the energy absorption capabilities of the conventional SLG designs while maintaining minimum weight and adequate strength to comply with the airworthiness requirements. The emerging of smart materials and the advances in control engineering have provided a new horizon to design lightweight landing gears with enhanced energy absorption capacity. In this context, the main objectives of the present dissertation research are to investigate the crashworthiness performance of the conventional SLG; to formulate a design optimization strategy to design light-weight SLG with enhanced energy absorption capacity and finally to propose an adaptive SLG utilizing bi-fold magnetorheological dampers in an attempt to exceed the requirements of the crashworthiness specifications for skid landing gear systems while minimizing the level of sudden acceleration experienced by the aircraft occupants in the event of impact. The present research consists of four synergistically related phases. In the first phase, the dynamic response analysis has been conducted on the baseline conventional skid landing gear system in order to assess its capabilities and to establish a reference benchmark for the subsequent work. In the second phase, a design optimization strategy has been formulated to identify the optimal cross sectional dimensions of the round shaped crosstubes in the SLG system to maximize their energy absorption at sink rate of 2.44 m/s and to minimize the crosstubes mass. The optimization results showed that the specific energy absorption of the design optimized SLG could be substantially increased by 35% compared to that of baseline design and the crosstubes mass was decreased by 24.5%. Deign curves and guidelines have also been presented to directly determine the required effective mass of the helicopter and the corresponding desired maximum deflection of the helicopter under given sink rate and different values of rotor lift factor. In the third phase, governing equations to predict the damping force and dynamic range of a bi-fold magnetorheological energy absorber (MREA) under impact have been presented. To predict the behavior of the MREA more accurately under high impact velocities, the Bingham plastic model with minor loss factors (BPM) has been incorporated in the problem formulation. The optimal geometrical parameters of the candidate bi-fold magnetorheological energy absorber (MREA) under volume constraint to maximize the damping force at piston velocity of 5 m/s have then been presented. Results showed a dynamic range of around two has been attained at this design speed. The proposed optimization problem has been solved using combined stochastic based (Genetic Algorithm) and nonlinear mathematical programming (Sequential Quadratic Programming Algorithm) techniques. In the fourth phase, the MREA device model has been incorporated in a single degree of freedom helicopter model to assess the performance of the adaptive SLG system. The comparison of the responses revealed that the proposed adaptive SLG equipped with the MREA could minimize the induced acceleration while utilizing the full energy absorption stroke without encountering end-stop impact. The MREA performance was evaluated in terms of Bingham numbers for compression and rebound strokes. New optimum Bingham numbers-rotor lift factor chart has been introduced to control the generation of the required damping force based on the activated rotor lift force. Finally, to investigate the closed-loop performance of the tuneable MREA in the SLG system, a simple semi-active control strategy has been presented. The semi-active controller was designed based on the optimum Bingham numbers identified previously. Using the values of the velocity at the impact instant and the mass of the helicopter, the controller evaluates the required current for the MREA to generate desired yield force