Leistung - Eine externe Belastungsmetrik auf dem Wasser

Im Straßenradsport wird die mechanische Leistung bereits seit den späten 1980er Jahren erfasst, als mit dem SRM-System (Schoberer Rad Messtechnik) der erste kommerzielle Leistungsmesser auf den Markt kam. Diese Geräte nutzen Dehnungsmessstreifen in der Kurbelachse, dem Kurbelarm oder dem Pedal, um die externe mechanische Belastung während des Trainings und im Wettkampf kontinuierlich zu quantifizieren. Sie liefern damit ein direktes Maß für die mechanische Leistungsabgabe, das zuvor schlicht nicht verfügbar war. In den folgenden Jahrzehnten etablierte sich die Leistungsmessung disziplinübergreifend, vom Straßen- und Bahnradsport bis hin zum Mountainbiken, und revolutionierte die Art und Weise, wie Training gesteuert und überwacht wird. Das Grundprinzip dahinter ist simpel: Die Leistung quantifiziert die tatsächlich verrichtete mechanische Arbeit, während die Herzfrequenz lediglich die physiologischen Kosten dieser Arbeit widerspiegelt (Allen & Coggan, 2010; Leo et al., 2022). Im Kanurennsport fehlte bislang eine vergleichbare, feldtaugliche Methode. Dieser Artikel skizziert, wie ein am Bootskörper montierter, kinematikbasierter Ansatz diese Lücke schließen kann und wie sich die gewonnenen Daten in ein etabliertes physiologisches Konzept integrieren lassen.

Physikalisch betrachtet beschreibt die mechanische Leistung die pro Zeiteinheit verrichtete Arbeit. In einem Boot wird jedoch nur ein Bruchteil der im Substratstoffwechsel umgesetzten metabolischen Energie tatsächlich in mechanische Arbeit umgewandelt. Das Verhältnis dieser verrichteten mechanischen Arbeit zur aufgewendeten metabolischen Energie definiert den Bruttowirkungsgrad des Athleten. Die mechanische Energie, die letztlich im System ankommt, dient dazu, den hydrodynamischen Widerstand zu überwinden und die kombinierte Masse aus Athlet und Boot zu beschleunigen. 

Bislang verlassen sich Trainer und Athleten im Kanurennsport zur Leistungssteuerung primär auf die per GPS erfasste Bootsgeschwindigkeit in Kombination mit Herzfrequenz- und Blutlaktatwerten. Jede dieser Größen weist jedoch spezifische Limitationen auf, die eine präzise Steuerung der Trainingsintensität erschweren. Die Bootsgeschwindigkeit ist lediglich das Resultat der Anstrengung und wird stark von äußeren Bedingungen wie Wind oder Strömung beeinflusst. Eine bestimmte Geschwindigkeit entspricht daher nicht zwingend einem festen mechanischen Kraftaufwand. Die Herzfrequenz reagiert mit einer physiologischen Verzögerung auf Veränderungen der mechanischen Leistungsabgabe und unterliegt bei längeren Belastungen oder Hitzestress einem kardiovaskulären Drift. Zudem wird sie von Faktoren beeinflusst, die völlig unabhängig von der erbrachten Leistung sind, wie etwa Umgebungstemperatur, Hydratationsstatus oder der Konsum von Stimulanzien wie Koffein (Achten & Jeukendrup, 2003). Die Blutlaktatmessung liefert zwar wertvolle Einblicke in den Stoffwechselzustand, ist jedoch invasiv und bietet anstelle eines kontinuierlichen Signals nur punktuelle, zeitlich verzögerte Momentaufnahmen. Darüber hinaus hängen die gemessenen Konzentrationen stark vom gewählten Testprotokoll und der Dauer der Belastungsstufen ab (Heck et al., 2022).

Verstärkt werden diese Einschränkungen durch ein grundlegendes Problem bei der Definition von Trainingsintensitäten. Jüngere Studien haben verschiedene Methoden zur Intensitätssteuerung kritisch hinterfragt und ihre Konstruktvalidität danach bewertet, wie verlässlich sie konsistente physiologische Reaktionen über verschiedene Intensitätsbereiche hinweg hervorrufen (Jamnick et al., 2020). Zu diesen Reaktionen zählen beispielsweise Sauerstoffaufnahme-Kinetiken oder Blutlaktatspiegel, die spezifischen Intensitätszonen zugeordnet werden. Die Forschung zeigt deutlich: Die Ableitung der Intensität als fester Prozentsatz eines Maximalwerts, wie beispielsweise der maximalen Sauerstoffaufnahme (VO2max), der maximalen Herzfrequenz oder der maximalen Leistung, ist kaum geeignet, um bei verschiedenen Individuen homogene physiologische Reaktionen auszulösen. So führte ein Training bei 80 % der maximalen Herzfrequenz in einer Studie dazu, dass 17 von 31 Teilnehmern oberhalb ihrer ventilatorischen Schwelle trainierten, während der Rest darunter blieb. Die exakt gleiche relative Intensität entsprach also bei verschiedenen Athleten völlig unterschiedlichen physiologischen Belastungsbereichen. Solche festen Prozentsätze streuen zudem enorm im Vergleich zu echten physiologischen Markern. Die Critical Power kann bei verschiedenen Personen beispielsweise irgendwo zwischen 60 % und 95 % der VO2max liegen (Jamnick et al., 2020). Unter den untersuchten Methoden wiesen die Critical Power und die Critical Velocity die höchste Evidenz auf, wenn es darum ging, die Grenze zwischen dem schweren (heavy) und dem extremen (severe) Intensitätsbereich exakt zu bestimmen. Diese Grenze markiert den kritischen Übergang von einer noch nachhaltigen Belastung im physiologischen Gleichgewicht (Steady-State) hin zu einem Zustand, in dem die Ermüdung rapide zunimmt und ein Belastungsabbruch unausweichlich wird (siehe Abbildung 2). Genau hier liegt der zentrale Mehrwert eines Systems zur Messung der externen Belastung. Da Leistung es ermöglicht, die Trainingsintensität direkt an einer physiologischen Schwelle statt an einem starren Prozentsatz eines Maximalwerts zu verankern, wird der gesetzte Trainingsreiz über verschiedene Athleten hinweg deutlich vergleichbarer. So wird sichergestellt, dass eine Trainingsgruppe, die ein Intervall bei einem definierten Schwellenprozentsatz absolviert, auch kollektiv die beabsichtigte physiologische Beanspruchung erfährt.

Messung der Vortriebsleistung aus der Bootsbeschleunigung

Die im Radsport etablierte Leistungsmessung mittels Dehnungsmessstreifen lässt sich in der Praxis nur schwer auf ein Kanurennsport-Paddel übertragen. Die Integration entsprechender Sensoren verändert die Massenverteilung sowie die Schwungdynamik des Paddels, erschwert den flexiblen Wechsel zwischen verschiedenen Athleten und erfordert zusätzliche Kalibrierungen, wie etwa das Einhängen statischer Gewichte vor dem Training. Der neuartige PaddlePulse Sensor nutzt stattdessen einen kinematischen Ansatz, der direkt am Bootskörper ansetzt. In Wassersportarten, die von diskreten Vortriebsimpulsen leben, wechselt das Boot permanent zwischen einer Beschleunigung während des Schlags und einer Verzögerung in der Gleitphase. Ein hochfrequenter Beschleunigungssensor zeichnet dieses Bewegungsprofil kontinuierlich auf. Da die Gesamtmasse von Boot und Athlet bekannt und nahezu konstant ist, lassen sich daraus die zugrunde liegenden Kräfte berechnen.

In der Gleitphase wird das Boot primär durch den hydrodynamischen Widerstand abgebremst. Nimmt man diesen Wasserwiderstand als die dominierende bremsende Kraft an, lässt er sich aus dem Produkt von Systemmasse und der gemessenen Verlangsamung berechnen. Die momentane Vortriebskraft während des aktiven Schlags ergibt sich anschließend durch die Addition dieses Widerstands zum Produkt aus Systemmasse und der in der Zugphase gemessenen Beschleunigung. 

Eine zentrale praktische Herausforderung bei der Beschleunigungsmessung auf dem Wasser ist das Signalrauschen, das durch kleine Wellen und Oberflächenturbulenzen entsteht. Der PaddlePulse Sensor löst dieses Problem mithilfe von physik-informierten neuronalen Netzen (PINNs). Im Gegensatz zu rein datengetriebenen KI-Modellen integrieren diese Netzwerke die physikalischen Bewegungsgleichungen als feste Nebenbedingungen. Dieser Ansatz hilft dabei, das tatsächliche Vortriebssignal präzise von störenden Umwelteinflüssen zu trennen, und stellt gleichzeitig sicher, dass die ausgegebenen Werte stets im Einklang mit den Gesetzen der Mechanik stehen. Ziel ist es, ein stabiles und kontinuierliches Leistungssignal zu generieren.

Externe und interne Belastung: Ergänzend, nicht konkurrierend

Die Einführung der Leistungsmessung fügt dem Trainingstools-Arsenal eine externe Belastungsmetrik hinzu und verändert die Art und Weise, wie Reiz und körperliche Reaktion kombiniert werden können. Ziel ist es jedoch keineswegs, das etablierte physiologische Monitoring zu ersetzen, sondern ihm vielmehr eine dringend benötigte objektive Referenz zu bieten.

Um die Schwächen der aktuellen Metriken im Kanurennsport besser zu verstehen, lohnt sich ein detaillierter Blick auf jedes einzelne Signal, wobei stets die Prämisse gilt, dass keine dieser Größen die verrichtete mechanische Arbeit direkt messen kann. Die Herzfrequenz bleibt zweifellos ein äußerst wertvolles Instrument, da sie ein nicht-invasives, kontinuierliches Maß für die systemische Herz-Kreislauf-Belastung darstellt. Sie ist jedoch lediglich die Reaktion auf einen Reiz und kein Maß für den Reiz selbst. Sie reagiert zeitverzögert auf mechanische Leistungsänderungen, steigt bei langen Belastungen oder Hitze (trotz konstanter Leistung) an und wird von Faktoren beeinflusst, die mit dem reinen Vortrieb nichts zu tun haben (Achten & Jeukendrup, 2003). Eine Trainingssteuerung über starre Herzfrequenz-Prozentsätze ist daher fehleranfällig, da derselbe relative Wert bei unterschiedlichen Athleten völlig andere Stoffwechselzustände bedeuten kann (Jamnick et al., 2020). Die Blutlaktatmessung wiederum liefert entscheidende Erkenntnisse über den glykolytischen Stoffwechsel. Allerdings bietet sie nur zeitlich verzögerte Momentaufnahmen. Zudem wird Laktat zwar im beanspruchten Muskel produziert, aber erst nach einer gewissen Verteilungszeit als Konzentration im Blut gemessen. Ohne exakte Kenntnis der individuellen Körperzusammensetzung (wie Gesamtkörperwasser und Muskelmasse) ist die Interpretation dieser absoluten mmol/l-Werte äußerst komplex. Ein Training nach pauschalen Laktatschwellen mit starren Konzentrationswerten entbehrt daher jeglicher physiologischen Validität, sofern diese nicht individuell kalibriert wurden (Heck et al., 2022). Die per GPS erfasste Bootsgeschwindigkeit spiegelt lediglich das finale Resultat der Anstrengung wider. Da sie durch Wind, Strömung und Wellengang stark verfälscht wird, taugt sie nicht zur Standardisierung der mechanischen Belastung. Die Schlagfrequenz ist letztlich nur ein kinematischer Deskriptor und kein Maß für die erbrachte Arbeit. Eine identische Schlagfrequenz kann mit völlig unterschiedlichem Krafteinsatz pro Schlag und somit variierender mechanischer Leistung gepaddelt werden. Isoliert betrachtet und ohne das entscheidende Puzzleteil der mechanischen Leistung liefert jede dieser Variablen nur ein unvollständiges Bild davon, wie hart ein Athlet wirklich arbeitet und ob sich sein mechanischer Output im Zeitverlauf verändert.

Die logische Konsequenz: Wenn das Training fast ausschließlich über die physiologische Beanspruchung gesteuert wird, fehlt Athleten und Trainern ein objektiver Maßstab für den mechanischen Fortschritt. Verlässt man sich nur auf körperliche Reaktionen, bleibt unklar, ob tatsächlich mehr mechanische Energie zur Beschleunigung des Bootes aufgewendet wird. Blickt man hingegen nur auf die Bootsgeschwindigkeit, können Rückenwind oder Strömung fälschlicherweise einen Formanstieg suggerieren. Die mechanische Leistung liefert hier die entscheidende, bisher fehlende externe Referenzgröße. Anstatt lediglich eine Herzfrequenzzone vorzugeben und zu hoffen, dass der mechanische Output schon passen wird, kann ein Trainer nun exakte mechanische Leistungsvorgaben machen und die individuelle physiologische Reaktion darauf gezielt überwachen. Werden interne und externe Metriken kombiniert, entsteht ein hochgradig robustes Steuerungssystem. Die externe Belastung definiert exakt die mechanische Anforderung, während die internen Metriken die präzisen physiologischen Kosten aufzeigen, um diese Anforderung zu erfüllen. Trainingsvorgaben können nun eine Zielleistung (in Watt) und eine exakte mechanische Gesamtarbeit (in Kilojoule) umfassen. Bei dieser fixierten externen Last lassen sich dann Herzfrequenz- und Laktatwerte analysieren, um beispielsweise kardiovaskulären Drift zu erkennen oder sicherzustellen, dass der richtige Trainingsbereich getroffen wurde. Die Forschung bestätigt, dass die Koppelung hochintensiver Einheiten an eine mechanische Schwelle (statt an relative Maximalwerte) zu einer deutlich geringeren Streuung der physiologischen Reaktionen innerhalb einer Trainingsgruppe führt (Meyler et al., 2023; Muniz Pumares et al., 2025). Speziell für den hochintensiven Bereich konnte gezeigt werden, dass eine Steuerung relativ zur Critical Power eine weitaus konsistentere Belastungstoleranz und weniger interindividuelle Abweichungen in den physiologischen Antworten erzeugt als die Nutzung klassischer Maximalwert-Prozentsätze (Meyler et al., 2023). Wenn ein Athlet also unter standardisierten Bedingungen nach einigen Trainingswochen bei identischer physiologischer Beanspruchung mehr Vortriebsleistung generiert, ist das der unumstößliche Beleg für eine echte Leistungssteigerung (siehe Abbildung 4).

Neben der Leistung erfasst der PaddlePulse Sensor kontinuierlich die Schlagfrequenz, was das fehleranfällige manuelle Abstoppen einzelner Schläge überflüssig macht. Die Kombination aus durchgehenden Leistungs- und Frequenzdaten erlaubt es, die mechanische Strategie hinter dem erzeugten Vortrieb detailliert zu analysieren, beispielsweise ob ein Athlet seine Geschwindigkeit eher aus einer hohen Kraft pro Schlag oder über eine hohe Schlagfrequenz generiert. Diese objektiven Datensätze bilden das Fundament für ein kontinuierliches Tracking der Fitnessentwicklung, ein hochpräzises Pacing in Intervallen und die detaillierte retrospektive Rennanalyse.

Referenzen