Wie ein Tennisschläger vibriert

Der Stand der Tennisdämpfer-Technologie vor AMbelievable™

Vor über einem Jahrzehnt (im Jahr 2008) führte eine Gruppe von Forschern unter der Leitung des ehemaligen Leiters der F&E-Abteilung des renommierten Sportgeräteherstellers Head NV (Herr Mohr) eine der ersten umfassenden wissenschaftlichen Studien zu den Vibrationsmodi eines Tennisschlägers durch. Die Analyse, die durch fortschrittliche Laborausrüstung unterstützt wurde, untersuchte die Vibrationseigenschaften eines Tennisschlägers — genauer gesagt: eines "Tennisschlägersystems", das den Schlägerrahmen, die Saitenbespannung und einen traditionellen Dämpfer umfasst.

Die Ergebnisse zeigen drei wichtige Erkenntnisse:

1. Traditionelle Tennisdämpfer müssen eine Mindestmasse haben, um wirksam zu sein. Unter 2 Gramm erzeugen sie in keiner Position eine signifikante Wirkung.
2. Traditionelle Tennisdämpfer müssen abgestimmt werden, um optimale Dämpfungsbedingungen für die individuellen Tennisschlägerkonfigurationen zu bieten.
3. Traditionelle Tennisdämpfer beeinflussen die Biegemodi des Rahmens bei niedrigen Frequenzen nicht; sie wirken sich stattdessen auf die Hochfrequenzreaktion aus und gehen somit über eine ästhetische Funktion hinaus.

Während Materialfortschritte ästhetische Verbesserungen und leichte Leistungssteigerungen gebracht haben, gab es bis zum Erscheinen von AMbelievable™ keine wesentliche Innovation. Um die Auswirkungen unseres Durchbruchs zu demonstrieren, haben wir eine unabhängige Studie in Auftrag gegeben, um die Daten von 2008 mit neuen Messungen zu vergleichen. Mit verbesserter Messtechnologie und einem präziseren Versuchsaufbau bewertete diese Folgestudie auch die Leistung unserer AMbelievable-Produktlinie und bestätigte deren überlegene Ergebnisse.

Das typische Vibrationsspektrum eines Tennisschlägers

Wenn ein Tennisschläger nach dem Ballkontakt vibriert, bewegt er sich je nach Ort und Art des Ballkontakts auf unterschiedliche Weise. Diese unterschiedlichen Bewegungen werden als "Modi" der Vibration bezeichnet. Ein Modus ist einfach eine spezifische Art, wie der Schläger vibriert, und jeder Modus tritt bei einer bestimmten Frequenz auf (wie schnell die Vibration erfolgt).

Hier ist eine Übersicht über die drei Hauptarten von Vibrationsmodi:

1. Rahmenbiegemodus: Stellen Sie sich vor, der Rahmen des Schlägers, der Teil, den Sie halten, biegt sich leicht hin und her, ähnlich wie ein Sprungbrett beim Sprung. Dies geschieht bei relativ niedriger Frequenz. Es ist eine langsame und spürbare Vibration, da der gesamte Rahmen beteiligt ist und die mechanischen Kräfte auf Ihren Arm übertragen werden. ​
2. Torsionsmodus: In diesem Modus dreht sich der Schläger um seine Mittelachse. Stellen Sie sich vor, Sie wringen ein Handtuch aus: Ein Ende dreht sich in die eine Richtung, das andere in die entgegengesetzte Richtung. Diese Drehbewegung erfolgt normalerweise bei einer höheren Frequenz als die Biegung.
3. Saitenbettmodus: In diesem Modus vibrieren die Saiten, nachdem sie vom Ball getroffen wurden, ähnlich wie die Saiten einer Gitarre nach dem Zupfen. Diese Vibrationen sind die schnellsten (hohe Frequenz), da die Saiten viel leichter und flexibler sind als der Rahmen.​

Jeder Modus tritt bei einer anderen Frequenz auf, abhängig davon, wie viel Masse beteiligt ist und wie steif oder flexibel der Schläger in verschiedenen Bereichen ist. In einem Vibrationsspektrum-Diagramm, wie dem unten gezeigten, können Sie diese Modi als separate Peaks sehen, wobei die Rahmenbiegung bei niedrigen Frequenzen, die Torsion irgendwo in der Mitte und der Saitenbettmodus bei höheren Frequenzen auftreten.

Diagramm A | Frequenzspektrum eines Tennisschlägers ohne Tennisdämpfer

Dieses Diagramm zeigt das natürliche Schwingungsverhalten des Schlägers ohne Dämpfer. Die hervorstehenden Peaks repräsentieren verschiedene Vibrationsmodi: Niedrigere Frequenzen entsprechen der Rahmenbiegung, mittlere Frequenzen der Torsion, und höhere Frequenzen den Schwingungen der Saiten. Diese Peaks zeigen, dass der Schläger ohne Dämpfung erhebliche Vibrationen über ein breites Frequenzspektrum hinweg erfährt.

Es wurde wissenschaftlich nachgewiesen, dass niedrige Frequenzen negative Auswirkungen auf entzündliche Beschwerden haben. Darüber hinaus führte eine Gruppe von Forschern der Universität Singapur im Jahr 2019 eine ausführliche Studie durch, die untersuchte, wie Vibrationen die Leistung von Tennisspielern beeinflussen. Diese zeigte, dass die Verwendung eines Vibrationsdämpfers die Gesamtleistung um erstaunliche 25 % steigerte. Noch wichtiger ist, dass die Studie klare Beweise dafür lieferte, dass ein Vibrationsdämpfer die Genauigkeit der Schläge in der Ermüdungsphase erhöhen und diese Phase hinauszögern konnte.

Abb. 1 Grafik A: Frequenzspektrum, gemessen in Hertz, einer Tennisschläger ohne Dämpfer (blaue Linie) und mit einem traditionellen 3-Gramm-Silikondämpfer. (Quelle: Unabhängiger Labortest von HEAD Acoustics GmbH)

Grafik B | Frequenzspektrum eines Tennisschlägers mit einem traditionellen Dämpfer

Hier vergleichen wir die natürlichen Vibrationen des Schlägers mit den Effekten eines traditionellen Dämpfers. Der traditionelle Dämpfer reduziert die Schwingungsspitzen, insbesondere bei höheren Frequenzen, die mit den Schwingungen des Saitenbetts verbunden sind. Allerdings bleibt der Einfluss des Dämpfers bei niedrigeren Frequenzen (d. h. Rahmenbiegung und Torsion) gering, was darauf hinweist, dass traditionelle Dämpfer zwar die Amplitude reduzieren, jedoch nicht umfassend auf alle Modi wirken.

Abb. 2 Grafik B: Die obige Grafik zeigt das Frequenzspektrum, gemessen in Hertz, eines Tennisschlägers ohne Dämpfer (blaue Linie) und mit einem traditionellen 3-Gramm-Silikondämpfer. (Quelle: Unabhängiger Labortest von HEAD Acoustics GmbH)

Interessanterweise konzentriert sich die Wirkung eines traditionellen Dämpfers auf Frequenzen um 900 Hz und 1200-1300 Hz, wo seine Wirkung am deutlichsten ist. Der Dämpfer wirkt auch als Modus-Verschieber bei anderen Frequenzen (d. h. um 550 Hz und 1700 Hz), was bedeutet, dass er die Frequenz der Schwingung des Schlägers verändert. Diese Ergebnisse stimmen mit der Studie von Morh et al. (2008) überein. Dennoch haben wir dank eines optimierten Setups eine klarere und umfassendere Perspektive erzielt. Insbesondere die Wahl des Aufbaus der Studie von 2008 (d. h. der Schläger wurde mit einem Nylonfaden aufgehängt) führte zu einigen Messbeschränkungen, während das Labor, das die Analyse im Jahr 2024 durchführte, ein präziseres Setup verwendete.

Die AMbelievable™-Technologie für Tennisschläger-Dämpfer

Seit 2008 haben Fortschritte im 3D-Druck, bei Metamaterialien und in der Technik die Möglichkeiten für Sportausrüstung drastisch verändert. Durchbrüche in der Präzisionsfertigung, Materialwissenschaft und computergestützter Konstruktion haben uns die Entwicklung von Technologien ermöglicht, die zuvor nur vorgestellt wurden. AMbelievable™ nutzt diese Innovationen, um einen Tennisschläger-Dämpfer anzubieten, der über traditionelle Grenzen hinausgeht und eine beispiellose Kontrolle über Vibrationen sowie ein individuell abgestimmtes Spielerlebnis bietet.

Was sind Metamaterialien?

Metamaterialien sind künstlich hergestellte Materialien, die so gestaltet sind, dass sie Eigenschaften aufweisen, die in natürlichen Substanzen nicht zu finden sind. Nahezu jedes Material kann als Metamaterial entworfen werden, da seine Eigenschaften durch die geometrische Anordnung seiner Meso-Struktur (d. h. seiner „größeren“ Struktur, genannt Meta-Zellen) und nicht durch die Mikrostruktur (z. B. Atome und Moleküle) bestimmt werden. Durch die präzise geometrische Anordnung ihrer internen Komponenten können Metamaterialien elektromagnetische Wellen, Schall oder mechanische Vibrationen auf unkonventionelle Weise steuern. Im Gegensatz zu traditionellen Materialien, die ihre Eigenschaften aus ihrer chemischen Zusammensetzung ableiten, entstehen die Fähigkeiten von Metamaterialien durch die Interaktion ihrer inneren Strukturen mit eintreffenden Wellen.

Gitterstrukturen und Vibrationsdämpfung

Gitterstrukturen sind eine Art von Metamaterial, das sich aufgrund seines geometrisch komplexen Netzwerks von wiederholten Zellen besonders gut zur Vibrationsdämpfung eignet. Diese Zellen können so gestaltet werden, dass sie Energie durch spezifische Biegungen bei Vibrationen dissipieren. Durch ihre sorgfältig gestaltete Geometrie können Gitterstrukturen eingehende Vibrationen zerstreuen, die Energie verteilen und deren Wirkung reduzieren. Dies macht sie besonders effizient bei der Dämpfung unerwünschter mechanischer Energie, was in Anwendungen wie Sportausrüstung besonders vorteilhaft ist, da die Reduzierung von Vibrationen Komfort und Leistung verbessern kann. ​

Anpassung von Metamaterialien an bestimmte Frequenzen

Ein besonders faszinierender Vorteil von Metamaterialien ist ihre Möglichkeit, „abgestimmt“ zu werden, um bestimmte Frequenzen zu manipulieren. Durch die Anpassung der Form, Größe oder Anordnung ihrer inneren Struktur können Metamaterialien so entworfen werden, dass sie bestimmte Frequenzen verstärken oder reduzieren. Das bedeutet, dass sie je nach Konstruktionsanforderungen Vibrationen zerstreuen, konzentrieren oder blockieren können. Diese Anpassbarkeit ermöglicht die Schaffung maßgeschneiderter Lösungen zur Dämpfung oder sogar zur Verstärkung von Vibrationen in einem bestimmten Frequenzbereich, was ein Maß an Kontrolle bietet, das mit herkömmlichen Materialien nicht erreicht werden kann. Der Einfluss dieser Innovation auf den Tennisschläger-Dämpfer ist außergewöhnlich, und die im Nachfolgestudium 2024 erhobenen Daten sprechen für sich.

Grafik C | Frequenzspektrum eines Tennisschlägers mit einem AMbelievable™-Dämpfer

Diese Grafik zeigt den Vergleich zwischen „ohne Dämpfer“ und dem „AMbelievable Universal v1“-Dämpfer. Der Universal v1-Dämpfer reduziert die Schwingungsspitzen deutlich über alle Frequenzbereiche hinweg, von der Rahmenbiegung bis hin zu Torsion und Saitenbett-Modi. Dies zeigt seine Wirksamkeit bei der Minimierung von Schwingungen sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Frequenzen und bietet dem Spieler mehr Komfort und Stabilität beim Spiel. Die glattere Vibrationsreaktion deutet auf eine spürbare Verbesserung des allgemeinen Schlägergefühls hin.

Was ist das Geheimnis (oder vielmehr das Patent)? Der AMbelievable Universal v1-Dämpfer nutzt Metamaterialien, eine fortschrittliche Technologie, die eine präzise Kontrolle über Vibrationsfrequenzen ermöglicht. Metamaterialien können so entworfen werden, dass sie entweder spezifische Frequenzen verstärken oder reduzieren, was eine fein abgestimmte Manipulation der Vibrationsmodi erlaubt. In diesem Fall reduziert der AMbelievable Universal v1-Dämpfer effektiv Vibrationen sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Frequenzen.

Interessanterweise wurde in einer Studie von Morh et al. festgestellt, dass eine Masse von nur 1 Gramm (wie die des AMbelievable-Dämpfers) zuvor als unzureichend angesehen wurde, um messbare Dämpfungseffekte bei hohen Frequenzen zu erzielen. Darüber hinaus wurde die Masse eines traditionellen Dämpfers (>3 Gramm) als unzureichend angesehen, um niedrigfrequente Vibrationen messbar zu reduzieren. Dennoch ermöglicht das Metamaterial-Design eine signifikante Vibrationsreduktion sogar unterhalb der 1-Gramm-Schwelle, was zeigt, dass präzises Design die Leichtgewichtigkeit kompensieren kann. Abschließend kann der AMbelievable-Dämpfer durch die Nutzung der Metamaterialien konventionelle Modelle erheblich übertreffen, indem er bestimmte Frequenzen effektiver anspricht und mindert.

Diese Ergebnisse stellen einen echten Durchbruch im Bereich der Vibrationsreduzierung dar.

Abb. 3 Grafik C: Die obige Grafik zeigt das Frequenzspektrum, gemessen in Hertz, eines Tennisschlägers ohne Dämpfer (blaue Linie) und mit einem AMbelievable™-Dämpfer aus 3D-Druck mit 1 Gramm Gewicht. (Quelle: Unabhängiger Labortest von HEAD Acoustics GmbH)

Falls Sie tief in die technischen Details eintauchen möchten, scrollen Sie bis zum Seitenende und abonnieren Sie unseren Newsletter, um das vollständige wissenschaftliche Dokument zu diesem Thema zu erhalten. In diesem Dokument gehen wir detailliert auf die modale Analyse ein (d. h. wie sich der Schläger tatsächlich bewegt und mit und ohne unseren Dämpfer vibriert und was uns das Frequenzspektrum über einen Powerschlag oder einen eher „kontrollierbaren“ Schläger verrät). Zudem erklären wir, wie die Metamaterial-Technologie uns erlaubt, die Vibrationsfrequenzen fein zu manipulieren – und so den weltweit ersten personalisierten Tennisschläger-Dämpfer zu schaffen.

Die Notwendigkeit der Personalisierung

Wie wir zuvor erläutert haben, ist die Personalisierung bei Tennissaitendämpfern entscheidend, da jede Schläger- und Bespannungskonfiguration einzigartige Vibrationsprofile erzeugt. Die Wirksamkeit eines Dämpfers hängt von spezifischen Faktoren ab, wie dem Rahmen des Schlägers, dem Saitentyp, der Spannung und dem Spielstil des Spielers. Ein „Einheitsansatz“ reicht hier nicht aus und verdeutlicht den Bedarf an maßgeschneiderten Lösungen zur Optimierung der Vibrationskontrolle und Leistungssteigerung. Angepasste Dämpfer können spezifische Frequenzen anvisieren, den Komfort und die Kontrolle erhöhen und das Verletzungsrisiko verringern.

Um dieses Konzept besser zu veranschaulichen, veröffentlichen wir erstmals eine Reihe von Daten zu den natürlichen Vibrationsfrequenzen verschiedener Tennisschläger.

Grafik E | Frequenzintervalle der Rahmenvibrationen von Tennisschlägern nach Marke

Neugierig, wie Ihr eigener Tennisschläger vibriert? Die folgende Grafik zeigt die natürlichen Rahmenvibrationsfrequenzen für jede Marke, wobei jeder Schläger eine einzigartige Frequenz aufweist. Einige Marken decken aufgrund der Vielzahl ihrer Modelle einen breiten Frequenzbereich ab, während andere sich auf ein engeres Spektrum konzentrieren.

Unsere Datenbank enthält über tausend Schlägermodelle, die alle auf ihre natürliche Frequenz, Steifigkeit und ihr Gewicht getestet wurden. Diese Daten helfen uns, maßgeschneiderte Dämpfer für jedes spezifische Modell zu erstellen. Wir analysieren außerdem verschiedene Saitentypen, Spannungsniveaus und Schlageffekte wie Spin, Kraft und Aufprallwinkel. Es handelt sich um ein umfangreiches Projekt, und wir planen, es in den kommenden Monaten abzuschließen.

Abb. 4 Grafik E: Natürliche Rahmenvibrationsfrequenz (nur Biegemodus) für alle Schlägermodelle, gruppiert nach Marke (Quelle: Verschiedene Quellen).

Schlussfolgerung

Diese Vergleichsstudie zeigt, dass der AMbelievable Universal v1 als der effektivste Dämpfer bewertet wird, gefolgt vom AMbelievable Tuned Balance v1. Traditionelle Dämpfer, die zwar eine gewisse Vibrationsreduktion bieten, belegen aufgrund ihrer begrenzten Effektivität nur den dritten Platz. Die Daten verdeutlichen die Bedeutung unserer innovativen Dämpfer zur Verbesserung des Schlägerkomforts und der Kontrolle durch die Reduzierung unerwünschter Vibrationen in allen Modi.

Wenn Sie ein professioneller Spieler oder ein engagierter Enthusiast sind, laden wir Sie ein, an unserem Early-Access-Programm teilzunehmen. 

Abb. 4: Eine vereinfachte Darstellung der Vibrationsspektren eines Tennisschlägers ohne Dämpfer (schwarze Linie), mit einem traditionellen Dämpfer (grau) und mit dem AMbelievable Universal Model v1 (blau) und Tuned Model v1 (gelb) (Quelle: vereinfachte interne Ausarbeitung des Labortests von HEAD Acoustics GmbH).

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