Experiment 2 - Campus Koblenz

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3. NEWTONSCHE AXIOMUMSETZUNG
IM SPORTUNTERRICHT
Autoren:
© 2015
Maren Hoffmann
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Übersicht
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© 2015
Fachwissenschaftlicher Hintergrund
Bezug zum Sport
Lehrplanbezug
Praktische Experimente
Arbeitsmaterial
o Stationskarte - Experiment 1 (1)
o Stationskarte - Experiment 2 (2)
o Stationskarte - Experiment 3 (3)
o Stationskarte - Experiment 4 (4)
o Auswertungsbogen (5)
Videos
o Versuchsaufbau Experiment 2 (1)
o Versuchsdurchführung (2)
o Versuchsaufbau Experiment 4 (3)
o Versuchsdurchführung (4)
Quellenverzeichnis
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Fachwissenschaftlicher Hintergrund
In dem Fachgebiet der Dynamik werden die beobachteten Bewegungen auf ihre zugrunde liegenden Auslöser hin hinterfragt. Zu diesem Gebiet zählen auch die Newton'schen Axiome. Dazu formulierte Isaac Newton (1643-1727) auf Grundlage von
Untersuchung von Galileo Galilei (1564-1642) die drei bekannten Newton'sche Axiome1. Darunter zählen der Trägheitssatz, der Bewegungssatz und das Prinzip actio =
reactio.
"Wirkt auf einen Körper eine Kraft F, die in einem anderen Körper ihren Ursprung hat,
so wirkt auf diesen anderen Körper eine gleich große entgegengesetzte Kraft" 2. Viele
Situationen, die aus dem Sport bekannt sind, bestätigen diese Erkenntnis. Dies wird
beispielsweise beim Kugelstoßen deutlich. So erfährt man eine Gegenkraft der Kugel
nach hinten-unten, wenn man die Kugel nach vorne-oben beschleunigt. Daher ist es
wichtig, dass man immer auch die Gegenkraft betrachtet, um sich wirkende Kräfteverhältnisse bewusst zu machen. So resultiert aus einem Absprung und der damit
verbundenen Bremskraft eine genau entgegengesetzte Gegenkraft. In Bezug auf
dieses Beispiel muss auch nochmals herausgestellt werden, dass ein Körper allein
keine Kraftwirkung erfahren kann. Es braucht also immer einen zweiten Körper3.
Bezug zum Sport
Das 3. Newton'sche Axiom, auch Wechselwirkungsgesetz genannt, ist Grundvoraussetzung, dass sportliche Bewegungen überhaupt möglich sind. Es besagt, dass jede
actio mit einer gleichgroßen aber entgegengesetzten reactio verbunden ist. Dabei
greifen actio und reactio stets an zwei verschiedenen Körpern an4.
Der Sprint in der Leichtathletik bedient sich auch dieses Prinzips. Um die Wechselwirkung noch zu verstärken, tragen die Sportler Spikes. Denn sie erzielen viel größere horizontale Kräfte gegen den Boden. Wie wichtig dies sein kann, kann ein Sportler
erfahren, wenn er auf einer nassen Bahn mit rutschigen Sportschuhen so schnell wie
möglich beschleunigen will5.
Beim Schwimmen beispielsweise bedient man sich dem Wechselwirkungsgesetz, um
seinen Körper im Wasser anzutreiben. Durch den doppelten S-Zug der Arme in der
Unterwasserphase des Armzugs beim Kraulschwimmen beispielsweise erzeugt der
Schwimmer eine nach hinten gerichtete actio-Kraft. Dadurch erfährt der Körper wiederum eine gleichgroße genau entgegengesetzte reactio-Kraft und der Schwimmer
bewegt sich somit fort6.
Das Wechselwirkungsgesetz wird sich im Sport auch zunutze gemacht, um eine
sportliche Leistung zu optimieren. Hierzu zählen folgende Aspekte, die jeweils mit
einem Beispiel erläutert werden.
1 Peters 2009, 16
2 Peters 2009, 19
3 Peters 2009, 19-20
4 Dorn 2001
5 Weineck 2009, 68
6 Dorn 2001
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Zum einen kann eine Gegenbewegung eines oder mehrerer Körperteile dazu beitragen, den Körper im Gleichgewicht zu halten. Dies geschieht beim Laufen bzw. Gehen. Mit Vorbringen des rechten Beins wird der linke Arm nach vorne gebracht. Dies
bewirkt eine Drehung der Hüft- und Schulterachse um die Körperlängsachse, die
wiederum voneinander entgegengesetzt sind. Durch die gegenläufigen Pendelbewegungen bleibt der Körper stabil bzw. im Gleichgewicht 7.
Zweitens kann eine Optimierung des Beschleunigungsverlaufs erzielt werden. Man
betrachte sich hierzu den Handballschlagwurf. Der Spieler dreht hierzu die Wurfarmschulter zurück. Um nun eine Rotation des gesamten Oberkörpers um die Längsachse zu vermeiden, dreht der Spieler die Hüfte entgegengesetzt nach vorne. Die hier
entstandene Verwringung des Körpers bewirkt eine Verlängerung des Beschleunigungswegs und eine Erhöhung der Anfangskraft, da die Rumpfmuskulatur optimal
vorgedehnt wird8.
Ein weiterer Aspekt sind gegenläufige Teilbewegungen des Körpers in Flugphasen,
die eine Optimierung der sportlichen Leistung erzielen können. Hierzu schaut man
sich beispielsweise den Weitsprung in der Leichtathletik an. Nach dem Absprung ist
die Flugbahn des Körperschwerpunkts festgelegt und nicht mehr beeinflussbar. Der
Sportler kann jedoch seine einzelnen Körperteile zueinander vielfältig verändern. So
führt der Weitspringer zur Vorbereitung einer optimalen Landung die sogenannte
"Klappmesserbewegung" aus. Dadurch dass er den Oberkörper und die Arme nach
unten senkt, werden die Beine nach dem Prinzip der Wechselwirkung stärker angehoben. Dies hat zur Folge, dass der Springer eine größere Weite erzielen kann9.
Lehrplanbezug
Die Newton'schen Axiome werden laut Lehrplan Sport der Sekundarstufe II für das
Land Rheinland-Pfalz hauptsächlich im Leistungskurs im Rahmen der Theorieeinheiten thematisiert. Diese sollen im Halbjahr 12/1 in der Thematik Bewegungslernen
erlernt werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen unter dem biomechanischen
Aspekt Kenntnisse der Struktur der zu erlernenden Bewegung erlangen. Dazu sind
Grundlagen der Biomechanik und Analyse von Bewegungen aus biomechanischer
Sicht im höchsten Maße relevant. Darunter zählen sportbezogene Begriffe und Gesetzmäßigkeiten der Mechanik. Im Gegensatz zur Physik soll im Sport Leistungskurs
eine sportspezifische Betrachtungsweise, die es ermöglicht, eine vorrangig anschauliche Vermittlung des Zusammenwirkens der auftretenden Kräfte darzustellen, herangezogen werden10.
7 Weineck 2009, 69
8 ebd.
9 Weineck 2009, 70
10 vgl. MBWW 1998, 109-110
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Praktische Experimente
Im Folgenden werden einige Experimente zum 3. Newton'schen Axiom vorgestellt.
Die Medien sind so erstellt worden, dass sie sich gut in eine Unterrichtseinheit einbetten lassen. Dazu sind verschiedenste Herangehensweisen denkbar. Beispielsweise wird zuerst mithilfe der Medien gezeigt, wie das Experiment aufgebaut ist und
was im Folgenden passieren soll. Anschließend können die SuS ohne Kommentar
des Lehrers Vermutung aufstellen. Diese werden gesammelt und im nächsten Schritt
erfolgt die Auflösung, die dann mithilfe des bislang erworbenen Wissens in einem
Unterrichtsgespräch erklärt werden kann. Eine weitere Herangehensweise wäre die
Umsetzung in eine Stationsarbeit. Denn die Experimente sind so gestaltet, dass sie
sehr leicht in einer Unterrichtsstunde von den SuS selbst innerhalb einer Stationsarbeit durchgeführt werden können. Dazu können die Stationskarten und der Auswertungsbogen dienen, um einen gut organisierten Rahmen zu gewährleisten.►
1-2
Experiment 1
Aufbau
Ein Rollbrett, eine Person, eine Hantelstange, eine Weichbodenmatte
Durchführung
Eine Person steht vor einer Weichbodenmatte auf einem
Rollbrett und hält eine Hantelstange in den Händen. Sie
stößt die Hantelstange so von sich, dass sie auf der
Weichbodenmatte landet.
Aufbau Experiment 1
Beobachtung
Die Hantelstange fliegt auf die Weichbodenmatte. Die
Person rollt mit dem Rollbrett von der Weichbodenmatte
weg.
Erklärung
Die actio-Kraft ist das Werfen der Hantelstange
auf die Matte. Die daraus resultierende reactioKraft ist das Fahren des Rollbretts weg von der
Weichbodenmatte und somit genau entgegengesetzt gerichtet.
Beobachtung Experiment 1
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Experiment 2
Aufbau
Ein Rollbrett, eine Person, eine Bodenmarkierung, ►
1
Durchführung
Eine Person steht auf einem Rollbrett. Die Bodenmarkierung
befindet sich genau unter dem Rollbrett. Die Person soll sich
durch Bewegungen auf dem
Rollbrett deutlich nach rechts
über die Markierung bewegen.
Beobachtung
Er schafft dies nicht. Er bewegt
sich nur in unmittelbarer Nähe
der Bodenmarkierung.
Aufbau Experiment 2
Erklärung Experiment 2
Erklärung
Die Person auf dem Rollbrett kann keine entgegengesetzte Kraft ausüben, um sich in
Bewegung zu versetzen. Es muss stets eine weitere Kraft wirken, denn eine letztendlich wirksame Kraft ist nie allein. ►
2
Experiment 3
Aufbau
Zwei Rollbretter, zwei Personen, ein Seil
Durchführung
Zwei Personen stehen sich jeweils auf einem Rollbrett gegenüber. Sie halten ein Seil
in den Händen. Eine Person soll an dem
Seil ziehen.
Beobachtung
Beide Personen bewegen sich aufeinander
zu.
Aufbau Experiment 3 und 4
Erklärung
Person A übt eine actio-Kraft aus und
bewegt sich damit auf Person B zu.
Über das Seil greift diese an Person B
an. Somit erfährt Person B eine
reactio-Kraft und bewegt sich somit
auch auf Person A zu.
Erklärung Experiment 3
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Experiment 4
Aufbau
Zwei Rollbretter, zwei Personen, ein Seil, ►
3
Durchführung
Zwei Personen stehen sich jeweils auf einem Rollbrett gegenüber. Sie halten ein Seil
in den Händen. Nun ziehen beide Personen an dem Seil.
Beobachtung
Beide Personen bewegen sich
wieder aufeinander zu.
Erklärung
Die Erklärung ist identisch zur Erklärung in Versuch 2. Da sich die
Rollbretter gleichmäßig aufeinander zu bewegen und sich in der
Mitte treffen, kann festgehalten
werden actio = reactio. ►
4
Erklärung Experiment 4
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Stationskarte - Experiment 1
1
Führe das Experiment 1 durch.
Aufbau
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Person
Rollbrett
Hantelstange
Weichbodenmatte
Durchführung
Eine Person steht vor einer Weichbodenmatte auf einem Rollbrett und
hält eine Hantelstange in den Händen. Sie stößt die Hantelstange so von
sich, dass sie auf der Weichbodenmatte landet.
Auswertung
Was beobachtest du?
Finde eine Erklärung zu deiner Beobachtung.
Notiere diese auf deinem Auswertungsbogen!
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Stationskarte - Experiment 2
2
Führe das Experiment 2 durch.
Aufbau

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
Person
ein Rollbrett
eine Bodenmarkierung
Durchführung
Eine Person stellt sich auf das Rollbrett. Das Rollbrett sollte mittig auf
der Bodenmarkierung stehen. Die Person soll versuchen sich auf dem
Rollbrett ohne Berührung des Bodens oder einer anderen Person auf
eine Seite der Bodenmarkierung zu bewegen.
Auswertung
Was beobachtest du?
Finde eine Erklärung zu deiner Beobachtung.
Notiere diese auf deinem Auswertungsbogen!
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Stationskarte - Experiment 3
3
Führe das Experiment 3 durch.
Aufbau
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

Zwei Personen
Ein Rollbrett
ein Seil
eine Bodenmarkierung
Durchführung
Zwei Personen stehen sich jeweils auf einem Rollbrett gegenüber. Sie
halten ein Seil in den Händen. Nun soll eine Person an dem Seil ziehen.
Auswertung
Was beobachtest du?
Finde eine Erklärung zu deiner Beobachtung.
Notiere diese auf deinem Auswertungsbogen
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Stationskarte - Experiment 4
4
Führe das Experiment 4 durch.
Aufbau

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
Zwei Rollbretter
ein Seil
eine Bodenmarkierung
Durchführung
Zwei Personen stehen sich jeweils auf einem Rollbrett gegenüber. Sie
halten ein Seil in den Händen. Nun sollen beide Personen an dem Seil
ziehen.
Auswertung
Was beobachtest du?
Finde eine Erklärung zu deiner Beobachtung.
Notiere diese auf deinem Auswertungsbogen!
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Auswertungsbogen
5
EXPERIMENT 1
Beobachtung
Erklärung
EXPERIMENT 2
Beobachtung
Erklärung
EXPERIMENT 3
Beobachtung
Erklärung
EXPERIMENT 4
Beobachtung
Erklärung
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Quellenverzeichnis
Literatur
Autor
Peters, W.
Ministerium für
Bildung, Wissenschaft und
Weiterbildung
(MBWW)
(Hrsg.)
Dorn, E.
Literaturname
Abitur- Training
Sport, Bewegungslehre Sportpsychologie,
Lehrplan Sport,
Sekundarstufe I
Erscheinungsort
Freising
Erscheinungsjahr
2009
Mainz
1998
Bewegungslehre
und Biomechanik
des Sports Teil 1:
Biomechanische
Grundlagen
2001
Verlag
Stark
Ministerium
für Kultus,
Jugend und
Sport Baden
Württemberg
Abbildung / Foto
Nummer
Alle Fotos
Arbeitsmaterial 1-4
Urheber
Maren Hoffmann, Lisa Schmalen, Hans-Martin Jakobs
Maren Hoffmann
Video
Nummer
Alle Videos
Urheber
Maren Hoffmann, Lisa Schmalen, Hans-Martin Jakobs
Urheber des Beitrages
Autor
Maren Hoffmann/Sportlehrerin;
Lisa Schmalen,
Hans-Martin Jakobs/Lehramtstudierende
© 2015
Berater
Minnich,
Marlis
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Institution
Institut für Sportwissenschaft, Universität Koblenz- Landau, Campus Koblenz
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