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Themenübersicht 2. Schulhalbjahr 2010/2011
(Mai bis Juli 2011 – 10 Termine)
1. Kennenlernen und Sicherheit
2. Historie und Einführung zum Fahrrad (mit Fahrrädern)
3. Mechanik: Schaltung
4. Mechanik: Hydraulik und Bremsen
5. Mechanik: Federung und Kreisel (mit Fahrrädern)
6. Elektrizität und Optik
7. Bewegung, Geschwindigkeit und Reaktion
8. Aerodynamik
9. Akustik: Wind und Klingeltöne
10. Ernährung, Energie, Training, Ergometer
Frank Kameier
09.03.2011
http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
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Leistung und Energie
Schätzen und Darstellung des Energieverbrauchs eines Menschen, bei der
Belastung durch Fahrradfahren.
In Nahrungsmitteln steckt Energie. Wenn wir sagen,
ein Würfel Zucker habe 12 Kalorien,
so meinen wir 12 Kilokalorien (kcal), genaugenommen müssten wir von 50
Kilojoule (kJ) sprechen.
Das Umrechnen in Kilojoule macht Sinn,
denn mit der Einheit Joule lässt sich ganz einfach eine Beziehung zwischen
dem Energiegehalt eines Zuckerwürfels und dem Energieverbrauch eines
Elektrogerätes herstellen.
Juri Jelinek/Sanje Kapoor
Leistung 2011
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Leistung und Energie
Energiebedarf des Menschen
Menschliche Körper benötigt pro Tag
ca.100 kJ pro kg Körpergewicht wenn er
ruht , also täglich 4000 kJ
(kJ / 3600s = kWh - etwa 1,1 kWh)
für einen 40 kg schweren Menschen.
Der Energieumsatz hängt stark von der
jeweiligen Person, deren körperlichen
Größe, Kondition sowie körperlicher Aktivität
und der Umgebungstemperatur ab.
Bei körperlicher Belastung kann sich dieser
Wert nahezu verdoppeln.
Juri Jelinek/Sanje Kapoor
Leistung 2011
1cal  4 ,1868 Joul
1Watt  1 J / s
1 kWh  860 Kcal
1J 
kg  m
s
2
2
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Energiebedarf beim Radeln
Beim Fahrradfahren brauchen wir Energie um :
 das Rad zu beschleunigen,
 gegen die Rollreibung anzutreten,
 den Luftwiderstand zu überwinden,
 die Verluste im Antrieb des Rades auszugleichen.
Wer schnell fährt, pedaliert vor allem gegen den Luftwiderstand. Im Alltag bei 20 km/h, hat auch
der Rollwiderstand einen wesentlichen Anteil von 30 bis 50 % an der Summe aller
Fahrwiderstände.
Erforderliche Leistung um den Luftwiderstand zu überwinden:
c w  Strömungsw iderstands koeffizien t
Leistung in Watt = 0 . 5  c w  A  Luftdichte  v 3
2
1 . 2 kg m
Luftdichte
=
Der Rollwiderstand entspricht dem Verformungswiderstand eines sich abwälzenden Körpers:
FR  c R  FN
– Rollwiderstand ist Rollwiderstandskoeffizient mal Normalkraft
Quelle:http://quarks&co.de/
Juri Jelinek/Sanje Kapoor
Leistung 2011
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Leistung und Nahrung
Die Ernährung des Menschen dient der Aufnahme von Lebensmitteln, die
der Mensch zum Aufbau seines Körpers und zur Aufrechterhaltung seiner
Lebensfunktionen benötigt.
Menschen ernähren sich aber oft zu unausgewogen und wissen nicht was wie
viel Nährwert (kcal) enthält und wie viel man davon täglich zu sich nehmen
soll um gesund zu bleiben.
Juri Jelinek/Sanje Kapoor
Leistung 2011
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Ernährungspyramide
Die Ernährungspyramide mit
Nahrungsaufnahme Empfehlungen
für eine gesunde
abwechslungsreiche Ernährung.
Quelle:http://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/405891
Juri Jelinek/Sanje Kapoor
Leistung 2011
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Versuchsaufbau
Pulsuhr
Brustgurt
Rollentrainer
Quizkarten
Quelle: http://www.amazon.de ; http://www.toms-bikepart-shop.de
Juri Jelinek/Sanje Kapoor
Leistung 2011
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Quizkarten
Quelle: http://www.kalorio.de
Juri Jelinek/Sanje Kapoor
Leistung 2011
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Versuchsablauf
Die Versuchspersonen sollen sich auf dem Rollentrainer
körperlich betätigen.
Im Anschluss wird die verbrannte Kaloriemenge von der
Pulsuhr abgelesen.
Wenn das erfolgt ist werden der Versuchsperson verschiedene
Quizkarte gezeigt. Anhand dieser soll geschätzt werden wie viel
Kalorie die abgebildete Nahrung enthält und in welchen Mengen
sie verzehrt werden sollte um den Energiebedarf für die
Anstrengung zu tilgen.
Juri Jelinek/Sanje Kapoor
Leistung 2011
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Auswertung
Aus dem Quiz lernen die Kinder,
dass Süßes und Fettiges sehr viel mehr Kalorien hat als sie
benötigen und deswegen sollten sie diese Art von Nahrung nur in
kleinen Mengen konsumieren.
Im Vergleich haben andere (gesunde) Lebensmittel sehr wenig
Kalorien (Gemüse, Früchte, usw.) und können meistens ohne
Bedenken in großen Mengen verzehrt werden.
Mit der Verdeutlichung durch die körperliche Belastung und der
Verbrauchsauswertung mit der Polar-Uhr wird das Bewusstsein für
den eigenen Energiebedarf und für die Ernährung gesteigert.
Juri Jelinek/Sanje Kapoor
Leistung 2011
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Physikalische Größen
Weg
Zeit
Geschwindigkeit
Beschleunigung
Masse
Kraft
[m]
[s]
[m/s]
[m/s2]
[kg]
[N]
Arbeit=Energie
Arbeit=Kraft x Weg
Leistung
[Nm]=[J]
Einheit Meter
Einheit Sekunde
Einheit Meter pro Sekunde
Einheit Meter pro Sekunde zum Quadrat
Einheit Kilogramm
Einheit
Newton=Kilogramm mal Meter pro Sekunde zum Quadrat
Einheit Newton mal Meter=Joule
[J/s]=[W]
Einheit Joule pro Sekunde=Watt
Leistung [W]=[Nm/s]=Kraft mal Geschwindigkeit
|
proportional Geschwindigkeit zum Quadrat
 Leistung proportional Geschwindigkeit hoch drei
P~v3
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Energiegrößen -Einheiten
Kraft
Kraft x Weg 
N
kg m/s^2
Arbeit 
Energie 
Nm
J
Arbeit / Zeit 
Leistung 
J/s
W
kWh
kJ/3600
Energieverbrauch=
Leistung*Zeit=Arbeit
kg
m^2/s^2
Tafel Schokolade mit 2347 kJ Brennwert (spez. Wärmekapazität Wasser c=4200 J/(kg K)
2347  1000 J
4200 J /( kg K )  85 K
 6,6 kg Wasser
Mit einer Tafel Schokolade kann man
6,6 kg Wasser (=6,6 Liter) von 15° C
zum Kochen auf 100° C erhitzen.
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Das kleine Einmaleins der Größen und Einheiten
Kraft * Weg = Arbeit = Energie
[N]
[m]
[Nm]
Energie
[ J]
Zeit
[s]
 Leistung
[J]
[W ]
Verbrauch [J]= Leistung [W] * Zeit [s]
(kwh werden bezahlt - 2010: Strom 0,23 €, Gas 0,07 €)
2
spezifisch e Energie
[m ]
2
[s ]
Frank Kameier

Energie
[J]
Masse
[Kg ]
28.02.2011
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Kalorieverbrauch pro Stunde = Energiebedarf
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3500
3000
2500
2000
kJ/h
1500
1 Tafel Schokolade reicht für
40 km Fahrradweg!
1000
500
Si
tz
en
St
eh
G
eh
en
en
R
ad
3
fa
km
hr
/h
en
10
G
km
eh
en
/h
4,
5
km
G
eh
/h
R
en
ad
6
fa
km
hr
en
/h
R
ad
20
fa
km
hr
/h
en
50
km
G
Sc
eh
/h
hw
en
im
8
m
km
en
/h
50
m
La
/m
uf
in
en
9
La
km
uf
/h
en
12
La
km
uf
/h
en
15
km
/h
Li
eg
en
0
Michael Gressmann: Fahrradphysik und Biomechanik,
10. Auflage, Kiel, 2009
L ie g e n
S itze n
S te h e n
G e h e n 3 k m /h
R a d fa h re n 1 0 k m /h
G e h e n 4 ,5 k m /h
G e h e n 6 k m /h
R a d fa h re n 2 0 k m /h
R a d fa h re n 5 0 k m /h
G e h e n 8 k m /h
S c h w im m e n 5 0 m /m in
L a u fe n 9 k m /h
L a u fe n 1 2 k m /h
L a u fe n 1 5 k m /h
K ilo J o u le p ro
S tu n d e
W a tt
k J /h
W
300
380
450
730
760
840
1090
1120
2240
2400
2700
2780
2970
3280
83
106
125
203
211
233
303
311
622
667
750
772
825
911
- Kinderfachhochschule Energieinhalt von Lebensmitteln
40000
1 kg Zucker (Jelly Belly)
35000
erfordert etwa 15 Stunden
30000
25000
20000
Energieinhalt kJ/kg
Fahrradfahren mit 20 km/h!
Oder …
15000
10000
man wird dick!
5000
l
ho
Al
ko
Ei
s
Bi
er
e
Vo
llm
ilc
hs
ch
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tt
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s
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m
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Zu
ck
er
0
Michael Gressmann: Fahrradphysik und Biomechanik,
10. Auflage, Kiel, 2009
Frank Kameier
09.03.2011
Zucker
P o m m e s frite s
F e tt
C o c a C o la
Ä p fe l
V o llk o rn b ro t
V o llm ilc h s c h o k o la d e
B ie r
E is
A lk o h o l
E n e rg ie in h a lt
k J /k g
17000
5000
36000
1500
2000
8000
22500
1800
3600
30000
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