Sport und Physik - Didaktik der Physik

Physik im Sport
Natur – physikalisch gesehen
Essen Sommersemester 2006
Gruppenteilnehmer:
Hüseyin Can Küres 2218494
Mehmet Kanat
1467765
Ridoin Ourraoui
1533365
1
Vorwort:
Thema der Referates:
 Überblick, wie Schüler/innen der Sek. 1 physikalische Zusammenhänge/
Besonderheiten innerhalb der einzelnen Sportarten aufgezeigt – näher gebracht
werden können
 Das bereits grundsätzlich vorhandene Wissen aus den früheren Jahrgängen soll
nochmals durch anschauliche Anwendungsbeispiele im Bereich Sport darzustellen
und zu vertiefen. Zu zeigen wo sich im Sport die Physik wiederfindet.
 Es können sicherlich nicht alle Sportarten beleuchtet werden, aber die geläufigen
sollen hier in ihren Besonderheiten Beachtung finden.
 Aufgrund der Vielfalt lässt sich aus dem Referat sicherlich eine mehrwöchige
Unterrichtsreihe gestalten.
2
Inhaltsverzeichnis:
Vorwort
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
Was sollte ich über die Physik wissen und warum ?
Formelsalat
Wo ist die Physik im Alltag ?
Wo ist die Physik im Sport ?
Das Hebelgesetz
Wozu braucht man Hebel
Hebel Am Fahrrad: Auftrag 1
Hebel Am Fahrrad: Auftrag 2
Hebel Am Fahrrad: 1 Auswertung
Hebel Am Fahrrad: 2 Auswertung
3
...Weiter Im Inhaltsverzeichnis...
5.6
Die Goldene Regel der Mechanik
5.7
Hebel in Bewegung: Beim Fahrrad
6.0
Die Physik beim Fahrrad
6.1
Akustik beim Fahrrad
6.2
Optik beim Fahrrad
6.3
Elektrik beim Fahrrad
6.4
Druck / Rollreibung
6.5
Haftreibung
7.0
Was kann ein Sportler leisten ?
7.1
Persönliches Leistungsvermögen
8.
Literatur und Bilderquellen
4
1.0. Was sollte ich über die Physik
wissen und warum ?
 Die Physik begleitet uns jeden Tag, im Grunde von der Geburt
bis hin zum Tod.
 Wer ein offenes Auge und Ohr für interessante Phänomene und
technische Erfindungen hat, wird die Welt sicherlich mit anderen
Augen erleben dürfen! „Sonnentaler“ als Erinnerung ;-)
Beispiel hierfür:
-Sternenhimmel
-PCs
-Sonne
-Handys
-Universum
-Flugzeuge
-blauer Himmel
-Sport
-Gewitter
-Tiere / Pflanzen
-Kochen
-...
„Die Frage WARUM ist das so?“
 Der erste Schritt zum Verstehen !
5
2.0. Formelsalat
F(M) = m * g * aG / aM
m * g = F ; Arbeit = (F * h) ; Arbeit / Zeit = (F * h) / t = P
Wpot = m * g * h
FR= CR *FN
s = (a/2) * t²
t=
s*2  g
Geschwindigkeit = Weg / Zeit
Kraft (FK) mal Kraftarm (lK) ist gleich Last (FL) mal Lastarm (lL)
6
3.0. Wo ist die Physik im Alltag ?
 Das Ganze fängt morgens beim Aufstehen an und endet abends, wenn wir ins Bett
gehen und schlafen – oder ?
Falsch, selbst wenn wir schlafen, träumen und uns drehen, treten Kräfte auf, die
Erdanziehungskraft wirkt, wir geben Energie ab ...
Beispiel hierfür:
-gehen/rennen
-Treppe auf/ab
-sitzen in der Schule
-Hebelgesetze beim „Raufen“ 
-beim Trinken / Essen...
7
4.0. Wo ist die Physik im Sport ?
Sportarten:
-Fußball
-Diskus werfen
-Handball
-Kampfsport
-Basketball
-Motorsport
-Tennis
-Kugelstoßen
-Bogenschießen
-Speerwerfen
-Gewichtheben
-Hammerwerfen
-Hochsprung
-Weitsprung
-Marathon laufen
-Radfahren
-Sprinter (100 m, 200m, 500m, 1000m...)
-...
8
5.0. Das Hebelgesetz
 Ein Hebel ist ein mechanisches Kraftübertragungssystem,
bei dem Ursache Kraft und Wirkung (Last) in einer Ebene,
aber nicht auf einer Linie, liegen.
 Es ist in der Regel ein um eine Achse drehbarer, meist
starrer, stabförmiger Körper, an dem ein Gleichgewicht
herrscht, wenn die Summe der Drehmomente aller an ihm
angreifenden Kräfte Null ist.
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....5.0. Das Hebelgesetz....

Hebelgesetz
 Hebel dienen der Kraftübertragung und ermöglichen große
Kraftwirkungen mit geringem Aufwand.
 Je größer dieser Abstand, desto größer die Drehwirkung der
angreifenden Kraft.
 Kraft (FK) mal Kraftarm (lK) ist gleich Last (FL) mal Lastarm (lL)
 Dies gilt nur, wenn die Kräfte im Winkel von 90° angreifen.
Ist der Winkel verschieden von 90°, so müssen die Kräfte in die
einzelnen Komponenten zerlegt werden, und nur die
Komponente, die rechtwinklig vom jeweiligen Arm wegzeigt, geht
in die Rechnung ein.
10
5.1. Wozu braucht man Hebel
 Ein Hebel ist einer der wichtigsten Kraftwandler. Er dient, wie
alle mechanischen Maschinen dazu, Arbeit zu erleichtern,
nicht zu sparen.
 Denn die zu leistende Arbeit bleibt nach der Formel:
A = F * S gleich. Das heißt, eingesparte Kraft geht auf
Kosten des Weges, die zu leistende Arbeit wird keineswegs
weniger.
 Goldene Regel der Mechanik
 Wählt man den Lastarm entsprechend kurz gegenüber dem
Kraftarm, so ist man mit einem Hebel in der Lage, große
Lasten mittels einer vergleichsweise geringen Kraft zu
bewegen.
11
5.2. Hebel am Fahrrad
 Auftrag 1:
1. Testet wie weit ihr mit genau einer Tretkurbelumdrehung
fahren könnt. Vergleicht die Wege im größten Gang (S1) und
im Kleinsten Gang (S2)!
2. Zählt die Zähne der Zahnkränze auf dem Kranz vorne (a), auf
dem kleinsten Kranz hinten (b) und auf dem größten Kranz
hinten (d)!
3. Bildet die Quotienten Q1= a/b und Q2 = a/d.
Vergleicht Q1/Q2 mit dem Verhältnis der zuvor gemessenen
Wege S1/S2!
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5.3. Hebel am Fahrrad
 Auftrag 2:
1. Hängt an die Tretkurbel eines aufgebockten Fahrrades ein 5
kg-Gewicht (Fg=50N). Messt mit einem Federkraftmesser die
Kraft am Hinterrad
a) im größten Gang (F1),
b) im Kleinsten Gang (F2)!
2. Bildet das Verhältnis der beiden Kräfte F1/F2 und vergleiche es
mit dem Verhältnis S2/S1 aus dem ersten Auftrag!
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5.4. Hebel am Fahrrad
Auswertung:
Auftrag 1:

1
Eine Tretkurbeldrehung entspricht 5 Hinterraddrehungen
(Beim größten Gang).
Eine Tretkurbeldrehung entspricht 1.6 Hinterraddrehungen
(Beim kleinsten Gang).

2
a = 38
b = 11
d = 33

3
Q1 = a/b = 38/11 = 3.45
Q2 = a/d = 38/33 = 1.15
Q1/Q2 = 3
S1/ S2 = 3.12
Q1/Q2 =S1/S2
14
5.5. Hebel am Fahrrad
Auswertung:
 Auftrag 2:

1
a)
10N
b)
35N
Beim kleinsten Gang (größter Hinterer Ritzel) kann man mit
einem Gewicht von 5Kg eine Kraft von 35N am hinteren Rad
erreichen.

2
F1/F2 = 10/35 = 0.29
S2/S1 =0.3
F1/F2 = S2/S1 oder F1*S1 = F2*S2 (goldene Regel der Mechanik)
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5.6. Die Goldene Regel der Mechanik am
Fahrrad
 Auftrag 3:
Erklärt die „Goldene Regel“ der Mechanik
am Beispiel des Fahrrads!
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5.6. Die Goldene Regel der Mechanik am
Fahrrad
 Die Goldene Regel der Mechanik lautet:
 Was an Kraft gewonnen wird, geht an Weg verloren.
 Sie vernachlässigt Reibungsverluste und folgt aus dem
Energieerhaltungssatz, da die mechanische Energie
(Arbeit) das Wegintegral der Kraft ist.
Das Produkt aus Kraft und Weg. Also bleibt die Arbeit
gleich.
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5.7. Hebel in Bewegung: Das Fahrrad
F3
F2
F1
r1
r3 r4
r2
F4
Mit Hilfe des Hebelgesetzes kann man die Kraft F2 am
vorderen Zahnrad bestimmen:
F2 = (F1 * r1) / r2
Von der Kette wird die Kraft F2 übertragen:
F3 = F2
Mit Hilfe des Hebelgesetzes kann man die Kraft F4 am
Hinterrad bestimmen:
F4 = (F3 * r3)/r4 = (F2 * r3)/r4 = F1 * ((r1 * r3)/(r2 * r4))
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6.0. Die Physik beim Fahrrad
Man findet auch andere diverse Anwendungen der Physik am
Fahrrad .
Des weiteren möchten wir feststellen, welche physikalischen
Ereignisse an den Einzelteilen des Fahrrads noch existieren.
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6.1. Akustik beim Fahrrad
 Dies ist bei der Klingel zu finden,
dabei wird durch ein
Zahnradmechanismus das
Metallgehäuse der Klingel
angeschlagen, womit man
Schallzeichen akustisch bemerkbar
macht.
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6.2. Optik beim Fahrrad
 Dieses ist bei den Reflektoren, Katzenaugen, Strahlern zu
beobachten. Dabei wird die Funktionsweise des sog. Tripelspiegels
(3 zueinander senkrechte spiegelnde Flächen (Bild1) ausgenutzt.
Das eingestrahlte Licht wird zum Ausgangspunkt zurück geworfen.
Bild1
21
6.3. Elektrik beim Fahrrad
 Dies ist
a) beim Dynamo als elektrische Energiequellen zur Umwandlung
vom mechanischer Energie in elektrische Energie zu sehen.
b) beim Fahrradscheinwerfer als ein geschlossener Stromkreis zu
sehen. Falls Fahrrad (Bild 1) nur mit einem Kabel an Dynamo
angeschlossen ist, dient der Rahmen als zweite Verbindung (Bild2).
Wobei es sich um eine Parallelschaltung handelt.
Bild1
Bild2
22
6.4. Druck / Rollreibung
 Dies ist bei den Reifen zu sehen. Dabei ist ein sog. Rollwiderstand
(Rollreibung) zu überwinden, der wiederum vom Durchmesser und
Typ des Rades abhängt und vom Luftdruck. Es gilt dabei für den
Rollwiderstand:
FR= CR *FN
FR= Kraft zum Rollen
FN= Normalkraft
CR= Rollwiderstandskoeffizient
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6.4. Druck / Rollreibung
 In der Tabelle sieht man einige Rollreibungswerte bei verschiedenen
Materialtypen und Luftdrücken zu sehen
 Versuch:
Welche Kräfte braucht man um ein
Fahrrad bei gleicher Normalkraft mit
unterschiedlichen Luftdrücken
1.Silkreifen bei 3 bar
2.Silkreifen bei 5 bar
zum rollen zu bringen?
Reifent
yp
b,d
(in mm)
Rollwiderstandskoeffizient
bei 3
bar
bei 4
bar
bei 5
bar
SlikReifen,
breit
32, 622
0,0051
3
0,0036
1
---
SlikReifen,
mittel
28, 622
0,0059
6
0,0040
2
0,0034
9
SlikReifen,
schmal
20, 622
---
0,0047
7
0,0037
6
Profilre
ifen
37, 622
0,0054
5
0,0040
6
---
Tour
de SolReifen
47, 305
0,0066
9
0,0043
6
0,0037
8
Tabelle
24
6.4. Druck/Rollreibung
b,d
Reifentyp
(in mm)
Rollwiderstandskoeffizient
bei 3 bar
bei 4 bar
bei 5 bar
Slik-Reifen,
breit
32, 622
0,00513
0,00361
Slik-Reifen,
mittel
28, 622
0,00596
0,00402
0,00349
Slik-Reifen,
schmal
20, 622
0,00477
0,00376
Profilreifen
37, 622
0,00545
0,00406
Tour de SolReifen
47, 305
0,00669
0,00436
---
---
---
0,00378
Rechnung 1:
Rechnung 2:
geg.:
FN = 900 N
CR1 = 0,00596
geg.: FN = 900 N
CR2 = 0,00349
FR = CR1 * FN
FR = 5.364 N
FR = CR2 * FN
FR = 3.141 N
25
6.4. Druck/Rollreibung
Ergebnisse:
 Der Einfluss des Luftdrucks ist sehr groß, dabei sieht man das ein
Rad mit prall gefüllten Reifen deutlich schneller laufen würde.
 Bei identischem Luftdruck (und ähnlichem Komforteindruck beim
Fahren) rollen breite Reifen eher leichter als schmale.
Allerdings lassen sich schmale Reifen auch stärker aufpumpen
als breite.
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6.5. Haftreibung

Eine andere Reibung tritt auf bei den Bremsen um den Bremsvorgang
zu ermöglichen. Dabei nehmen die Bremsklötze die Felge in die Zange.
 Je genauer die Auflageflächen einander angepasst werden, desto
stärker die Reibung - desto höher die Bremskraft, wie im Bild zu
sehen.
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7.0. Was kein ein Sportler leisten ?
Es wir unterschieden nach „Ausdauerleistung“ und nach „kurzzeitiger Leistung“ !

ein sportlicher Mensch kann kurzzeitig bis zu 1 KW leisten

längerfristig gesehen (einige Minuten) bis 400 W

Faustformel der Pulsfrequenz = 180 – Lebensalter (Herzschläge/Sek.)
 Arme
und Beine dienen als Hebel (physikalisch gesehen)
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...7.0. Was kann ein Sportler leisten ?...
 Es
ist leicht möglich, die Kraft FM im Oberarmmuskel zu
errechnen, die benötigt wird, um eine z.B. 2 kg schwere Kugel zu
halten.
F(M) = m * g * aG / aM
F(M) = 2 Kg * 10 m * 0,35 m = 58,3 N
s² * 0,12 m
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7.1. Persönliches Leistungsvermögen
 Eine Anzahl von freiwillige Schüler werden heute ihr persönliches
Leistungsvermögen testen/ermitteln
Versuch:
 Die Schüler laufen die Treppe einzeln von unten (EG) bis hier in das 2. OG . Wir
stoppen genau die Zeit.
Rechnung: Leistung „P“ (in Watt [W] )
m * g = F ; Arbeit = (F * h) ; Arbeit / Zeit = (F * h) / t = P
-P(Schüler 1) = m * g * h = 50 kg * 10m * 7m = 292 kg m² = 292 W
t (Zeit)
-P(Schüler 2) = .....
12 s
s²
s³
30
...7.1. Persönliches Leistungsvermögen...
Leistungstabelle
Körpergewicht in "kg" :
Höhenunterschied "h" :
Zeit in s :
Leistung "P" in Watt :
"Rang" :
Schüler 1
50
7
12
292
2
Schüler 2
45
7
10
315
1
Schüler 3
Schüler 4
Schüler 5
 ohne körperliche Anstrengung leistet ein Mensch ca. 75 Watt [W]
(z.B. Atmung, Pumpen des Blutes...)
 Aus sicht der Mediziner „Grundumsatz“
31
................Danke!!!!!!!!!
   Danke für eure Interesse!   
32
Literatur und Bilderquellen



Physik und Technik. Querschnitt. Pro, Dr.
Born.
www.wikipedia.de
Physik plus 9/10.Schülerbuch. Gymnasium.
Sachsen-Anhalt. Udo Backhaus…
33
ENDE
34