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Physik im Sport

Natur – physikalisch gesehen

Essen Sommersemester 2006

Gruppenteilnehmer:Hüseyin Can Küres 2218494

Mehmet Kanat 1467765

Ridoin Ourraoui 1533365

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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.

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Inhaltsverzeichnis:

1.0 Was sollte ich über die Physik wissen und warum ?2.0 Formelsalat3.0 Wo ist die Physik im Alltag ?4.0 Wo ist die Physik im Sport ?5.0 Das Hebelgesetz5.1 Wozu braucht man Hebel5.2 Hebel Am Fahrrad: Auftrag 15.3 Hebel Am Fahrrad: Auftrag 25.4 Hebel Am Fahrrad: 1 Auswertung 5.5 Hebel Am Fahrrad: 2 Auswertung

Vorwort

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...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

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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 !

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2.0. Formelsalat

Geschwindigkeit = Weg / Zeit

gs 2*t=s = (a/2) * t²

Wkin = m x*v² / 2

-P(Schüler 1) = m * g * h

t (Zeit)

Wpot = m * g * h

FR= CR *FN

Kraft (FK) mal Kraftarm (lK) ist gleich Last (FL) mal Lastarm (lL)

F(M) = m * g * aG / aM

m * g = F ; Arbeit = (F * h) ; Arbeit / Zeit = (F * h) / t = P

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3.0. Wo ist die Physik im Alltag ?

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...

Das Ganze fängt morgens beim Aufstehen an und endet abends, wenn wir ins Bett gehen und schlafen – oder ?

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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...)

-...

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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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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.

....5.0. Das Hebelgesetz....

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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.

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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 FahrradAuswertung:

Auftrag 1:

1 Eine Tretkurbeldrehung entspricht 5 Hinterraddrehungen (Beim größten Gang).

Eine Tretkurbeldrehung entspricht 1.6 Hinterraddrehungen (Beim kleinsten Gang).

2 a = 38b = 11d = 33

3 Q1 = a/b = 38/11 = 3.45Q2 = a/d = 38/33 = 1.15Q1/Q2 = 3S1/ S2 = 3.12

Q1/Q2 =S1/S2

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5.5. Hebel am FahrradAuswertung:

Auftrag 2:

1 a) 10Nb) 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 = 0.29S2/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

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))

F1

F2 F3

F4r1 r2 r4r3

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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

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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

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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 mitunterschiedlichen Luftdrücken

1.Silkreifen bei 3 bar2.Silkreifen bei 5 bar

zum rollen zu bringen?

Reifentyp

b , d

Rollwiderstandskoeffizient(in mm)

   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 Sol-Reifen 47, 305

0,00669

0,00436

0,00378Tabelle

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6.4. Druck/Rollreibung

Rechnung 1: Rechnung 2:

geg.: FN = 900 N geg.: FN = 900 NCR1 = 0,00596 CR2 = 0,00349

FR = CR1 * FN FR = CR2 * FNFR = 5.364 N FR = 3.141 N

Reifentyp

b , d

Rollwiderstandskoeffizient(in mm)

    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 Sol-Reifen 47, 305 0,00669 0,00436 0,00378

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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) 12 s s² s³

-P(Schüler 2) = .....

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...7.1. Persönliches Leistungsvermögen...

Leistungstabelle

Schüler 1 Schüler 2 Schüler 3 Schüler 4 Schüler 5Körpergewicht in "kg" : 50 45Höhenunterschied "h" : 7 7

Zeit in s : 12 10Leistung "P" in Watt : 292 315

"Rang" : 2 1

ohne körperliche Anstrengung leistet ein Mensch ca. 75 Watt [W] (z.B. Atmung, Pumpen des Blutes...)

Aus sicht der Mediziner „Grundumsatz“

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................Danke!!!!!!!!!

Danke für eure Interesse!

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Literatur und Bilderquellen

Physik und Technik. Querschnitt. Pro, Dr. Born.

www.wikipedia.de Physik plus 9/10.Schülerbuch. Gymnasium.

Sachsen-Anhalt. Udo Backhaus…

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ENDE