Kinematik und Kräfte im Sport

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Kinematik und Kräfte im Sport. Didaktik der Physik WS 2005/06 Marco Walser. Inhalt. Kräfte bei der Kniebeuge Kräfte bei der Kniebeuge am Knie Kräfte bei der Kniebeuge an der Hüfte Belastung der Wirbelsäule Skispringen Speerwurf Golfschlag Weitsprung. Kugelstoß Kräfte beim Tauchen - PowerPoint PPT Presentation

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  • Kinematik und Krfte im SportDidaktik der PhysikWS 2005/06Marco Walser

  • InhaltKugelstoKrfte beim TauchenEnergiebilanz beim SkifahrerStabhochsprungBungeejumpingSpeedskiArmbeugerDas Fugelenk des MenschenBelastung der Achillessehne

    Krfte bei der Kniebeuge Krfte bei der Kniebeuge am Knie Krfte bei der Kniebeuge an der HfteBelastung der WirbelsuleSkispringenSpeerwurfGolfschlagWeitsprung

  • KugelstoDer Kugelstoer Schlaumeier stt die Kugel mit einer Geschwindigkeit von 13,7 m/s aus einer Hhe von 1,80 m. Sein Trainer rt ihm, er mge sie etwa unter einem Winkel von 40,0 gegen die Horizontale wegstoen. Welche Weite erreicht er?geg.: yo = 1,80 m; vo = 13,7 m/s; = 40,0Zeit-Ort-Funktionen:y(t) = yo + vsin()t gt2; x(t) = vcos()tBestimmung der Fallzeit tf : y(t) = 0;0 = yo + vsin()tf gtf2;

    Bestimmung der Wurfweite xw:xw = vcos()tf ; xw = 13,7cos(40,0)1,98 m; xw = 20,8 m

    Simulation

  • KugelstoSchlaumeier erinnert sich schwach an den Physikunterricht. Dort hat er gelernt, dass der optimale Abstowinkel 45,0 sei. Prfen Sie durch Rechnung, ob das bei obiger Situation stimmt.geg.: yo = 1,80 m; vo = 13,7 m/s; = 45,0Rechnung wie oben, jedoch tf1 = 2,14 s und xw = 20,7 m Der optimale Wurfwinkel ist nur dann 45, wenn y0 = 0 ist!

  • KugelstoSimulation

  • Krfte beim TauchenEin Taucher soll sich in verschiedenen Wassertiefen ohne allzu groen Kraftaufwand im Schwebezustand halten knnen.

    1.Welche Krfte mssen sich im Schwebezustand die Waage halten? Die nach unten wirkende Gewichtskraft muss von der Auftriebskraft kompensiert werden.

    Welche, der in Teilaufgabe 1 genannten Krfte ist von der Tiefe abhngig? Die Auftriebskraft hngt von der Tiefe ab, da die Luft, die sich in der Ausrstung und in der Lunge befindet mehr oder weniger stark zusammengedrckt wird.

  • Krfte beim TauchenWelche Mglichkeit muss demnach bei einer Tauchausrstung vorgesehen sein?Damit sich der Taucher in verschiedenen Tiefen in der Schwebe befinden kann, muss die Auftriebskraft vernderbar sein. Eine sogenannte Tarierweste dient dem Ausgleich der Volumennderung z.B. des Neoprenanzuges, die dieser aufgrund wechselnder Tauchtiefen erfhrt.

  • Krfte beim TauchenDer Taucher schwebe in einer Tiefe von 15 m. Das Luftvolumen in seiner Weste, dem Neoprenanzug und der Lunge, das dem Schweredruck ausgesetzt ist, betrage 13 Liter. Ohne zu atmen begibt sich nun der Taucher durch Schwimmbewegungen in eine Tiefe von 16m. Welche resultierende Kraft (Betrag und Richtung) wirkt auf den Taucher in der neuen Tiefe? Was wird passieren, wenn sich der Taucher nun nicht mehr bewegt? Berechnung des Druckes in den Tiefen 15m und 16m: analog: pges,16 = 2,6 105 Pa Berechnung des Luftvolumens in der Tiefe 16m: p16 V16 = p15 V15 nderung der Auftriebskraft DFa:

    Die resultierende Kraft zeigt nach unten. Der Taucher wrde immer schneller weiter nach unten sinken.

  • Krfte beim Tauchen5.Was kann der Taucher tun, damit er ohne Kraft in 16 m Tiefe bleiben kann? Der Taucher muss die Auftriebskraft erhhen, indem er seine Tarierweste aufblst

    Welche Richtung hat die resultierende Kraft auf den Taucher, wenn er nicht um einen Meter tiefer, sondern um einen Meter hher geht.Die resultierende Kraft zeigt nach oben. Wrde er nichts unternehmen, so wrde er immer schneller nach oben tauchen, was u. U. ungesund ist.

    Die Gleichgewichtslage eines "austarierten" Tauchers wird als labil bezeichnet. Warum ist das gefhrlich?Die Folgen des labilen Gleichgewichtes wurden in den Teilaufgaben d. und f. angesprochen. Man muss also stndig auf der Hut sein. Wrde z.B. ein Taucher ohnmchtig, htte das schnelle Auf- oder Abtauchen fatale Folgen. Darum sollte man Tauchgnge nie alleine unternehmen.

  • Energiebilanz beim SkifahrerEin Skifahrer steht oben am Hang und fhrt diesen hinunter, dabei wandelt er die zuvor durch Lift oder Steigarbeit gewonnene potentielle Energie (violett) in kinetische Energie (rot) um. Ein Teil dieser kinetischen Energie wird durch Reibungsarbeit (orange) der gesamten mechanischen Energie (grn) entzogen. Ist der Skifahrer am Ende des Hangs, so hat er seine gesamte potentielle Energie verbraucht. Der Rest der mechanischen Energie ist reine kinetische Energie und wird durch Reibungsarbeit immer kleiner, bis der Skifahrer steht.

  • Energiebilanz beim Skifahrer1.Warum nimmt die potentielle Energie mit der Zeit nicht gleichmig ab?Die Abnahme der potentielle Energie nimmt mit der Zeit zu, da der Skifahrer schneller wird und dadurch pro Zeitintervall mehr Hhe verliert.

    2.Warum ist die Reibungsarbeit bei grerer Geschwindigkeit grer? Grund 1: Da der Skifahrer bei grerer Geschwindigkeit mehr Weg pro Zeit zurcklegt, ist die Reibungsarbeit im gleichen Zeitintervall bei grerer Geschwindigkeit grer auch wenn die Reibungskraft von der Geschwindigkeit unabhngig wre.Grund 2: Neben der Reibungsarbeit an der Skilaufflche, die nahezu unabhngig von der Geschwindigkeit ist bremst auch die Luftreibung (Luftwiderstandskraft) den Skifahrer, diese wchst mit zunehmender Geschwindigkeit.

  • StabhochsprungDer Weltrekord im Stabhochsprung liegt bei 6,14 m (Bubka, 31.7.1994). Diskutieren Sie, ob eine wesentliche Verbesserung dieses Wertes mglich ist.Antwort: 10 m wird wohl niemand jemals berspringen, aber ein paar Zentimeter hher geht es vielleicht ja doch noch. Begrndung: Sprinter erreichen Maximalgeschwindigkeiten von etwa v = 10 m/s. Wird die zugehrige kinetische Energie vollstndig in Lageenergie umgesetzt, so ergibt sich eine Hhendifferenz von h = v/2g = 5,1 m.

  • StabhochsprungDie Sprunghhe kann grer als 5,1m sein, weil der Schwerpunkt des Springers beim Absprung bereits rund 1m ber dem Boden liegt, der Schwerpunkt bei richtiger Krperhaltung sogar knapp unter der Latte durchgehen kann, mit Hilfe der Beinmuskeln beim Absprung und der Armmuskeln whrend der Aufstiegsphase hnlich wie bei einem Aufschwung am Reck die Lageenergie erhht werden kann.

    Die Sprunghhe kann aber auch kleiner als 5,1m sein, weil mit dem Stab die Laufgeschwindigkeit v = 10m/s nicht erreichbar ist, die Bewegungsenergie beim berqueren der Latte nicht gleich Null ist, also nicht die gesamte Bewegungsenergie in Lageenergie umgewandelt werden kann, der Stab mit einem Wirkungsgrad kleiner Eins einen Teil der Energie zwischenspeichert, ein Teil der Bewegungsenergie durch Reibung in Wrme umgesetzt wird.

  • BungeejumpingEin Bungee-Seil hat eine Federkonstante D=50 N/m.Wie lang muss dieses Gummiseil bemessen sein, wenn ein Springer (m = 70 kg) bei einem Sprung aus 100 m Hhe gerade noch ber dem Boden abgebremst werden soll? Vernachlssigen Sie dabei den Luftwiderstand und die Masse des Seiles. Nehmen Sie weiterhin an, dass fr den Dehnungsvorgang des Gummiseiles das Hookesche - Gesetz (F = -Dx) gltig sei. (g = 9,81 ms-2.)

  • SpeedskiDie Sportart Speedski gibt es seit 1930, damals lag der Rekord bei 128 km/h. Rund 200 Lufer weltweit betreiben heute diese Sportart, darunter auch Frauen. Deren Weltrekord steht bei 234 km/h. Eine Streckenlnge im Wettbewerb betrgt rund 800 Meter plus weitere 800 Metern zum Abbremsen. Der Start erfolgt von einem Turm, hnlich wie beim Skispringen. Auf 50 Metern wird die Geschwindigkeit gemessen. Im Folgenden ist ein Artikel von P. Ehrenberg wiedergegeben (DIE WELT vom 11. Mrz 2000). Lesen Sie sich diesen Artikel durch und beantworten sie anschlieend die Fragen.

  • SpeedskiLyon - Die auf Bahnhfen stets anzutreffenden Miggnger setzten verdutzt die Bierdosen ab ...Vor dem franzsischen Hchstgeschwindigkeits-Zug TGV posierte Harry Egger. Der 34 Jahre alte sterreicher ist Weltrekordhalter im Speedski. Mit 248,105 km/h raste EGGER im vergangenen Jahr einen Hang in Les Arcs hinunter und war damit schneller als der TGV, der die Strecke von Paris nach Lyon mit 245 km/h befhrt. Ab Sonntag will EGGER in den franzsischen Sdalpen oberhalb von Vars die magische 250-km/h-Grenze knacken - beim Wettbewerb Red Bull Ultimate Limit konkurriert er mit 30 weiteren Speedskifahrern. Die Clique erfreut sich eines zweifelhaften Rufes: Sie gilt als Ansammlung lebensmder Draufgnger ohne Knautschzone.

  • SpeedskiDem widerspricht, wie akribisch sich Egger, der diese Extremsportart seit 1987 betreibt, auf seine Rekordversuche vorbereitet. Zwei Jahre dauerte die Entwicklung seiner Rennkleidung, die rund 300 000 Mark kostete und an deren Herstellung mit dem Aerodynamiker Gerge Bienz auch ein ehemaliger NASA-Ingenieur beteiligt war. Vom Knie bis zu den Stiefeln trgt er Karbonfiberglas-Spoiler, die in ihrer Seitenansicht an Flugzeugflgel erinnern. ...Der ansonsten 108 Kilogramm schwere Osttiroler wiegt dann 130 Kilo. Inklusive des Helms aus Kevlar, der ihn allerdings kaum schtzt: Das knnte nur eine Lederkombi und ein Vollvisierhelm, aber dann wre ich zu langsam, rumt Egger ein.

    Zwei Mal in seiner Karriere strzte der tollkhne Artist, der gerne von einem Startturm und bei einem Geflle von 100 Prozent am Berg Richtung Tal rast, schwer: 1992 beim Demonstrationswettbewerb whrend der Olympischen Winterspiele in Albertville und 1995. Auf wundersame Weise erlitt Egger dabei keine Knochenbrche. Schmerzhaft waren die Verletzungen dennoch: Ich hatte Verbrennungen dritten Grades. ...

  • SpeedskiKeinen Gedanken verschwendete er darum je an das Aufhren. Wenn seine 192 Zentimeter Krpergre beim Speedskilauf geduckte 65 Zentimeter zusammen schrumpfen und er in weniger als sieben Sekunden auf 200 km/h beschleunigt - ein Wert, den nicht einmal ein Porsche 911 erreicht -, dann bist du in einer anderen Welt, schwrmt EGGER, du denkst, du fliegst, und es ist trotzdem der stillste Moment in deinem Leben. ...

  • SpeedskiWie gro ist die kinetische Energie von Harry Egger, wenn er seine Weltrekordgeschwindigkeit von 248 km/h erreicht? Welchen Hhenunterschied wrde er zurcklegen, wenn er vllig reibungsfrei fahren