Techniklexikon

Sport und Sportgeräte

Physik im Alltag, wie Spiele und Spielzeug ein Bereich der Alltagsphysik, wobei zu unterscheiden sind die Physik des Sport treibenden Menschen und der dabei benutzten Geräte. Es folgen exemplarisch physikalische Fachgebiete und -begriffe, die für zahlreiche Sportarten bedeutsam sind, sowie einige physikalisch oder sportlich besonders interessante Einzeleffekte.

1. Die Biomechanik des Bewegungsapparates ist zentral für ein Verständnis der wirkenden Kräfte und Belastungen des Sport treibenden Menschen. Die Muskelkraft folgt dem Modell von Hill (Nobelpreis für Medizin 1922, siehe Abb. 1):

(f, v: Kontraktionskraft und -geschwindigkeit; f_m » 50 N / cm², f₀ » 0,15-0,3 f_m, v₀  » 2,5 m / s: Materialkonstanten für den Menschen, abhängig von Innervationsaktivität; angegeben sind typische Werte für maximale Willküraktivität). Aus der Hill-Beziehung folgen für verschiedene Sportarten relevante Maximalwerte mechanischer Grössen (siehe Tab.).

Die Belastungen in der nichtelastischen und nichtlinearen kinematischen Kette Mensch stellen ein höchst komplexes Problem dar. Immerhin sind grobe, aber nützliche Abschätzungen möglich: z.B. ist die Belastung beim Aufsprung

 

(m: Körpermasse ca. 75 kg, g: Erdbeschleunigung, h: Sprunghöhe, t_B: Abbremszeit, ca. 10 ms); mit den angegebenen typischen Werten kommt man auf mehrere 1 000 N, die auch im Experiment gefunden werden (siehe Abb. 2). Bezogen auf die Gelenkflächen (z.B. Knie 800 mm²) ergeben sich Spannungen von einigen N / mm², die mit der Beanspruchungsgrenze für Knorpelgewebe von 10 N / mm² zu vergleichen sind.

2. Die Aerodynamik trägt u.a. mit folgenden Begriffen zu einem Verständnis von zahlreichen Sportgeräten bei: Der Auftrieb z.B. beim Bumerang, Diskus, Frisbee und Segeln; der Magnus-Effekt (»angeschnittene Bälle«) bei Golf, Fussball, Tennis, Tischtennis; die Luftreibung bei allen genannten Sportarten (Beispiel Golf: Alltagsphysik).

3. Den Drehimpulserhaltungssatz braucht man zur Erklärung von Pirouette und Salto (die Verringerung des Trägheitsmomentes erzwingt eine Zunahme der Winkelgeschwindigkeit), der Stabilität bei Diskus, Frisbee und Fahrrad und der Flugbahn beim Bumerang.

4. Einzeleffekte: Für das Tauchen und Bergsteigen wesentlich ist die Druckadaption bei Lebewesen. Die geringe Reibung beim Schlittschuhlaufen beruht im allgemeinen nicht auf der Dichteanomalie des Wassers; nach der Clausius-Clapeyron-Gleichung ist

(v, q: spezifische Volumina bzw. Schmelzwärme; W, E: Wasser, Eis), d.h. Druckschmelzen kann bei typischen Drücken einer Kufe von einigen 100 bar nur bei Eistemperaturen bis wenige Grad unter Null auftreten; darunter wirken im einzelnen unbekannte Veränderungen der Grenzflächenstruktur von Eis.

Sport und Sportgeräte 1: Die Hillsche Kraft-Geschwindigkeitsrelation am Beispiel des menschlichen Bizeps.

Sport und Sportgeräte 2: Vertikalkraft im menschlichen Bein beim Aufsprung aus 10 cm Höhe.

Sport und Sportgeräte: Maximalwerte dynamischer Grössen für verschiedene Sportarten nach dem Hillschen Modell (Bezeichnungen siehe Text).

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