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Physikalische Aspekte verschiedener Sportarten

Beispiele für den Physikunterricht

Physikalische Aspekte verschiedener Sportarten
Über dieses Buch

Staatsexamensarbeit von Michael Olteanu

Einleitung:

Die vorliegende Examensarbeit versucht, in erster Linie eine Auswahl physikalischer Sachverhalte und Modelle zusammen zu stellen, die für sportliche Aktivitäten einerseits und die Funktionsweise sportlicher Geräte und Hilfsmittel andererseits von Bedeutung sind. Diese Zusammenstellung soll Lehrern1 als fachlicher Hintergrund und Inspirationsquelle für mögliche Unterrichtsinhalte dienen. Dabei ziele ich insbesondere auf die Anwendung und den Transfer der im Physikunterricht erworbenen Fähigkeiten und Kenntnisse sowie auf die fächerübergreifende und fächerverbindende, vernetzte Behandlung einer komplexen Aufgabenstellung im Unterricht der gymnasialen Oberstufe. Die Hauptaufgabe der Arbeit besteht daher nicht in der Gewinnung neuer, grundlegender Erkenntnisse, sondern vorwiegend in der Überprüfung der Anwendbarkeit von bestehenden Theorien und vorhandenem Grundwissen zum Problem der physikalischen Betrachtung verschiedener Sportarten.

Als Physik-Student und jahrelang praktizierender Sportler ist es meine feste Überzeugung, dass zum gründlichen Verständnis des Bewegungsgeschehens im Sport das Denken in Begriffen der Physik – insbesondere der physikalischen Mechanik – unentbehrlich ist. Andererseits – aus der Sicht des Physiklehrers – stellt gerade die fächerverbindende Betrachtung und Behandlung der physikalischen Aspekte des Sports allgemein eine Bereicherung für den Physik-Unterricht dar.

Gang der Untersuchung:

Im ersten Teil werden nacheinander die Motivationsaspekte für dieses Thema, eine kurze geschichtliche Entwicklung der Physik des Sports sowie verschiedene physikalische Aspekte am Beispiel einiger Sportarten dargelegt. Die Einteilung der Themen erfolgt nicht nach physikalischen Gesichtspunkten, sondern themenorientiert nach Sportarten. Dabei bemühe ich mich, jedes Thema so aufzuarbeiten und darzustellen, dass es für jedermann und nicht nur für den Physiker verständlich ist. Ich denke da insbesondere an Sportlehrer, Trainer sowie interessierte Sportler, die dadurch ein besseres Verständnis für ihre Sportart gewinnen können.

Diese themenorientierte Behandlung entspricht nicht dem Lehrplanablauf des Physikunterrichts in der Schule. Die ausgewählten Themen können jedoch wahlweise als Ergänzung für den Unterricht verwendet werden. Im zweiten Teil der Arbeit beschäftige ich mich mit den Möglichkeiten der Behandlung des Sports im Physikunterricht. Nach einigen didaktischen Überlegungen werden anschließend Kontextvorschläge erarbeitet, anhand derer der Physikunterricht gestaltet werden kann. Dabei habe ich mögliche Arbeitsaufträge aufgelistet, die den Schülern erteilt werden können. Diese können sowohl Freihandexperimente im Physikunterricht als auch Übungen im Sportunterricht sein. Diese Beispiele können zusätzlich einen Anstoß zum Start eines fächerübergreifenden Projektes sein.

Inhaltsverzeichnis:

EINLEITUNG 4
1. PHYSIK UND SPORT – MOTIVATIONSASPEKTE 6
2. DIE ENTWICKLUNGSGESCHICHTE DER PHYSIK DES SPORTS 9
2.1 DIE ANTIKE 9
2.2 DAS MITTELALTER 11
2.3 DIE MODERNE ZEIT 12
3. PHYSIKALISCHE ASPEKTE BEIM STEHEN, GEHEN, LAUFEN UND SPRINGEN 14
3.1 STEHEN 15
Das Modell des starren Körpers 16
Die Gleichgewichtsregulierung 19
Das Modell des invertierten Pendels 20
Drehmoment und Hebelgesetz 21
Grenzen des Modells 24
3.2 GEHEN 27
Drehmomente und Stabilität 27
Die Fortbewegung des Körpers 29
Die Physikalische Arbeit 30
Gehen als Sportart 33
3.3 LAUFEN 36
Der Start 36
Die Laufgeschwindigkeit 38
Kann man Weltrekorde vorhersagen? 40
Vergleich zwischen Theorie und Beobachtungen 47
Grenzen des theoretischen Modells von Keller 49
3.4 SPRINGEN 50
Bestimmung der Sprungkraft – einfaches Verfahren 50
Bestimmung der Sprungkraft – genaueres Verfahren 52
Kraft und Technik beim Hochsprung 55
Gibt es eine bessere Hochsprungtechnik? 58
Der Weitsprung 61
Die Maximale Sprungweite 63
4. PHYSIKALISCHE ASPEKTE BEIM KLETTERN 66
4.1 KRAFTWANDLER BEIM KLETTERN 66
Der feste Karabiner (Selbstseilrolle) 67
Der lose Karabiner (lose Rolle) 68
Der Schweizer Flaschenzug 69
Reibungsverluste 69
4.2 DIE SICHERUNG BEIM KLETTERN 70
Der Fangstoß 71
Die Wahl des richtigen Seils 73
Grenzen des vorgestellten Modells 74
5. PHYSIKALISCHE ASPEKTE DER FLUGBAHNEN VON WURFOBJEKTEN 76
5.1. KUGELSTOßEN 76
Die Wurfparabel 76
Der Abwurfwinkel 78
Die Abstoßgeschwindigkeit 79
Die Abwurfhöhe 81
Die Luftreibung 81
5.2. DAS BLASROHR 83
Äußere Ballistik 84
Innere Ballistik 85
5.3. ZUM FLUGVERHALTEN VON BÄLLEN 87
Der Golfball 87
Der Magnuseffekt 88
Weitere Anwendungen des Magnuseffekts 90
Tennis 90
Eckstoß beim Fußball 91
6. PHYSIKALISCHE ASPEKTE VERSCHIEDENER SPORTARTEN ALS THEMA IM PHYSIKUNTERRICHT 93
6.1. LERNZIELE UND LERNEN IM KONTEXT 93
6.2. DIDAKTISCHE ÜBERLEGUNGEN 97
Einordnung in den Lehrplan 97
Persönliche Bewertung des Lehrplans 99
6.3 ZUR SCHULISCHEN UMSETZUNG DES THEMAS „PHYSIKALISCHE ASPEKTE VERSCHIEDENER SPORTARTEN“ 102
Vorschlag für eine Unterrichtsreihe 103
Arbeitsaufträge für die Schüler 105
Arbeitsaufträge zur Schulung der Körperwahrnehmung 106
Arbeitsaufträge zum Thema Fortbewegung / Gehen 108
Arbeitsaufträge zur Arbeit und Energie am Beispiel des Gehens. 109
Arbeitsaufträge zum Thema „Laufen“ 110
Arbeitsaufträge zum Thema „Springen“ 112
Arbeitsaufträge zum Thema „Klettern“ 114
Arbeitsaufträge zum Kugelstoßen 115
Arbeitsaufträge zur Ballistik des Blasrohrs 116
Arbeitsaufträge zum Flugverhalten von Bällen 117
Abschließende Bemerkung zu den Arbeitsaufträgen 118
6.4 LEHRBUCHANALYSE 118
Fazit 120
7. RESÜMEE UND AUSBLICK 122
QUELLEN- UND LITERATURVERZEICHNIS 124

Automatisiert erstellter Textauszug:

Anlaufgeschwindigkeit von 9 m/s und einem Abflugwinkel von 20° nur ca. 5,30 m. Dieser Weitenverlust kann zum Teil durch eine gute Landetechnik kompensiert werden. In der Flugphase werden die Füße so weit wie möglich nach vorne geschleudert, der Körper wird über die Füße nach vorne bewegt, so dass die Fersen den ersten Abdruck im Sand hinterlassen. Zum anderen werden in der Endphase des Sprungs die Arme aktiv nach unten gesenkt. Nach dem dritten Newtonschen Gesetz bewirkt die Senkung der Arme (actio) eine leichte Anhebung des Rest des Körpers, insbesondere der Beine (reactio). Diese leichte Anhebung von ca. 6 cm bewirkt eine Verlängerung der Weite um 10 bis 15 cm48 . [...]

maximieren, so würde dieser flache Absprung eine geringe Flugweite W2 erzeugen und das Ziel wäre verfehlt. Auch für die Teilstrecke W4 können keine Formalismen angegeben werden, da diese Landepositionsweite von den koordinativen Fähigkeiten des Athleten abhängt. Eine zu große Konzentration auf die Körperhaltung im Landeanflug, um die Teilweite W4 zu maximieren, würde möglicherweise zu einer Vernachlässigung der Körperhaltung in der Absprung und Flugphase führen. Da es nicht möglich ist, eine optimale Strategie für die gesamte Weitsprungbewegung zu bestimmen, werde ich mich in diesem Abschnitt nur der Maximierung der Teilstrecke W2 widmen. Gleichung (8) drückt die Flugweite in Abhängigkeit vom Abflugwinkel und Geschwindigkeit aus: W2 = v0 2 ⋅ sin 2α 0 g [...]

Vorgehen ist jedoch in der Biomechanik ohne Informationsverluste nicht mehr möglich. Bei der Bildung eines Teilmodells gehen Informationen verloren, die sich nicht mehr additiv aus der Summe aller Teile wieder erhalten lassen. Diese ist eine der wesentlichen Schwierigkeiten in der Modellbildung im biologischen Bereich und es ist eine wichtige Aufgabe für den Lehrer, diese Schwierigkeiten aufzuzeigen und den Begriff des Modells klar zu definieren. Aus physikalischer Sicht kann man für das vorgestellte Modell folgende Aussage machen: Die Sprungweite W kann aus der Summe der 4 Teilweiten ausgerechnet werden. Allerdings fehlt in der vorgestellten Modellbildung ein wechselseitiger Zusammenhang zwischen den Teilweiten. Somit kann ohne weiteres keine Optimierungsstrategie ermittelt werden. Würde man z.B. versuchen über einen flachen Sprung die Absprungpositionsweite W1 zu [...]

Arbeit zitieren:
Olteanu, Michael Oktober 2001: Physikalische Aspekte verschiedener Sportarten, Hamburg: Diplomica Verlag

Schlagworte:
Sport und Physik, Unterrichtskontexte für Physik- und Sportunterricht, Arbeitsaufträge für den Schulunterricht, Angewandte Physik

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