Vortrag auf der DPG-Tagung des Fachauschusses ‘Didaktik der Physik’ am 10.3.1997 in Berlin |
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| Als nächstes Objekt möchte ich sogenannte ‘Salto-rückwärts-Spielzeuge’ zeigen (Abb. 15a, b). In einen Frosch ist eine kleine Feder eingebaut. Drückt man ihn zusammen und läßt los, vollführt er einen kompletten Salto rückwärts. Bei einem Känguruh ist ein ingeniöser Federmechanismus enthalten, der das Tier zu mehreren Saltos hintereinander veranlaßt. Ob Frösche und Känguruhs auch in Wirklichkeit solche akrobatischen Leistungen vollbringen, habe ich nicht herausbekommen.
Mit einer Videokamera läßt sich so ein Salto rückwärts festhalten. Über eine entsprechenden Zusatzkarte kann man die Bilder dann einzeln bzw. als Videosequenz in einen Rechner laden und mit Hilfe von Bildbearbeitungsprogrammen bzw. mit Multimediaprogrammen analysieren. Auf diese Weise läßt sich die Bewegungskurve des Schwerpunkts verfolgen und die Erdbeschleunigung ermitteln (Abb.16). In weiteren Messungen kann man die Masse, die Absprungkraft, die Sprunghöhe, das Trägheitsmoment, die Winkelgeschwindigkeit ermitteln und durch Anwendung einfacher Formeln die potentielle Energie und die Rotationsenergie berechnen [6]. Ein Salto rückwärts gehört zum Standardrepertoire eines guten Turners. Er läßt sich in ähnlicher Weise aufnehmen und analysieren. Der Vergleich zwischen Spielzeug und sportlicher Betätigung ergibt deutliche Unterschiede: Das Trägheitsmoment des Spielzeugs bleibt konstant, dasjenige des Menschen verändert sich während des Fluges in charakteristischer Weise. Mit Hilfe spezieller Programme [7] wird in Sportinstituten [8] eine genaue Analyse derartiger sportlicher Bewegungen durchgeführt und auch die dahinter steckenden physikalischen Probleme bearbeitet.
Abb. 17: Mit Videokameras werden sportliche Aktivitäten aufgenommen und in den Computer hineingespielt. Mit dem Programm SIMI-Motion [7] können daraus Strichmännchen-Darstellungen erstellt werden. Hier ist das für einen Salto rückwärts gezeigt. Die Zahlen unter den Bildern stellen die Nummern der Halbbilder der ausgewerteten Videosequenz dar. Die Bilder haben einen Zeitabstand von 0,1s (= 5x20ms). Der kleine, runde Kreis in der Mitte ist der auf Grund von Modellannahmen berechnete Körperschwerpunkt. Der Pfeil stellt die jeweils auf den Boden wirkende, gemessene Kraft dar. Die Masse des Turner betrug 73kg; damit läßt sich der Pfeil skalieren, da beim ersten Bild nur die Gewichtskraft des Turners wirkt. Bei der in Abb. 17 dargestellten Strichmännchen-Darstellung eines realen Saltos eines Menschen erkennt man an dem nach oben weisenden Kraftpfeil, daß sich zu Beginn das scheinbare Gewicht etwas verringert, weil der Turner schnell beschleunigt in die Knie geht. Dann allerdings stößt er sich mit den Beinen ab und erzielt dadurch eine hinreichend große Beschleunigung, um vom Boden zum freien Flug abzuheben. Beim Wiederauftreffen auf den Boden muss er eine relativ große Verzögerung ‘erleiden’, die etwas mehr als dem Doppelten der Erdbeschleunigung entspricht. Diese verbale Beschreibung findet Ihren Niederschlag in der quantitativen Auswertung, wie sie in Abb. 18 wiedergegeben ist. Dort sind die Höhe des Körperschwerpunkts über dem Boden und die vertikale Beschleunigung in Abhängigkeit von der Bildnummer dargestellt. Der Schwerpunkt erhebt sich bloß um 50cm über die Ruhelage beim Stehen. Die Beschleunigung geht kurz vor dem Abheben deutlich hoch. Während der Freiflugphase des Körpers sollte sie eigentlich konstant -10ms-2 betragen. Das ist hier aber auf Grund einer begrenzten Auswertegenauigkeit nicht der Fall.
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