3. NEWTONSCHE AXIOM- UMSETZUNG IM SPORTUNTERRICHT Autoren: Maren Hoffmann 2015 WWW.KNSU.DE Seite 1
Übersicht Fachwissenschaftlicher Hintergrund Bezug zum Sport Lehrplanbezug Praktische Experimente Arbeitsmaterial o Stationskarte - Experiment 1 (1) o Stationskarte - Experiment 2 (2) o Stationskarte - Experiment 3 (3) o Stationskarte - Experiment 4 (4) o Auswertungsbogen (5) Videos o Versuchsaufbau Experiment 2 (1) o Versuchsdurchführung (2) o Versuchsaufbau Experiment 4 (3) o Versuchsdurchführung (4) Quellenverzeichnis 2015 WWW.KNSU.DE Seite 2
Fachwissenschaftlicher Hintergrund In dem Fachgebiet der Dynamik werden die beobachteten Bewegungen auf ihre zugrunde liegenden Auslöser hin hinterfragt. Zu diesem Gebiet zählen auch die Newton'schen Axiome. Dazu formulierte Isaac Newton (1643-1727) auf Grundlage von Untersuchung von Galileo Galilei (1564-1642) die drei bekannten Newton'sche Axiome 1. Darunter zählen der Trägheitssatz, der Bewegungssatz und das Prinzip actio = reactio. "Wirkt auf einen Körper eine Kraft F, die in einem anderen Körper ihren Ursprung hat, so wirkt auf diesen anderen Körper eine gleich große entgegengesetzte Kraft" 2. Viele Situationen, die aus dem Sport bekannt sind, bestätigen diese Erkenntnis. Dies wird beispielsweise beim Kugelstoßen deutlich. So erfährt man eine Gegenkraft der Kugel nach hinten-unten, wenn man die Kugel nach vorne-oben beschleunigt. Daher ist es wichtig, dass man immer auch die Gegenkraft betrachtet, um sich wirkende Kräfteverhältnisse bewusst zu machen. So resultiert aus einem Absprung und der damit verbundenen Bremskraft eine genau entgegengesetzte Gegenkraft. In Bezug auf dieses Beispiel muss auch nochmals herausgestellt werden, dass ein Körper allein keine Kraftwirkung erfahren kann. Es braucht also immer einen zweiten Körper 3. Bezug zum Sport Das 3. Newton'sche Axiom, auch Wechselwirkungsgesetz genannt, ist Grundvoraussetzung, dass sportliche Bewegungen überhaupt möglich sind. Es besagt, dass jede actio mit einer gleichgroßen aber entgegengesetzten reactio verbunden ist. Dabei greifen actio und reactio stets an zwei verschiedenen Körpern an 4. Der Sprint in der Leichtathletik bedient sich auch dieses Prinzips. Um die Wechselwirkung noch zu verstärken, tragen die Sportler Spikes. Denn sie erzielen viel größere horizontale Kräfte gegen den Boden. Wie wichtig dies sein kann, kann ein Sportler erfahren, wenn er auf einer nassen Bahn mit rutschigen Sportschuhen so schnell wie möglich beschleunigen will 5. Beim Schwimmen beispielsweise bedient man sich dem Wechselwirkungsgesetz, um seinen Körper im Wasser anzutreiben. Durch den doppelten S-Zug der Arme in der Unterwasserphase des Armzugs beim Kraulschwimmen beispielsweise erzeugt der Schwimmer eine nach hinten gerichtete actio-kraft. Dadurch erfährt der Körper wiederum eine gleichgroße genau entgegengesetzte reactio-kraft und der Schwimmer bewegt sich somit fort 6. Das Wechselwirkungsgesetz wird sich im Sport auch zunutze gemacht, um eine sportliche Leistung zu optimieren. Hierzu zählen folgende Aspekte, die jeweils mit einem Beispiel erläutert werden. 1 Peters 2009, 16 2 Peters 2009, 19 3 Peters 2009, 19-20 4 Dorn 2001 5 Weineck 2009, 68 6 Dorn 2001 2015 WWW.KNSU.DE Seite 3
Zum einen kann eine Gegenbewegung eines oder mehrerer Körperteile dazu beitragen, den Körper im Gleichgewicht zu halten. Dies geschieht beim Laufen bzw. Gehen. Mit Vorbringen des rechten Beins wird der linke Arm nach vorne gebracht. Dies bewirkt eine Drehung der Hüft- und Schulterachse um die Körperlängsachse, die wiederum voneinander entgegengesetzt sind. Durch die gegenläufigen Pendelbewegungen bleibt der Körper stabil bzw. im Gleichgewicht 7. Zweitens kann eine Optimierung des Beschleunigungsverlaufs erzielt werden. Man betrachte sich hierzu den Handballschlagwurf. Der Spieler dreht hierzu die Wurfarmschulter zurück. Um nun eine Rotation des gesamten Oberkörpers um die Längsachse zu vermeiden, dreht der Spieler die Hüfte entgegengesetzt nach vorne. Die hier entstandene Verwringung des Körpers bewirkt eine Verlängerung des Beschleunigungswegs und eine Erhöhung der Anfangskraft, da die Rumpfmuskulatur optimal vorgedehnt wird 8. Ein weiterer Aspekt sind gegenläufige Teilbewegungen des Körpers in Flugphasen, die eine Optimierung der sportlichen Leistung erzielen können. Hierzu schaut man sich beispielsweise den Weitsprung in der Leichtathletik an. Nach dem Absprung ist die Flugbahn des Körperschwerpunkts festgelegt und nicht mehr beeinflussbar. Der Sportler kann jedoch seine einzelnen Körperteile zueinander vielfältig verändern. So führt der Weitspringer zur Vorbereitung einer optimalen Landung die sogenannte "Klappmesserbewegung" aus. Dadurch dass er den Oberkörper und die Arme nach unten senkt, werden die Beine nach dem Prinzip der Wechselwirkung stärker angehoben. Dies hat zur Folge, dass der Springer eine größere Weite erzielen kann 9. Lehrplanbezug Die Newton'schen Axiome werden laut Lehrplan Sport der Sekundarstufe II für das Land Rheinland-Pfalz hauptsächlich im Leistungskurs im Rahmen der Theorieeinheiten thematisiert. Diese sollen im Halbjahr 12/1 in der Thematik Bewegungslernen erlernt werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen unter dem biomechanischen Aspekt Kenntnisse der Struktur der zu erlernenden Bewegung erlangen. Dazu sind Grundlagen der Biomechanik und Analyse von Bewegungen aus biomechanischer Sicht im höchsten Maße relevant. Darunter zählen sportbezogene Begriffe und Gesetzmäßigkeiten der Mechanik. Im Gegensatz zur Physik soll im Sport Leistungskurs eine sportspezifische Betrachtungsweise, die es ermöglicht, eine vorrangig anschauliche Vermittlung des Zusammenwirkens der auftretenden Kräfte darzustellen, herangezogen werden 10. 7 Weineck 2009, 69 8 ebd. 9 Weineck 2009, 70 10 vgl. MBWW 1998, 109-110 2015 WWW.KNSU.DE Seite 4
Praktische Experimente Im Folgenden werden einige Experimente zum 3. Newton'schen Axiom vorgestellt. Die Medien sind so erstellt worden, dass sie sich gut in eine Unterrichtseinheit einbetten lassen. Dazu sind verschiedenste Herangehensweisen denkbar. Beispielsweise wird zuerst mithilfe der Medien gezeigt, wie das Experiment aufgebaut ist und was im Folgenden passieren soll. Anschließend können die SuS ohne Kommentar des Lehrers Vermutung aufstellen. Diese werden gesammelt und im nächsten Schritt erfolgt die Auflösung, die dann mithilfe des bislang erworbenen Wissens in einem Unterrichtsgespräch erklärt werden kann. Eine weitere Herangehensweise wäre die Umsetzung in eine Stationsarbeit. Denn die Experimente sind so gestaltet, dass sie sehr leicht in einer Unterrichtsstunde von den SuS selbst innerhalb einer Stationsarbeit durchgeführt werden können. Dazu können die Stationskarten und der Auswertungsbogen dienen, um einen gut organisierten Rahmen zu gewährleisten. 1-2 Experiment 1 Ein Rollbrett, eine Person, eine Hantelstange, eine Weichbodenmatte Eine Person steht vor einer Weichbodenmatte auf einem Rollbrett und hält eine Hantelstange in den Händen. Sie stößt die Hantelstange so von sich, dass sie auf der Weichbodenmatte landet. Experiment 1 Die Hantelstange fliegt auf die Weichbodenmatte. Die Person rollt mit dem Rollbrett von der Weichbodenmatte weg. Die actio-kraft ist das Werfen der Hantelstange auf die Matte. Die daraus resultierende reactio- Kraft ist das Fahren des Rollbretts weg von der Weichbodenmatte und somit genau entgegengesetzt gerichtet. Experiment 1 2015 WWW.KNSU.DE Seite 5
Experiment 2 Ein Rollbrett, eine Person, eine Bodenmarkierung, 1 Eine Person steht auf einem Rollbrett. Die Bodenmarkierung befindet sich genau unter dem Rollbrett. Die Person soll sich durch Bewegungen auf dem Rollbrett deutlich nach rechts über die Markierung bewegen. Experiment 2 Er schafft dies nicht. Er bewegt sich nur in unmittelbarer Nähe der Bodenmarkierung. Experiment 2 Die Person auf dem Rollbrett kann keine entgegengesetzte Kraft ausüben, um sich in Bewegung zu versetzen. Es muss stets eine weitere Kraft wirken, denn eine letztendlich wirksame Kraft ist nie allein. 2 Experiment 3 Zwei Rollbretter, zwei Personen, ein Seil Zwei Personen stehen sich jeweils auf einem Rollbrett gegenüber. Sie halten ein Seil in den Händen. Eine Person soll an dem Seil ziehen. Experiment 3 und 4 Beide Personen bewegen sich aufeinander zu. Person A übt eine actio-kraft aus und bewegt sich damit auf Person B zu. Über das Seil greift diese an Person B an. Somit erfährt Person B eine reactio-kraft und bewegt sich somit auch auf Person A zu. Experiment 3 2015 WWW.KNSU.DE Seite 6
Experiment 4 Zwei Rollbretter, zwei Personen, ein Seil, 3 Zwei Personen stehen sich jeweils auf einem Rollbrett gegenüber. Sie halten ein Seil in den Händen. Nun ziehen beide Personen an dem Seil. Beide Personen bewegen sich wieder aufeinander zu. Experiment 4 Die ist identisch zur in Versuch 2. Da sich die Rollbretter gleichmäßig aufeinander zu bewegen und sich in der Mitte treffen, kann festgehalten werden actio = reactio. 4 2015 WWW.KNSU.DE Seite 7
Stationskarte - Experiment 1 1 Führe das Experiment 1 durch. Person Rollbrett Hantelstange Weichbodenmatte Eine Person steht vor einer Weichbodenmatte auf einem Rollbrett und hält eine Hantelstange in den Händen. Sie stößt die Hantelstange so von sich, dass sie auf der Weichbodenmatte landet. Auswertung Was beobachtest du? Finde eine zu deiner. Notiere diese auf deinem Auswertungsbogen! 2015 WWW.KNSU.DE Seite 8
Stationskarte - Experiment 2 2 Führe das Experiment 2 durch. Person ein Rollbrett eine Bodenmarkierung Eine Person stellt sich auf das Rollbrett. Das Rollbrett sollte mittig auf der Bodenmarkierung stehen. Die Person soll versuchen sich auf dem Rollbrett ohne Berührung des Bodens oder einer anderen Person auf eine Seite der Bodenmarkierung zu bewegen. Auswertung Was beobachtest du? Finde eine zu deiner. Notiere diese auf deinem Auswertungsbogen! 2015 WWW.KNSU.DE Seite 9
Stationskarte - Experiment 3 3 Führe das Experiment 3 durch. Zwei Personen Ein Rollbrett ein Seil eine Bodenmarkierung Zwei Personen stehen sich jeweils auf einem Rollbrett gegenüber. Sie halten ein Seil in den Händen. Nun soll eine Person an dem Seil ziehen. Auswertung Was beobachtest du? Finde eine zu deiner. Notiere diese auf deinem Auswertungsbogen 2015 WWW.KNSU.DE Seite 10
Stationskarte - Experiment 4 4 Führe das Experiment 4 durch. Zwei Rollbretter ein Seil eine Bodenmarkierung Zwei Personen stehen sich jeweils auf einem Rollbrett gegenüber. Sie halten ein Seil in den Händen. Nun sollen beide Personen an dem Seil ziehen. Auswertung Was beobachtest du? Finde eine zu deiner. Notiere diese auf deinem Auswertungsbogen! 2015 WWW.KNSU.DE Seite 11
Auswertungsbogen 5 EXPERIMENT 1 EXPERIMENT 2 EXPERIMENT 3 EXPERIMENT 4 2015 WWW.KNSU.DE Seite 12
Quellenverzeichnis Literatur Autor Literaturname Erscheinungsort Erscheinungsjahr Verlag Peters, W. Abitur- Training Freising 2009 Stark Sport, Bewegungslehre Sportpsychologie, Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Weiterbildung (MBWW) (Hrsg.) Lehrplan Sport, Sekundarstufe I Mainz 1998 Dorn, E. Bewegungslehre und Biomechanik des Sports Teil 1: Biomechanische Grundlagen 2001 Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden Württemberg Abbildung / Foto Nummer Alle Fotos Arbeitsmaterial 1-4 Video Nummer Alle Videos Urheber Maren Hoffmann, Lisa Schmalen, Hans-Martin Jakobs Maren Hoffmann Urheber Maren Hoffmann, Lisa Schmalen, Hans-Martin Jakobs Urheber des Beitrages Autor Berater Institution Maren Hoffmann/Sportlehrerin; Lisa Schmalen, Hans-Martin Jakobs/Lehramtstudierende Minnich, Marlis Institut für Sportwissenschaft, Universität Koblenz- Landau, Campus Koblenz 2015 WWW.KNSU.DE Seite 13