Lernzirkel "Mein Bike und ich"

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Lernzirkel „Mein Bike und ich“ — Seite 1 NwT Klasse 8 (G8) bzw. 9 (G9) Lernzirkel „Mein Bike und ich“ Versuchsanleitungen, Fachinformationen, Protokollblätter Konzipiert von Dr. Andreas Gnekow-Metz (2005) Verändert von Margarete Lebong-Betz (2006) Justinus-Kerner-Gymnasium Weinsberg

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Lernzirkel „Mein Bike und ich“ — Inhalt — Seite 2 Inhalt Laufzettel . 3 Station 1: Wie treibt die Pedalkraft das Fahrrad an . 4 Material . 4 Aufgabenstellung . 4 Fachinformation . 6 Station 2: Wie viel Kraft entwickelt man beim Treten bzw. Ziehen der Pedale . 9 Material . 9 Aufgabenstellung . 9 Fachinformation . 11 Station 3: Wie reagiert der Körper auf Belastung beim Fahrrad Fahren . 14 Materialien . 14 Aufgabenstellung . 14 Fachinformation (Lückentext — also Lücken c bis g füllen . 16 Station 4: Wie entsteht die Tret- bzw. Zugkraft im Bein . 20 Material . 20 Aufgabenstellung . 20 Fachinformation . 21 Vorlagen für Protokollblätter . 24 Protokollblatt Station 1 . 25 Protokollblatt Station 2 . 26 Protokollblatt Station 3 . 27

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— Laufzettel — Seite 3 Lernzirkel „Mein Bike und ich“ Laufzettel Name: Arbeitsgruppe: Klasse: Nr. der Station Datum Signatur der Lehrkraft Folgende Themen haben mich besonders interessiert: • Station 1 . . • Station 2 . . • Station 3 . . • Station 4 . . Mit folgenden Inhalten bzw. Aufgaben habe ich besondere Schwierigkeiten gehabt: • Station 1 . . • Station 2 . . • Station 3 . . • Station 4 . . Laufzettel Name: Arbeitsgruppe: Klasse: Nr. der Station Datum Signatur der Lehrkraft Folgende Themen haben mich besonders interessiert: • Station 1 . .

• Station 2 . . • Station 3 . . • Station 4 . . Mit folgenden Inhalten bzw. Aufgaben habe ich besondere Schwierigkeiten gehabt: • Station 1 . . • Station 2 . . • Station 3 . . • Station 4 . .

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— Station 1 — Seite 4 Lernzirkel „Mein Bike und ich“ Station 1: Wie treibt die Pedalkraft das Fahrrad an? Material • Kopfüber auf eine Unterlage montiertes Fahrrad ohne Reifen FA FP Blatt Ritzel $ Hand (Achtung: Drehendes Hin- terrad niemals mit der Hand bremsen — schwere Verlet- zungsgefahr aufgrund abste- hender Teile! • Kraftmesser (50 N, 20 N) • Gewicht mit m = 5 kg • 1 Gewichtteller à 10 g und 5 Schlitzgewichte à 50 g • Protokollblatt Station 1 Aufgabenstellung Führt den Versuch durch und erstellt ein ausführliches Proto- koll.

1. An den horizontal stehen- den Pedalarm hängt man ein kleines Gewicht und erhöht die Masse, bis sich das Hin- terrad dreht (Î Wider- standsausgleich). Dazu sind je nach gewählter Überset- zung Massen von 200-300 g nötig. Nun befestigt man zusätzlich das Gewicht mit m = 5 kg am Pedal. Pedalarm in ho- rizontaler Position halten! Man verhindert eine Bewegung des Hinterrades und dadurch des Pedals, indem am Hinterrad ein Kraftmesser eingehängt wird (s. Abbildung 1). Er wirkt der Antriebskraft genau entgegen, zeigt also bei Stillstand des Hinterrades ihren Wert an. Dazu das Hinterrad frei drehen, bis die mit einer Schraube an der Felge befestig- te Öse am höchsten Punkt ist. Kraftmesser dort einhängen und horizontal — d. h. tangential zum Rad — halten. Warum ist das wichtig? In welche Richtung zeigt der Pedalarm mit dem Gewicht? Abbildung 1: Versuchsaufbau und –durchführung. Das Fahrrad hat auf der linken Seite ein abgebrochenes Pedal — deshalb ist das Holzbrett mit einem angeschraubten Gegengewicht (nicth zu sehen) angebracht worden. Wie die zum Reibungs- ausgleich benötigten Schlitzgewichte am Pedal eingehängt sind, zeigt das kleine Foto links unten [Foto: Gnekow-Metz 2007].

Symbole für die verschiedenen Größen: • Pedalkraft: FP − Wählt alle möglichen Übersetzungsverhältnis- se. Vor dem Schalten bitte sowohl das große als auch die kleinen am Pedal hängenden Ge- wichte entfernen. • Kettenkraft: F2 bzw. F3 (s. Abbildung 4) • Antriebskraft bzw. vom Kraftmes- ser angezeigte Kraft: FA • Pedallänge: rP − Führt je Übersetzung eine Messung der An- triebskraft am Hinterrad (FA) durch. Zunächst den stärkeren Kraftmesser benutzen. Bei Wer- ten unter 20 N den schwächeren Kraftmesser benutzen. Ihr werdet feststellen, dass der • Radius des Kettenblatts: rB (bzw. Zahnzahl: zB) B • Radius des Ritzels: rR (bzw. Zahn- zahl: zR) • Radius des Hinterrads (bis zum Ansatz des Kraftmessers): rH

Lernzirkel „Mein Bike und ich“ — Station 1 — Seite 5 Kraftmesser bei gewissem Nachgeben der Hand einen geringeren Wert und bei gewis- sem Anziehen der Hand einen höheren Wert anzeigt. Bildet zwischen den beiden Ex- tremwerten einen Mittelwert und schreibt diesen auf. − Tragt die Ergebnisse in das vorgegebene Protokollblatt ein. 2. Wertet eure Messergebnisse (= Daten) aus, indem ihr sie in einem Diagramm darstellt: − x-Achse: Zahnverhältnis Ritzel/Blatt (ZR/ZB) − y-Achse: Kräfteverhältnis Antrieb/Pedal (FA/FP) Achtung: Um die Pedalkraft zu berechnen, müsst ihr die Masse nur des großen Ge- wichts mit dem Ortsfaktor g = 9,81 m/sec² multiplizieren! Die Einheit ist dann 1 kg · m/sec². Diese Einheit wird gemeinhin 1 N genannt.

Zeichnet einen Graphen in das Diagramm ein, der eure Datenpunkte (x|y) sinnvoll miteinander verbindet. Dazu müsst ihr Antworten auf folgende Fragen finden: − Welche in der Fachinformation entwickelte allgemeine Gleichung beschreibt den Gra- phen, auf dem die Datenpunkte (x|y) liegen sollten? − Welche Form müsste der Graph also theoretisch haben? − Welche — in der allgemeinen Gleichung enthaltenen — Größen am Fahrrad müsst ihr noch messen, um die Gleichung formulieren zu können, die den Graphen speziell für das von euch benutzte Fahrrad beschreibt? Wenn ihr die Werte dieser noch zu mes- senden Größen in die allgemeine Gleichung einsetzt, gewinnt ihr diese spezielle Glei- chung. Den von ihr beschriebenen Graphen tragt ihr in euer Diagramm ein. Wenn eure Datenpunkte dicht an diesem Graphen liegen, habt ihr genau gearbeitet. Wenn alle o- der nur einzelne Datenpunkte größere Abstände zu diesem Graphen zeigen, müsst ihr euch auf die Fehlersuche machen.

3. Formuliert 4 Möglichkeiten, wie sich bei gleicher Pedalkraft die Antriebskraft vergrößern (bzw. verkleinern) lässt.

— Station 1 — Seite 6 Lernzirkel „Mein Bike und ich“ Fachinformation Dass man mit einem modernen Fahrrad sowohl in der Ebene hohe Geschwindig- keiten erzielen als auch ohne großen Kraftaufwand Stei- gungen bergauf fah- ren kann, verdankt man neben der eige- nen Körperkraft dem Zusammenwirken von verschiedenen tech- nischen Einrichtun- gen, die aufgrund ihrer physikalischen Funktion als Hebel bezeichnet werden können. Deshalb zunächst etwas zum physikalischen Begriff des Hebels: Hebel Lastarm Drehachse Kraftarm einseitiger Hebel Hebel 2. Klasse: Kraftarm > Lastarm zweiseitiger Hebel Hebel 3. Klasse: Kraftarm < Lastarm Hebel 1. Klasse Kombinationshebel Abbildung 2: Bestandteile sowie Klassifizierung von Hebeln. Ein Hebel ist ein Körper, der an einem Punkt drehbar gelagert ist und an dem zwei Kräfte angreifen. Je nach dem, wo die Kräfte angrei- fen, spricht man von zweiseitigen oder einseitigen Hebeln bzw. von Hebeln 1., 2. bzw. 3. Klasse (s. Abbildung 2; Mehr zu dieser Art von Hebeln erfahrt ihr bei Station 4, weil auch das menschliche Ske- lett eine Ansammlung verschie- denartiger Hebel ist). Als Beispiel für einen Hebel betrachten wir eine Stange, mit der eine Last mit dem Gewicht FL angehoben wird (s. Abbildung 3). Wenn man die Last gerade halten kann, muss man am sog. Kraftarm mit der Länge rK die Kraft FK aufwenden. Ihre Größe hängt davon ab, wie lang der Last- arm rL ist. Durch Messen von FK, rK und rL könntet ihr herausfinden, dass die Last immer gerade dann gehalten werden kann, wenn das Produkt aus Hebellänge und Kraft auf beiden Seiten der Drehachse gleich groß ist: K L K K L L M M F r F r = ⋅ = ⋅ Jedes dieser Produkte wird als Drehmoment M bezeichnet. Es lässt sich veranschaulichen als Fläche, Drehmoment = Hebellänge x Kraft Drehachse Last FK FL rL rK FL’ Abbildung 3: Ein zweiseitiger Hebel befindet sich im Gleichge- wicht, wenn das Drehmoment des Kraftarms gleich dem des Lastarms ist. Weitere Erläuterungen siehe Text.

— Station 1 — Seite 7 Lernzirkel „Mein Bike und ich“ die sich zwischen Hebelarm und Kraft jederseits der Drehachse aufspannt (s. Abbildung 3). Das Drehmoment des Lastarms von Abbildung 3 dreht nach links, das des Kraftarms nach rechts. Das Drehmoment des Kraftarms erzeugt am Lastarm die Kraft FL’, die dem Gewicht der Last genau entgegengesetzt ist (und es so aufhebt — man kann die Last gerade halten). Wichtig ist, dass zur Berechnung des Drehmoments die Kraft immer senkrecht zum Hebelarm stehen muss. Wenn dies nicht der Fall ist, muss die Kraft zerlegt werden • in eine in Richtung des Hebelarms wirkende Kraft, die hinsichtlich der beabsichtigen Drehung des Hebels unwirksam ist und folglich Kraftverlust bedeutet, • in eine senkrecht zum Hebelarm wirkende Kraft, die den Hebel wirksam dreht. Dies wird bei Station 2 bzw. bei Station 4 noch genauer behandelt. Beim Fahrrad (s. Abbildung 4) haben wir es mit zwei Hebeln zu tun: • Pedal und Kettenblatt bilden einen Hebel, der einseitig ist, weil Kraft und Last auf derselben Seite von der Drehachse angreifen. Da der Kraftarm länger ist als der Lastarm, ist dies ein Hebel 2. Klasse.

• Ritzel und Hinterrad bilden einen Hebel, der zweiseitig ist. Allerdings ist hier der Kraftarm (das Ritzel) kleiner als der Lastarm (das Hinterrad). Die vom Kraftmesser ausgeübte Kraft, die hier die Last darstellt, ist in Abbildung 4 nicht eingezeichnet, sondern nur die Antriebskraft FA, die der Kraft FL’ in Abbildung 3 entspricht. Welcher Kraft würde die vom Kraftmesser ausgeübte Kraft „in der Wirklichkeit auf der Straße“ entsprechen? Diese beiden Hebel sind miteinander durch die Kette verbunden. Sie hat nur die Funktion, das durch die tretende Person am Pedalarm mit Hilfe der Pedalkraft FP erzeugte Drehmoment auf das Hinterrad Pedal- kraft FP Antriebskraft FA F2 F3 Abbildung 4: Kräfte an einem Fahrrad. In diesem Versuch steht das Fahrrad ja auf dem Kopf, so dass bezüglich der Richtung von Pedalkraft und F2 relativ zum Fahrradrahmen ein gewisses Umdenken nötig ist. F3 und Antriebskraft FA sind jedoch relativ zum Rahmen genauso wie in dieser Abbildung ausgerichtet. Allerdings wirkt der Kraftmesser der Antriebskraft genau entgegen, so dass sich das Rad nicht dreht.

— Station 1 — Seite 8 Lernzirkel „Mein Bike und ich“ zu übertragen bzw. die Kraft F2 umzulenken und als Kraft F3 auf das Ritzel zu übertragen (F2 = F3). Die Kettenkraft F2 entsteht an dem Hebel, der aus Kettenblatt mit dem Radius rB und Pedal mit der Länge r B P gebildet wird. An allen Hebeln herrscht Drehmoment-Gleichgewicht. Also gilt am Hebel aus Pedalarm und Ketten- blatt: P P P 2 B B F r M F r M ⋅ = = ⋅ = Daraus folgt: P P B F r F r ⋅ = ⋅ 2 (Gleichung 1) Am Hebel, der aus Hinterrad mit dem Radius rH und hinterem Zahnkranz (Ritzel) mit dem Radius rR gebildet wird, gilt eine entsprechende Beziehung: A H 3 R F r F r ⋅ = ⋅ Also lässt sich schreiben, da die Kraft F2 der Kraft F3 entspricht: 2 R A H 3 F r F r F = ⋅ = Setzt man nun den Bruch in Gleichung 1 ein, so erhält man P P B R A H F r r r F r ⋅ = ⋅ ⋅ Dies Gleichung lässt sich umformen: H P B R P A r r r r F F ⋅ = (Gleichung 2) Die Bestimmung von rB und r B R dürfte etwas schwieriger bzw. mit größeren Ungenauigkeiten behaftet sein. Wie könnt ihr euch behelfen, da in der Gleichung ja lediglich das Verhältnis dieser beiden Grö- ßen auftaucht? Denkt dabei daran, dass der Radius direkt proportional zum Umfang ist. Und was befindet sich auf dem Umfang eines Ritzels bzw. des Kettenblatts?

Welche Größen. die in Gleichung 2 auftauchen, habt ihr in eurem Versuch verändert? Welche waren die unabhängigen, welche die abhängigen Variablen? Welche Größen waren zumindest in diesem Versuch (mit diesem Fahrrad) Konstanten?

Lernzirkel „Mein Bike und ich“ — Station 2 — Seite 9 Station 2: Wie viel Kraft entwickelt man beim Treten bzw. Ziehen der Pedale? Material • Fest auf Gestell montiertes Fahrrad • Kraftmesser [50 kg (bzw. 500 N; mit Digitalanzeige], fest am Hinterrad angebracht • Riemen zum Befestigen eines Fußes am Pedal • Protokollblatt Station 2 Aufgabenstellung Führt die folgenden Versuche durch und erstellt ein ausführliches Protokoll. Bearbeitet dabei auch die nicht experimentellen Aufgaben.

1. Achtung: Das Hinterrad des Fahrrads ist mit einem Holz blockiert. Die Pedalposition kann also nur durch Rückwärtstreten verändert werden. Die Kette läuft bei allen Ver- suchen über das kleinste Ritzel — nicht verstellen! 2. Eine Person setzt sich auf das Fahrrad und setzt die Füße auf die Pedale. Die Person soll den Lenker mit den Händen greifen und beim Treten — bei den verschiedenen Pedalposi- tionen — die maximal mögliche Kraft aufwenden, d. h. sie muss mit dem gesamten O- berkörper arbeiten. Sie soll aber beim Treten sitzen bleiben (kein Wiegetritt). Kraftmes- ser durch leichten Druck auf den Schalter in Betrieb setzen.

3. Messreihe 1: Der rechte Fuß wird mit dem Ballen auf die Pedale gesetzt! Linker Fuß ruht! Messt die am Hinterrad angreifende Antriebskraft FA in Abhängigkeit von der Posi- tion des Pedals (in Winkelgraden), d. h. von der Haltung des Beines, wenn die Person mit dem rechten Bein tritt. Variiert die Pedalposition im Winkelbereich 0-180° in Schritten von z. B. 30° (ergibt 7 Werte), aber messt die einzelnen Pedalpositionen nicht in systema- tischer, sondern zufälliger Reihenfolge — warum wohl?

Wichtig: Diese Messreihe wird ein zweites Mal durchgeführt, wiederum mit zufälliger Abfolge der Pedalpositionen. Bei der Auswertung wird aus beiden Messwerten ein Mit- telwert gebildet und in das dritte Kästchen der Tabellenzelle eingetragen. 4. Messreihe 2: Der linke Fuß wird mit dem Ballen auf die Pedale gesetzt und mit einem Riemen am Pedal befestigt, um so die Wirkung von Pedalclips zu simulieren, d. h. das Pe- dal wird bei der Aufwärtsbewegung des linken Fußes (Pedalwinkelbereich 180-330°) ge- zogen. Den Pedalwinkel lest ihr mit Hilfe des rechten Pedals ab: Wenn das rechte Pedal z. B. auf 50° zeigt, ist der Pedalwinkel für den linken Fuß 50° + 180° = 230°. Der rechte Fuß darf nicht auf das rechte Pedal gesetzt sein, weil man unwillkürlich treten würde! Ver- suchsverlauf wie Messreihe 1 unter Punkt 3, d. h. auch diese Messreihe wird wiederholt. 5. Auswertung: Berechnet bei jeder Versuchsvariante einen Mittelwert der Pedalkraft je Pedalposition.

Die Pedalkraft FP ergibt sich als das 5,88fache der Antriebskraft FA — warum das so ist, versteht ihr, wenn ihr schon Station 1 bearbeitet bzw. die Fachinformation gelesen habt. − Bestimmt also bei diesem Fahrrad die relevanten Größen und prüft, ob ihr diesen Um- rechnungsfaktor bestätigen könnt. − Erstellt mit den Daten ein Diagramm: ο x-Achse: Winkel der Pedalposition ο y-Achse: Pedalkraft FP, farblich unterschieden für Druck (rechtes Bein) bzw. Zug (linkes Bein).

− In welcher Pedalposition ist die Pedalkraft beim Treten mit Druck am größten? In welcher Pedalposition ist die Pedalkraft am geringsten? Erklärt das Diagramm. − Wie lässt sich die Nutzung der Körperkraft in den Pedalpositionen verbessern, in de-

Lernzirkel „Mein Bike und ich“ — Station 2 — Seite 10 nen sie naturgemäß am schlechtesten ist? − Wie dürfte sich die Pedalkraft in Abhängigkeit von dem Winkel der Pedalposition än- dern, wenn man mit beiden Beinen tritt — d. h. in der üblichen Art und Weise radelt (und dabei die Füße an den Pedalen befestigt hat wie in diesem Versuch)? Entwerft ein Diagramm und erklärt es.

— Station 2 — Seite 11 Lernzirkel „Mein Bike und ich“ Fachinformation Wenn ihr schon die Station 1 bearbeitet habt, dann vergegenwärtigt euch im Gespräch, welche Zu- sammenhänge an Hebeln gelten, bevor ihr weiterlest. Solltet ihr noch über alle bei Station 1 erwor- benen Kenntnisse verfügen, könnt ihr im folgenden Text bei „Startpunkt für kenntnisreiche Schü- ler/-innen“ einsteigen. Wenn nicht bzw. wenn dies eure erste Station ist und sich beim Stichwort „He- bel“ gar keine Erinnerungen an den Physikunterricht rühren, dann lest gleich weiter: Dass man mit einem modernen Fahrrad sowohl in der Ebene hohe Geschwindigkeiten erzielen als auch ohne großen Kraftaufwand Steigungen bergauf fahren kann, verdankt man neben der eigenen Körperkraft dem Zusammenwirken von verschiedenen technischen Einrichtungen, die aufgrund ihrer physikalischen Funktion als Hebel bezeichnet werden können. Des- halb zunächst etwas zum physika- lischen Begriff des Hebels: Ein Hebel ist ein Körper, der an einem Punkt drehbar gelagert ist und an dem zwei Kräfte angreifen. Je nach dem, wo die Kräfte an- greifen, spricht man von zweiseiti- gen oder einseitigen Hebeln bzw. von Hebeln 1., 2. bzw. 3. Klasse (Mehr zu dieser Art von Hebeln erfahrt ihr bei Station 4, weil auch das menschliche Skelett eine An- sammlung verschiedenartiger Hebel ist). Als Beispiel für einen Hebel betrachten wir eine Stange, mit der eine Last mit dem Gewicht FL angehoben wird (s. Abbildung 5). Wenn man die Last gerade halten kann, muss man am sog. Kraftarm mit der Länge rK die Kraft FK aufwenden. Ihre Größe hängt davon ab, wie lang der Lastarm rL ist. Durch Messen von FK, rK und rL könntet ihr herausfinden, dass die Last immer gerade dann gehalten werden kann, wenn das Produkt aus Hebellänge und Kraft auf beiden Seiten der Drehachse gleich groß ist: K L K K L L M M F r F r = ⋅ = ⋅ Jedes dieser Produkte wird als Drehmoment M bezeichnet. Es lässt sich veranschaulichen als Fläche, die sich zwischen Hebelarm und Kraft jederseits der Drehachse aufspannt (s. Abbildung 5). Das Drehmoment des Lastarms in Abbildung 5 dreht nach links, das des Kraftarms nach rechts. Das Drehmoment des Kraftarms erzeugt am Lastarm die Kraft FL’, die dem Gewicht der Last genau entge- gengesetzt ist (und es so aufhebt — man kann die Last gerade halten). Wichtig ist, dass zur Berech- nung des Drehmoments die Kraft immer senkrecht zum Hebelarm stehen muss. Wenn dies nicht der Fall ist, muss die Kraft zerlegt werden (Mehr dazu erfahrt ihr weiter unten). Drehmoment = Hebellänge x Kraft Drehachse Last FK FL rL rK FL’ Abbildung 5: Ein zweiseitiger Hebel befindet sich im Gleichge- wicht, wenn das Drehmoment des Kraftarms gleich dem des Lastarms ist. Weitere Erläuterungen siehe Text.

— Station 2 — Seite 12 Lernzirkel „Mein Bike und ich“ Beim Fahrrad (s. Abbildung 6) haben wir es mit zwei Hebeln zu tun: • Pedal und Kettenblatt bilden einen Hebel, der einseitig ist, weil Kraft und Last auf derselben Seite von der Drehachse angreifen. Da der Kraftarm länger ist als der Lastarm, ist dies ein Hebel 2. Klasse. • Ritzel und Hinterrad bilden einen Hebel, der zweiseitig ist. Allerdings ist hier der Kraftarm (das Ritzel) kleiner als der Lastarm (das Hinterrad). Die vom Kraftmesser ausgeübte Kraft, die hier die Last darstellt, ist in Abbildung 6 nicht eingezeichnet, sondern nur die Antriebskraft FA, die der Kraft FL’ in Abbildung 5 entspricht. Welcher Kraft würde die vom Kraftmesser ausgeübte Kraft „in der Wirklichkeit auf der Straße“ entsprechen?

Diese beiden Hebel sind miteinander durch die Kette verbunden. Sie hat nur die Funktion, das durch die tretende Person am Pedalarm mit Hilfe der Pedalkraft FP erzeugte Drehmoment auf das Hinterrad zu übertragen bzw. die Kraft F2 umzulenken und als Kraft F3 auf das Ritzel zu übertragen. Die Ketten- kraft F2 entsteht an dem Hebel, der aus Kettenblatt mit dem Radius rB und Pedal mit der Länge r B P gebildet wird. Pedal- kraft FP Antriebskraft FA F2 F3 Abbildung 6: Kräfte an einem Fahrrad. An allen Hebeln herrscht Drehmoment-Gleichgewicht. Also gilt am Hebel aus Pedalarm und Ketten- blatt: P P P 2 B B F r M F r M ⋅ = = ⋅ = Daraus folgt: P P B F r F r ⋅ = ⋅ 2 (Gleichung 3) Am Hebel, der aus Hinterrad mit dem Radius rH und hinterem Zahnkranz (Ritzel) mit dem Radius rR gebildet wird, gilt eine entsprechende Beziehung: A H 3 R F r F r ⋅ = ⋅

— Station 2 — Seite 13 Lernzirkel „Mein Bike und ich“ Also lässt sich schreiben, da die Kraft F2 der Kraft F3 entspricht: 2 R A H 3 F r F r F = ⋅ = Setzt man nun den Bruch in ein, so erhält man P P B R A H F r r r F r ⋅ = ⋅ ⋅ Dies Gleichung lässt sich umformen: A P B R H P F r r r r F ⋅ ⋅ = (Gleichung 4) FA habt ihr gemessen. Die Pedalkraft FP ist zu berechnen. Welche Größen müsst ihr also noch bestimmen? Startpunkt für kenntnisreiche Schüler/-innen Wenn die vom menschlichen Bein ausgeübte Kraft (Körperkraft FKörper) in einem Winkel ungleich 90° am Pedalarm angreift, so ist sie nach dem üblichen Verfahren zu zerlegen • in eine in Richtung des Hebelarms wirken- de Kraft, die hinsichtlich der beabsichtigen Drehung des Hebels unwirksam ist und folglich Kraftverlust bedeutet (FVerlust), FKörper FP FVerlust β α α β Pedalfläche • in eine senkrecht zum Hebelarm wirkende Kraft, die den Hebel wirksam dreht, die Pe- dalkraft FP.

(s. Abbildung 7). Je nach Stellung des Pedals wird also ein unterschiedlich großer Anteil der Körperkraft für die Pedaldrehung und damit für den Antrieb nutzbar sein. In welcher Position ist die Umsetzung der Körperkraft am größten? Wie lässt sich die Nutzung der Körperkraft in den Pedalpositionen verbessern, in denen sie naturgemäß am schlechtesten ist? Abbildung 7: Um die für die Drehung des Pedals wirksame Pedalkraft FP ermitteln zu können, muss die Körperkraft FKörper zerlegt werden. Weitere Erläuterungen s. Text.

Lernzirkel „Mein Bike und ich“ — Station 3 — Seite 14 Station 3: Wie reagiert der Körper auf Belastung beim Fahrrad Fahren? Materialien • Ergometer bzw. Home-Trainer, foliertes Diagramm mit mechanischen Leistungsdaten • 2 Hand-Stoppuhren • 1 Tisch-Stoppuhr • Spirometer mit Papphülsen • Puls- & Blutdruckmessgerät • Protokollblatt Station 3 Aufgabenstellung 1. Führt die Experimente entsprechend der Anleitung aus und tragt die Messwerte in das Protokollblatt ein.

− Bevor die Versuchsperson überhaupt anfängt zu radeln, müssen ihre Daten in Ruhe, d. h. bei der Leistungsstufe 0 W, gemessen werden. Was gemessen werden soll, ist weiter unten angegeben. Alle Messungen werden mindestens zwei Mal durchge- führt. − Die Versuchsperson setzt sich dann auf das Ergometer und muss durch entsprechende Trittgeschwindigkeit bei einer eingestellten Belastungsstufe (0-10) eine bestimmte Leistung erbringen. Dabei sollte sie sich lieber von unten her der nötigen Trittge- schwindigkeit annähern. Wie wird diese gemessen?

− Wenn die Person den nötigen Rhythmus gefunden hat, soll sie 1 Minute bei dieser Leistung gleichmäßig treten. Wenn sie diese Zeit bei hoher Leistung nicht schafft, macht das nichts. Es sollte aber im Protokoll vermerkt werden. Natürlich kann die Leistung auch verringert werden, um 1 Minute durchhalten zu können. − Nach dieser Zeit werden möglichst gleichzeitig gemessen ο Puls (Angabe in min–1 ) und Blutdruck (systolisch, diastolisch, Angabe in mm)1 mit dem Handgelenk-Messgerät — Achtung: Manschette fest genug anziehen! ο das Atemzugvolumen mit dem Spirometer — Das Atemzugvolumen ist das Luft- volumen, das man ohne willentliche Beeinflussung mit der Umgebung aus- tauscht, also ohne bewusst forciertes Ein- bzw. Ausatmen. Da es in Ruhe im Be- reich von 300-500 ml liegt, kann man gerne 5-10 Atemzüge mit dem Spirometer ansammeln und dann einen Mittelwert bilden.

ο die Atemfrequenz (Angabe in min–1 ). − Wenn ein Zyklus mit allen drei Leistungsstufen durchlaufen worden ist, sollten die Daten bei jeder Leistungsstufe mindestens noch ein zweites Mal gemessen werden, d. h. die Versuchsperson muss wieder 1 Minute „strampeln“. Natürlich muss die Trittge- schwindigkeit bei der gewählten Belastungsstufe (0-10) wie beim ersten Mal gewählt werden. − Einzustellende Leistungen — die niedrige, mittlere bzw. hohe Leistungsstufe sollten sich zueinander ungefähr wie 1:2:3 verhalten: ο 0 W (Messung aller Daten in Ruhe, bevor die Person überhaupt getreten hat). ο 60-100 W = 60-100 J/s = 216-360 kJ/h) ο 120-200 W = 120-200 J/s = 432-720 kJ/h) ο 180-300 W = 180-300 J/s = 648-1080 kJ/h 1 Die Blutdruckangabe in mm Quecksilbersäule (mm Hg) stammt aus der Zeit, als man Barometer (Messgeräte zur Bestimmung z. B: des Luftdrucks) noch mit Quecksilber gefüllten Glasröhren betrieb. 760 mm Hg entspricht dem Normaldruck, d. h. 1013 hPa. Daraus ergibt sich der Umrechnungsfaktor 1,33 hPa/mm Hg.

Lernzirkel „Mein Bike und ich“ — Station 3 — Seite 15 2. Erstellt ein Diagramm entsprechend der Vorgabe auf dem Protokollblatt. 3. Erstellt eine Deutung (Interpretation) der Ergebnisse. Findet also eine Antwort auf fol- gende Frage: Welchen biologischen Sinn haben die von euch vermutlich beobachteten körperlichen (= physiologischen) Veränderungen? 4. Auf dem Hometrainer befindet sich eine Tabelle mit Leistungsdaten. Dort steht: „ Mecha- nische Leistungsdaten in kJ/min = körperlicher Energieaufwand in kcal/min“. Was bedeu- tet das? Wieso gibt es diese Unterscheidung? Hier hilft euch die Lektüre der Fachinforma- tion. Unter Umständen müsst ihr eure Kenntnisse noch mit Hilfe der ausliegenden Bücher und eures Schulbuches vertiefen (s. auch Aufgabe 7).

5. Berechnet mit Hilfe des Fachinformationstextes die Werte der Größen, die in den Lücken c bis g fehlen. Beachtet die fett gedruckten Worte. Schreibt jeweils den gesamten Re- chengang auf. 6. Wie groß muss die Änderung (absolut bzw. relativ) des Gehalts an roten Blutzellen (RBZ) infolge der Anwendung von Erythropoetin (EPO) sein, damit die Leistung „Radfahren mit 48 km/h“ für die Dauer von mehreren Stunden erbracht werden kann? Geht dabei davon aus, dass der Sauerstoffgehalt des Blutes vom Muskel auf einen Partialdruck von 27 mbar gesenkt wird und dass es keinen Effekt durch den Anstieg des Kohlenstoffdioxidgehaltes im Blut gibt.

7. Informiert euch mit Hilfe des Bio-Buches über Zusammensetzung und Funktionen des Blutes. 8. Recherchiert, was man unter dem Hämatokritwert (s. Zeitungsartikel) versteht. Wie wür- det ihr die im Artikel vom 02. 07. 2004 wiedergegebene Aussage von Lance Armstrong — „Ich werde das gleiche tun wie die anderen.“ — deuten?

— Station 3 — Seite 16 Lernzirkel „Mein Bike und ich“ Fachinformation (Lückentext — also Lücken c bis g füllen!) Beim Radfahren beginnt man bei steigender Belastung, z. B. beim schnelleren Fahren bzw. Bergauf- fahren, schneller und eventuell auch tiefer zu atmen. Dies kommt durch die Regulation der Atmung zustande. Und zwar reagiert der Körper darauf, dass den Muskeln mehr Energie zur Verfügung ge- stellt werden muss, um die gestiegene Summe aller äußeren Kräfte (Hangabtriebskraft, Reibung, Luftwiderstand) überwin- den zu können (s. Abbildung 8). Diese Ener- gie wird durch Stoffwech- selvorgänge bereit gestellt, die in den Muskelzellen ablaufen und bei denen letzten Endes Nährstoffe (vor allem Kohlenhydrate wie Zucker sowie Fette) mit Sauerstoff reagieren — man spricht von (stillen) Verbrennungsvorgängen. Also nimmt der Sauer- stoffgehalt im Blut, das u. a. der Sauerstoffversor- gung des Muskels dient, ab. Der Körper reagiert darauf, indem er die Atemfrequenz und das Atemzugvolumen steigert. In der Lunge tritt ja Sauerstoff aus der Atemluft ins Blut über — insofern erscheint diese Körperreaktion sinnvoll zu sein. Allerdings wird die Sauerstoffversorgung des Muskels weniger durch den Gasaus- tausch in der Lunge begrenzt als vielmehr durch den Transport von Sauerstoff mit Hilfe des Blutes von der Lunge zum Muskel.

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 8 16 24 32 40 Geschwindigkeit (km/h) Energieverbrauch (kJ/h) 48 Abbildung 8: Energieverbrauch beim Radfahren (Person mit 80 kg Masse). Datenquelle: „Sportrechner“ auf www.dge.de — es wurde eine Trendlinie für die Daten berechnet und auf 48 km/h extrapoliert. In einem Liter Blut lösen sich physikalisch 0,003 l Sauerstoff. Um Nahrungsmittel mit einem (phy- siologisch nutzbaren) Energieinhalt von 1.000 kJ vollständig zu nutzen, benötigt der Körper etwa 50 l Sauerstoff. In Ruhe (d. h. im Liegen ohne weitere körperliche Betätigung) benötigt der Kör- per 7.200 kJ/d (Grundumsatz). Das Herz pumpt in Ruhe pro Minute knapp 5 l — täglich also 7000 l — Blut durch den Körperkreislauf. Daraus ergibt sich ganz klar ein Problem: Denn physikalisch gelöst werden so lediglich 21 Liter Sauerstoff transportiert. Benötigt werden allerdings 360 Liter. Die Natur hat das Problem der Sauerstoffunterversorgung mit Hilfe der roten Blutzellen (RBZ), genau genom- men mit Hilfe des in ihnen gelösten Blutfarbstoffs Hämoglobin (Hb), gelöst. Das Hämoglobin ist ein Eisen enthaltendes und Sauerstoff bindendes Protein (Protein ist ein anderer Begriff für Eiweiß). In 100 ml sind etwa 15 g Hämoglobin enthalten. Mit diesem Hb-Gehalt kann ein Liter Blut 0,2 Liter Sauerstoff binden. In 1 mm³ eines Mitteleuropäers sind etwa 5 Millionen RBZ enthalten. Das menschliche Herz kann seine Herzschlagfrequenz von 70/min auf bis zu 160/min steigern. Das Schlagvolumen, das in Ruhe 70 ml je Kammer beträgt, kann auf 220 ml erhöht werden. Dadurch ist bei schwerster Anstrengung eine Steigerung des Herzminutenvolumens (HMV) auf bis zu

— Station 3 — Seite 17 Lernzirkel „Mein Bike und ich“ c . l/min möglich. Allerdings benötigt das Herz allein dann so viel Sauerstoff je Minute wie der gesamte Körper in Ruhe. Unter der Voraussetzung, dass der gesamte Sauerstoff im Blut vom Körper ausgenützt werden kann, lässt sich eine theoretische Leistungsgrenze (in kJ/h) des menschlichen Körpers berechnen. Diese berechnet sich folgendermaßen: Sauerstoff l 1 (kJ) ergie Nahrungsen Blut l 1 (l) Sauerstoff geb.

h 60min ) min l HMV( ) h kJ ( renze Leistungsg Theoret. ⋅ ⋅ ⋅ = d . . Diese theoretische Leistungsgrenze dürfte aber praktisch nicht erreicht werden, weil der Sauerstoff- gehalt im Blut von den Muskeln nicht auf Null verringert werden kann. Welcher Anteil des arteriellen Blutsauerstoffgehal- tes (bei ca. 97% Beladung des Hämoglo- bins) ausgenutzt werden kann, hängt z. B. vom Trainingszustand ab. So haben Sportler im Muskel einen höheren Gehalt an einem Protein namens Myoglobin. Es bindet Sauerstoff fester als Hämoglobin und ermöglicht so den Übertritt von Sau- erstoff aus dem Blut in den Muskel: My- oglobin ist bei einem Sauerstoffparti- aldruck 3 von 53 mbar — wie er in den Kapillaren des Muskels von Nicht- Sportlern herrscht — noch zu 94% mit Sauerstoff beladen, während Hämoglobin dann nur noch zu 67% beladen ist. Damit können 100 ⋅ (1 – 67/97)% = 31% des Blutsauerstoffs ausgenutzt werden, bei einem auf 27 mbar verringerten Sauer- stoffpartialdruck hingegen 97 67 33 Abbildung 9: Sauerstoffbindungskurven von Hämoglobin und Myoglobin. Im Fall von Hämoglobin sind die Bindungskurven eingezeichnet für zwei unterschiedliche Partialdrucke2 von Kohlenstoffdioxid [Verändert aus Betz, E. et al. (2001): Biologie des Menschen. 15. Aufl. — Wiebelsheim: Quelle & Meyer, S. 278. Abdruck mit freundlicher Genehmigung von Quelle & Meyer Verlag GmbH & Co.] e ( Sauerstoffbeladung im Diagramm Abbildung 9 ablesen!) Damit lässt sich die praktische Leistungsgrenze berechnen: f . . Ein Triathlet verbraucht aber beim Ironman auf Hawaii bei Rekordzeit von ca. 8 Stunden — 1:00 Schwimmen (3,8 km), 4:30 Radfahren (180 km), 2:40 Marathon (42,5 km) — durchschnittlich mindes- tens 4.000 kJ pro Stunde zusätzlich zum Grundumsatz (ca. 300 kJ/h). Der Spitzenbedarf dürfte beim Radfahren (Durchschnittsgeschwindigkeit 40 km/h) erreicht werden, nämlich g . kJ/h (s. 2 s. Fußnote 3. 3 Der Partialdruck eines Gases ist der Druck, der in einem Gemisch von Gasen von jedem einzelnen dieser Gase ausgeübt wird. Wenn das Gasgemisch z. B. trockene Luft ist, so hat Sauerstoff einen Anteil von 21 Vol%. Bei Luft mit dem auf Meeres- spiegelhöhe anzutreffenden Druck von 1013 mbar (bzw. hPa) beträgt der Sauerstoffpartialdruck also 0,21 x 1013 mbar = 213 mbar. Da die Luft in den Lungenbläschen — wo der Gasaustausch zwischen Atemluft und Blut geschieht — aufgrund der Be- feuchtung mit Wasserdampf und der Abgabe von Kohlenstoffdioxid aus dem Blut einen geringeren Sauerstoffgehalt hat, be- trägt der Sauerstoffpartialdruck im das Herz verlassenden arteriellen Blut nur 133 mbar.

— Station 3 — Seite 18 — Station 3 — Seite 18 Lernzirkel „Mein Bike und ich“ nzirkel „Mein Bike und ich“ Abbildung 14). Welche Faktoren könnten die „Leistungs- lücke“ schließen? Abbildung 14). Welche Faktoren könnten die „Leistungs- lücke“ schließen? Da ist zum einen der Umstand, dass der Gehalt des Blu- tes an Kohlenstoffdioxid — dem Verbrennungsprodukt der Nährstoffe — im Muskel steigt. Dadurch verändert sich die Sauerstoffbindungskurve des Hämoglobins so, dass bei gleichem Sauerstoffpartialdruck weniger Sauer- stoff gebunden werden kann und mehr an den Muskel abgegeben werden kann. Zum anderen erhöhen Leis- tungssportler die Zahl der roten Blutzellen je mm³, indem sie im Gebirge auf 2-3.000 m Höhe (oder in einer mit dem entsprechenden niedrigen Luftdruck ausgestatteten Hö- henkammer) trainieren. Gesteuert wird die Zellver- mehrung durch ein von der Niere ausgeschüttetes Hor- mon, das Erythropoetin (EPO), das im roten Knochen- mark die Bildung roter Blutzellen anregt. Die Ausschüt- tung des Hormons erfolgt, wenn der arterielle Sauerstoff- gehalt des Blutes längere Zeit einen bestimmten Wert unterschrei- tet. So ha- ben die Be- wohner der Anden — die dort in 3.000-4.000 m Höhe leben — 8 Mio. RBZ je mm³ Blut. Das Hormon EPO kann allerdings auch injiziert werden, was als Doping gilt (s. Zeitungs- ausschnitt links unten und Info-Kasten rechts oben). Da ist zum einen der Umstand, dass der Gehalt des Blu- tes an Kohlenstoffdioxid — dem Verbrennungsprodukt der Nährstoffe — im Muskel steigt. Dadurch verändert sich die Sauerstoffbindungskurve des Hämoglobins so, dass bei gleichem Sauerstoffpartialdruck weniger Sauer- stoff gebunden werden kann und mehr an den Muskel abgegeben werden kann. Zum anderen erhöhen Leis- tungssportler die Zahl der roten Blutzellen je mm³, indem sie im Gebirge auf 2-3.000 m Höhe (oder in einer mit dem entsprechenden niedrigen Luftdruck ausgestatteten Hö- henkammer) trainieren. Gesteuert wird die Zellver- mehrung durch ein von der Niere ausgeschüttetes Hor- mon, das Erythropoetin (EPO), das im roten Knochen- mark die Bildung roter Blutzellen anregt. Die Ausschüt- tung des Hormons erfolgt, wenn der arterielle Sauerstoff- gehalt des Blutes längere Zeit einen bestimmten Wert unterschrei- tet. So ha- ben die Be- wohner der Anden — die dort in 3.000-4.000 m Höhe leben — 8 Mio. RBZ je mm³ Blut. Das Hormon EPO kann allerdings auch injiziert werden, was als Doping gilt (s. Zeitungs- ausschnitt links unten und Info-Kasten rechts oben). Auch manche Fußballer sind gedopt!

Im Oktober 2004 machte der Fuß- ballclub Juventus Turin Negativ- Schlagzeilen: Der Teamarzt soll laut Staatsanwaltschaft den Spie- lern das Blutdopingmittel EPO (Erythropoetin) verabreicht haben. Zum einen sollen Spieler über einen langen Zeitraum regelmäßig mit niedrigen Dosen des Mittels behandelt worden sein. Zum ande- ren sollen verletzte Spieler hohe EPO-Dosen injiziert bekommen haben, damit die Regeneration schneller erfolgte. Diese Behand- lung habe aber nur kurze Zeit ge- dauert. Verdacht auf EPO-Doping kommt auf, wenn die Hämatokrit- Werte einer Person starke Schwankungen aufweist. Dies war bei zehn Spielern von Juventus Turin über mehrere Jahre der Fall gewesen.1 Wenn man allerdings z. B. mit dem Rad fährt und die mechanisch auf sich selbst übertragene Energie ermit- telt, so scheint die Leistungsfähigkeit des menschlichen Organismus sehr viel geringer zu sein: Eine Belastung mit 400 W (=400 J/s) bzw. 1.440 kJ/h ist kaum längere Zeit durchzuhalten. Dies liegt daran, dass der menschli- che Körper wie jede Maschine, die die in Brennstoffen gespeicherte chemische Energie (Primärenergie) in me- chanische oder elektrische Energie umwandelt, nur ei- nen Teil der Primärenergie auf diese Art nutzbar machen kann. Dieser Anteil (in %) ist der sogenannte Wirkungs- grad. Er wird mit dem griechischen Buchstaben η (eta) bezeichnet.

Wenn man allerdings z. B. mit dem Rad fährt und die mechanisch auf sich selbst übertragene Energie ermit- telt, so scheint die Leistungsfähigkeit des menschlichen Organismus sehr viel geringer zu sein: Eine Belastung mit 400 W (=400 J/s) bzw. 1.440 kJ/h ist kaum längere Zeit durchzuhalten. Dies liegt daran, dass der menschli- che Körper wie jede Maschine, die die in Brennstoffen gespeicherte chemische Energie (Primärenergie) in me- chanische oder elektrische Energie umwandelt, nur ei- nen Teil der Primärenergie auf diese Art nutzbar machen kann. Dieser Anteil (in %) ist der sogenannte Wirkungs- grad. Er wird mit dem griechischen Buchstaben η (eta) bezeichnet.

Abdruck des Zeitungsausschnitts (02. 07. 2004) mit freundlicher Genehmigung des Medienunternehmens Heil- bronner Stimme GmbH & Co. KG. Der Info-Kasten basiert auf einem Artikel „Staatsanwaltschaft: Doping mit EPO“ aus der Heilbronner Stimme vom 16. 10. 2004.

Lernzirkel „Mein Bike und ich“ — Station 3 — Seite 19

— Station 4 — Seite 20 Lernzirkel „Mein Bike und ich“ Station 4: Wie entsteht die Tret- bzw. Zugkraft im Bein? Material • Skelett des Menschen • Metermaß • (Zeichenbrett und Stifte) Aufgabenstellung 1. Erstellt mit Hilfe der Fachinformation und den sonstigen zur Verfügung stehenden Mate- rialien eine Konstruktionszeichnung im Maßstab 1:5 für ein einfaches Funktionsmodell (Erklärung s. Kasten) des menschlichen Beines incl. Becken, das das Beugen und Stre- cken des Beins ermöglichen soll (Ab- spreizen nicht nötig!) — nur eine Kör- perseite berücksichtigen. Beachtet da- bei die Grundregeln für technisches Zeichnen (s. Fachinformationstext). Das Modell soll sowohl die Knochen zeigen als auch die wesentlichen Mus- keln. Geht dabei davon aus, dass Modelle in Naturwissenschaft und Technik Modelle dienen unterschiedlichen Zwecken. Des- halb unterscheidet man: • Strukturmodelle sollen ein reales Objekt so detailgetreu und maßstabsgetreu wie möglich nachbilden. Dazu benutzt man durchaus ande- re Materialien — es geht darum, die äußeren Merkmale darzustellen. Beispiele sind eine Modelleisenbahn, das Modell eines Gebäudes bei einem Architektenwettbewerb, das Modell einer Schmetterlingsblüte, ... − Sperrholz der Dicke d = 12 mm das Baumaterial für das Becken, Holz- latten der Dicke d = 12 mm und der Breite b = 50 mm jenes für die üb- rigen Knochen incl. Wirbelsäule, − Bindfaden das Baumaterial für Sehnen (in der Zeichnung als rote Linien zeichnen), − Gummiband das Material für Mus- keln (in der Zeichnung als rote Spi- ralfeder bzw. Zickzacklinie zeich- nen), − Schrauben (M6) das Baumaterial für eine gelenkige Verbindung von Knochen sein werden. Als Befestigungsmöglich- keit einer „Sehne“ am „Knochen“ lässt sich eine Schrauböse benutzen. Die Ansatzpunkte der jeweiligen Muskeln (bzw. ihrer Sehnen) müsst ihr der Fachinformation entnehmen. Erläutert eure Konstrukti- onszeichnung mit einem Text.

• Funktionsmodelle sollen darstellen, wie z. B. ein Objekt funktioniert, wie bestimmte Prozes- se ablaufen u. ä. Dazu genügt es, die wesent- lichen Bestandteile des Objekts schematisch zu erfassen und die Beziehungen zwischen ihnen richtig herzustellen. Beispiele sind das Erbsen-Senfkorn-Modell zur Erklärung der Vo- lumenkontraktion beim Mischen von Wasser und Alkohol bzw. ein quer über einen Bleistift gelegtes Lineal als Modell für eine römische Steinschleuder. 2. Informiert euch mit Hilfe des Biologie-Buches, wie der Muskel Kraft entwickelt. Erstellt eine verständliche Zusammenfassung im Heft.

— Station 4 — Seite 21 Lernzirkel „Mein Bike und ich“ Fachinformation Die Pedalkraft wird in erster Linie vom Vierköpfigen Oberschenkel- muskel erzeugt (s. Abbildung 10). Er ist der einzige Muskel, der am Kniegelenk als Strecker wirkt. Er heißt „vierköpfig“, weil er am oberen Ende in vier Muskeln ausläuft mit jeweils eigener Sehne. Drei seiner „Köpfe“ setzen am Oberschenkelknochen an, das vierte aber am Darmbein, einem Bestandteil des Beckens (s. Abbildung 11). Dieser Kopf erklärt, weshalb der Oberschenkelmuskel beansprucht wird, wenn eine Beugung am Hüftgelenk erfolgt, z. B. beim Heben eines Beines im Stand.

Das untere Ende des Oberschenkelmuskels setzt am oberen Ende des Schienbeines mit einer Sehne an. In diese ist die Kniescheibe als ein sogenanntes Sesambein eingelagert. Die Funktion von Sesam- beinen ist in erster Linie, die Sehne eines Muskels in eine zur Kraft- übertragung günstigere Position zu bringen — Abbildung 12 verdeut- licht dies am Beispiel des Oberschenkelmuskels. Unterstützt wird die Arbeit des Oberschenkelmuskels beim Radfahren von dem an den Unterschenkelknochen ansetzenden Wadenmuskel [s. Abbildung 13 a)]. Seine Funktion ist das Strecken des Fußes, z. B. wenn man sich auf die Zehenspitzen stellt (s. u.).

Abbildung 10: Muskulatur des Beines (von vorne ge- sehen) [Quelle: Smith (2004): Der menschliche Körper. 3. Auflage. — Köln: Karl Müller Verlag, Titelblatt. Abdruck mit freundlicher Genehmigung des Weltbild Buchverlages.] Wenn man mit Renn- haken fährt, entfaltet man auch noch bei der Aufwärtsbewe- gung des Pedals mit den das Knie beu- genden Muskeln, z. B. dem zum Waden- bein ziehenden zwei- köpfigen Schenkel- muskel, Kraft. Diese das Knie beugenden Muskeln setzen an der rückwärtigen Seite des Sitzbeins — auch ei- nem Bestandteil des Beckens — an und dienen neben dem Beugen des Knies auch dem Strecken der Hüfte. Also werden diese Muskeln auch beim Abwärtstreten des Pedals benötigt, genauso wie der große Gesäßmuskel. Dieser bildet neben einer gewissen Schicht Unterhaut- fettgewebe die Pobacken. Selbstverständlich werden für die Kraft entfaltende Aufwärtsbewegung des Beines auch noch die Gegenspie- ler (Antagonisten) des Wadenmuskels, z. B. der vordere Schienbein- muskel, benötigt — warum?

Abbildung 11: Wirbelsäule, Becken und O- berschenkel [Quelle: Smith (2004): Der menschliche Körper. 3. Auflage. — Köln: Karl Müller Verlag, S. 43; Beschriftung Gne- kow-Metz. Abdruck mit freundlicher Geneh- migung des Weltbild Buchverlages.] Abbildung 12: Wirkung eines Sesambeines für die An- griffsrichtung einer Mus- kelsehne bei gestreckter Gliedmaße. [Quelle: Betz, E. et al. (2001): Biologie des Menschen. 15. Aufl.. — Wiebelsheim: Quelle & Meyer, S. 199. Abdruck mit freundlicher Genehmigung von Quelle & Meyer Verlag & Co.]

Lernzirkel „Mein Bike und ich“ — Station 4 — Seite 22 a) b) Abbildung 13: a) Rückseitige Ansicht der Muskulatur des rechten Unterschenkels; b) Seitliche Ansicht des Fußskeletts (S = Ansatzpunkt der Achillessehne; D = Drehpunkt am Ballen bzw. Kontaktpunkt mit dem Boden; K = Ansatzpunkt der Gewichtskraft im Sprunggelenk) [Quellen: a) Smith (2004): Der menschliche Körper. 3. Auflage. — Köln: Karl Müller Verlag, S. 57; Abdruck mit freundlicher Geneh- migung des Weltbild Buchverlages. b) verändert aus: http://www.schule-bw.de/unterricht /faecher/nwt/nwt/ueinheiten/fort/fort.html].

Die Kraft, mit der z. B. das Körpergewicht G beim Heben der Ferse (um sich auf die Zehen zu stellen) vom Wadenmuskel gehoben wird, wird über die Achillessehne auf das Fersenbein (einer der Fußwur- zelknochen) übertragen. Die Fußwurzel- und Mittelfußknochen stellen in ihrer Gesamtheit einen Hebel dar. — wie auch viele andere Knochen des menschlichen Skeletts in Verbindung mit den entspre- chenden Muskeln. Technisches Zeichnen — eine Einführung „Zur Fertigung eines Gegenstandes nach Zeichnung muss diese alle erforderlichen Angaben über Form und Größe enthalten. Damit derjenige, der nach der Zeichnung arbeitet, versteht, was der Zeichner dargestellt hat, werden Regeln für das Zeichnen festgelegt (DIN-Normen). So ist es mithilfe von Zeichnungen möglich, sich ohne zusätzliche Erklärungen zu verständigen.“4 Die Grundzüge des technischen Zeichnens sind auf der folgenden Seite veranschaulicht5 . Falls du noch weitere Details erfahren willst, schaue in den Büchern der Handbibliothek nach. 4 Henzler, S & Leins, K. (1999, Hrsg.): Mensch, Umwelt, Technik für die Klassen 5 + 6. — 4. durchgesehene Aufl. — Hamburg: Verlag Handwerk und Technik, Seite 78.

5 Henzler, S & Leins, K. (1999, Hrsg.): Mensch, Umwelt, Technik für die Klassen 5 + 6. — 4. durchgesehene Aufl. — Hamburg: Verlag Handwerk und Technik, Seite 78. Abdruck mit freundlicher Genehmigung des Verlag Handwerk und Technik.

— Station 4 — Seite 23 Lernzirkel „Mein Bike und ich“ Aus: Henzler, S & Leins, K. (1999, Hrsg.): Mensch, Umwelt, Technik für die Klassen 5 + 6. — 4. durchgesehene Aufl. — Ham- burg: Verlag Handwerk und Technik, Seite 78. Abdruck mit freundlicher Genehmigung des Verlag Handwerk und Technik. Wenn ein im Inneren des Werkstücks verborgenes Detail deutlicher darge- stellt werden soll, so behilft man sich mit einem in die technische Zeichnung integrierten Quer- bzw. Längsschnitt. Dabei wird das feste Material schraf- fiert (s. Abb. rechts)6 .

6 Henzler, S. & Leins, K. (o. J): Technik an Hauptschulen für die Klassen 5, 6, 7, 8, 9. — Hamburg: Verlag Handwerk und Technik, S. 51. Abdruck mit freundlicher Genehmigung des Verlag Handwerk und Technik.

Lernzirkel „Mein Bike und ich“ — Vorlagen für Protokollblätter — Seite 24 Vorlagen für Protokollblätter

Lernzirkel „Mein Bike und ich“ — Vorlagen für Protokollblätter — Seite 25 Protokollblatt Station 1 7 6 5 4 3 2 groß 1 7 6 5 4 3 2 mittel 1 7 6 5 4 3 2 klein 1 Blatt Ritzel Z B Z R Z R /Z B F A (N) F P (N) F A /F P

Lernzirkel „Mein Bike und ich“ — Vorlagen für Protokollblätter — Seite 26 Protokollblatt Station 2 330 330 300 300 270 270 240 240 210 210 180 180 150 150 120 120 90 90 60 60 30 30 /360 /360 Rechtes Bein, abwärtstretend Winkel Pedalposition (Grad) ideal real Antriebskraft F A (N) Messwert a Messwert b Mittelwert Pedalkraft F P (N) berechnet Linkes Bein, aufwärtsziehend (entspricht rechtem Bein, aufwärtsziehend) Winkel Pedalposition (Grad) ideal real Antriebskraft F A (N) Messwert a Messwert b Mittelwert Pedalkraft F P (N) berechnet

Lernzirkel „Mein Bike und ich“ — Vorlagen für Protokollblätter — Seite 27 Protokollblatt Station 3 Blutdruck (mm/mm) Messwert Stufe am Hometrainer Trittgeschwindigkeit (U/min) Mechan. Leistung (W) Dauer (min) Puls (min -1 ) systolisch diastolisch Atemzugvolumen (l) Atemfrequenz (min -1 ) Atemminutenvolumen (l/min) a - 0 (Ruhe) --- b - 0 (Ruhe) --- Mittel a b Mittel a b Mittel a b Mittel Hinweise zur Auswertung • Alle Graphen in ein einziges Diagramm einzeichnen. − x-Achse: mechanische Leistung (W) − y-Achse: Puls, Atemfrequenz, Atemzugvolumen, Atemminutenvolumen, systolischer Blutdruck, diastolischer Blutdruck (jeweils ein Graph pro Parameter) • Ihr müsst deshalb das Diagramm manuell, d. h. nicht mit einem Tabellenkalkulations- programm, erstellen. Der Grund dafür ist: Die verschiedenen zu messenden bzw. zu be- rechnenden Größen haben sehr unterschiedliche Zahlenwerte. Damit ist die Darstellung auf einer gemeinsamen y-Achse nicht ohne weiteres möglich. Ihr braucht also mehrere y- Achsen mit jeweils eigenem Achsenmaßstab (= Skalierung). Selbst Excel ermöglicht nur das Arbeiten mit zwei verschiedenen y-Achsen, und dies auch nur bei Diagrammen, in denen eine Größe in Form einer Linie, die andere in Form von Balken dargestellt werden. Manuell könnt ihr für die verschiedenen Größen aber beliebig viele unterschiedlich ska- lierte y-Achsen einzeichnen.