+
Der hoch geschossene Elfmeter ist leichter zu halten als der flache: Bayern-Torwart Manuel Neuer in einem physikalischen Grenzfall – den er erfolgreich besteht.

Hintergrund am Wochenende

Im Sport ist alles Physik

  • Günter Klein
    vonGünter Klein
    schließen

München - Der moderne Leistungssport wird wissenschaftlich durchleuchtet. Auch für die Physik bietet er ein wunderbares Spielfeld. Zwei Spezialisten von der Universität Graz haben ihre Erkenntnisse über fliegende Torhüter, aufeinanderkrachende Eishockey-Cracks und den Aufschlag-Weltrekord im Tennis zusammengefasst.

Wir bewundern ihn, den Karateka. Legt sich ein Stück Holz oder womöglich gleich eine Betonplatte hin – und schlägt sie entzwei.

Leopold Mathelitsch und Sigrid Thaller sind weniger ehrfürchtig. Denn die beiden Physiker haben ganz nüchtern ausgerechnet: Das funktioniert schon. Sie verwenden dazu das Hooke’sche Gesetz. Welche Bruchspannung haben Holz und Beton? Welche Energie muss auf sie einwirken? Trainierte können ihre Hand mit bis zu 14 Metern pro Sekunde bewegen (der Normalbürger kommt auf nur sechs Meter); der Athlet muss sich halt überwinden, „mit maximaler Geschwindigkeit durchzustoßen, während der Laie sie unterbewusst abbremsen würde“. Menschliche Knochen seien „ein viel stabileres Material als Holz oder Beton“, wissen die Wissenschaftler. Und durch die Elastizität von Bändern und Sehnen verteilen sich die Kräfte auf ein größeres Volumen.

Natürlich wenden die Karatekas ein paar Tricks an: Bretter und Beton werden vorher getrocknet, das Holz soll so liegen, dass die Maserung parallel zur Hand liegt – und rumms. Klotz bricht.

Leopold Mathelitsch und Sigrid Thaller verfolgen die diversen Sportarten mit anderen Augen, mit denen des Physikers. Sie lehren an der Universität Graz und haben ein Buch geschrieben: „Die Physik des Sports“ (Verlag Wiley-VCH). Und ja: Sport ist immer auch ein physikalisches Ereignis.

Gehen wir also auf einen Trip durch die Welt des Sports – und was aus physikalischer Sicht auffällt:

Leichtathletik

Hier hat die Wissenschaft schon immer interessiert: Wie kam der legendäre Weltrekord-Weitsprung des Amerikaners Bob Beamon zustande, die 8,90 Meter von Mexiko 1968, eine Steigerung um 55 cm gegenüber der vorherigen Bestmarke?

Ein wesentlicher Punkt: Mexiko-Citys Höhenlage auf 2240 Metern. Die Luftdichte ist um 20 Prozent geringer als auf Seehöhe – das ermöglicht eine höhere Anlaufgeschwindigkeit bei geringerem Luftwiderstand.

Der Stand der Forschung: 15 Zentimeter hat die Höhenlage beigetragen, 16 Zentimeter der günstige Rückenwind von zwei Metern pro Sekunde. Aufs Konto von geringerer Erdbeschleunigung und einem dadurch veränderten Absprungwinkel gehen zwei Zentimeter. „Real“ war Bob Beamons Sprung immer noch 8,57 Meter wert.

23 Jahre später sprang Mike Powell 8,95 Meter – sein Rekord hält nun schon länger als die Jahrhundertmarke von Beamon. Geht es überhaupt noch einmal weiter?

Die Frage nach den Grenzen ist eine der spannendsten in der Leichtathletik, diesem Ursprungssport menschlichen Tuns (Laufen, Springen, Werfen). Als nahezu ausgereizt gelten etwa 800- und 1500-Meter-Lauf der Frauen, wohingegen beim Marathon noch Luft nach oben ist – vom derzeitigen (2:15:25 Stunden) zum möglichen Rekord (2:06:35 – wäre heute eine Weltklassezeit bei den Männern).

Auf den 100 Metern sind diversen Studien zufolge bei den Männern 9,29 Sekunden (aktuell: Usain Bolt, 9,58) und bei den Frauen 10,11 Sekunden (am schnellsten bislang 1988 Florence Griffith-Joyner in 10,49) erreichbar.

Was natürlich jede Vorhersage umwerfen kann, ist die Erfindung neuer Techniken. Nicht gerade im Laufen, aber etwa beim Kugelstoßen. Aus physikalischer Sicht eine interessante Disziplin, weil es einen idealen Abstoßwinkel von 42 Grad gibt, der aber kaum zu erreichen ist. Am nächsten kam ihm die Österreicherin Veronika Watzek, die die Kugel in der rechten Hand hielt und auf dem linken Arm ein Rad schlug – die „Cartwheel-Technik“ wurde dann aber verboten. Zu gefährlich.

Fußball

Hier haben sich Mathelitsch und Thaller den Elfmeter herausgegriffen. Und untersucht, ob ein Torwart tatsächlich, wie Kommentatoren das gerne behaupten, auf das reagieren kann, was der Schütze macht.

Also: Ein Ball, der mit 100 km/h getreten wird, benötigt bis zum Tor 0,4 Sekunden. Reaktionszeit des Torwarts im besten Fall: 0,1 Sekunden. 0,3 Sekunden blieben ihm, um seine Erkenntnisse umzusetzen, seinen Muskeln Befehle zu geben und sich dorthin zu werfen, wohin der Ball fliegt. Sein Körperschwerpunkt liegt in einem Meter Höhe, er wird 0,45 Sekunden brauchen – und käme zu spät.

Dennoch werden Elfmeter gehalten, weil, so die Grazer Physik-Experten, „die guten Torhüter die Flugrichtung des Balls aus der Anlaufbewegung des Schützen ableiten“. Beim platzierten flachen Ball ist die Chance des Keepers am geringsten, sie verbessert sich beim höheren Schuss, „weil bei der Bewegung nach oben die Beinmuskeln eingesetzt werden. Darum wählen die Torleute beim Elfmeter auch eine niedrigere Ausgangsposition.“

Schwimmen

Es gibt viele Lagen – welche erfordert die meiste Energie?

Klare Antwort von Sigrid Thaller und Leopold Mathelitsch: „Der Schmetterlingsstil benötigt bei jeder Geschwindigkeit die meiste Leistung. Brustschwimmen ist energetisch etwas günstiger. Weitaus weniger Energie pro Zeit braucht man für die asymmetrischen Schwimmstile Kraul und Rückenkraul.“

Schneller als an der Wasseroberfläche kommt man unter Wasser voran. Oben muss man gegen den Wasserdruck der Bugwelle anschwimmen, wer abtaucht, entgeht den Wellen und ihren energetischen Anforderungen. Deswegen bleiben Wettkampfschwimmer nach der Wende so lange unter Wasser und nutzen die vom Reglement erlaubte Tauchphase aus – unterstützt durch einen Delphinschlag, eine wellenförmige Bewegung von Rumpf und Beinen.

Skifahren

Am flottesten unterwegs auf Brettern ist man in der Falllinie. Der Ski, der geradeaus fährt, hat den geringsten Schneeräumwiderstand zu überwinden – so sieht der Physiker die Skigaudi. Ansonsten kommt die Geschwindigkeit aus der Gravitation. Die Ski-Performance wird in erster Linie von der Muskelkraft bestimmt, die Knochen übernehmen die Rolle von Hebeln, auf Muskeln und Sehnen wirken massive Kräfte – die Spitzenwerte liegen bei 12 000 Newton.

Beim Carven baut man Geschwindigkeit in den Kurven auf – durch das kurzzeitige Stehen in der Falllinie und das unterstützende Strecken der Beine. Im Idealfall stellt der Skifahrer sein Gewicht so, dass die gesamte Kante des Skis Kontakt mit dem Schnee aufnimmt und man wie auf Schienen fährt. Es ist der perfekte Schwung.

Skispringen

Rückenwind verkürzt die Weite, Gegenwind ist Aufwind und erhöht sie. Die Zeit, einen guten Absprung zu erwischen, beträgt 300 Millisekunden, in dieser Zeit muss der Sportler „mit aller Kraft aus der Hocke nach oben springen“ und „eine Rotation des Körpers nach vorn“ einleiten. Die beste Phase des Sprungs ist nach einer halben Sekunde oder 20 Metern erreicht, wenn die Luft unter die angehobenen Skispitzen strömt.“

Eishockey

Wie kann man einen Puck so treffen, dass er 170 km/h schnell wird?

Treibende Bewegung beim Schlagschuss ist die Rotation des Oberkörpers. Doch selbst die alleine würde noch nicht genügen, um die Scheibe so zu beschleunigen. Wer genau hinsieht, bemerkt, dass bei mächtigen Schüssen der Puck nie direkt vom Schläger getroffen wird. Vielmehr setzt die Kelle schon 20 bis 30 Zentimeter vor dem Puck auf dem Eis auf, dadurch kann die Hand auf den Schläger einen solchen Druck ausüben, dass er sich durchbiegt – die Besten nutzen diese Biegephase aus, verlängern sie, die Streckbewegung des sich entspannenden Schlägers gibt dem Puck schließlich den Drive. Geschwindigkeitsgewinn: 40 Prozent.

Würde ein Torwart ungeschützt die Scheibe abkriegen, wären bei einem Druck von über 100 Pascal Platzwunden und Knochenbrüche die unweigerliche Folge. Die Ausrüstung besteht daher aus weichen Materialien, die den Bremsweg verlängern, und harten Platten, die die Kraft auf eine größere Fläche verteilen.

Enorme Kräfte wirken beim Bodycheck, wo beim Crash zweier Spieler, die beide im Tempo daherkommen, Deformationsenergie freigesetzt wird. Weniger schlimm ist es, wenn ein Spieler gegen die Bande gecheckt wird. „Es fällt die Energie des entgegenfahrenden Spielers weg, vor allem aber verformt sich die Bande, so dass sie viel Energie aufnimmt“, so die Physiker aus Graz.

Überall im Sport steckt die Physik mit ihren Gesetzen. Dennoch gibt es Unterschiede zwischen physikalischer und sportlicher Leistung. Dafür haben Sigrid Thaller und Leopold Mathelitsch drei Fälle verglichen.

Ein extremer Treppenlauf, 222 Höhenmeter, 1202 Stufen in sechseinhalb Minuten.

Gewichtheben: Stoß-Weltrekord durch den Iraner Rezazadeh, der in 0,9 Sekunden 263 Kilo zur Hochtrecke brachte.

Tennis: Beschleunigung des 58 Gramm schweren Balls auf den Aufschlagweltrekord von 263 km/h.

Beim Treppenlauf wurde eine Leistung von 390 Watt erzielt, beim Gewichtheben 2600 Watt, beim Tennis 31 000 Watt.

Über die Anstrengung sagt das: nichts.

Auch interessant

Kommentare