Die Physik von Sportarten

Videoanalyse von Ballflugkurven


Facharbeit (Schule), 2012
28 Seiten, Note: 13

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Allgemeine Einleitung
1.2 Einführung in die Physik von Ballflugkurven

2. Videoanalyse
2.1 Aufbau / Beschreibung des Videos
2.2 Beschreibung der Auswertung mittels der Videoanalyse–Software
2.3 Ergebnisse / Diagramme
2.4 Vergleich der Diagramme und Tabellen
2.5. Messungenauigkeiten

3. Theoretische Betrachtung der Ballflugkurve

4. Fazit

Quellenverzeichnis

Anhang
Rotationsrichtung 1
Rotationsrichtung 2
Rotationsrichtung 3

1. Einleitung

1.1 Allgemeine Einleitung

Das Thema dieser Facharbeit lautet recht allgemein gefasst „Die Physik von Sportarten“. Ich habe mich dazu entschieden, eine spezielle Sportart zu betrachten, nämlich Tischtennis. Dazu habe ich drei kurze Videosequenzen aufgenommen, in denen jeweils ein Ball von einer Ballmaschine auf die andere Tischhälfte geschossen wird. Um die dokumentierten Bewegungs­abläufe später vergleichen zu können, habe ich die Rotationsart des Balles verändert. Die drei Videosequenzen werde ich mittels der Software „Coach6 MV“ analysieren. Anschließend werde ich die auf praktische Art und Weise erworbenen Daten vor den theoretischen Hintergrund beleuchten und Vergleiche zu anderen Sportarten aufzeigen.

Ich habe mich für dieses Thema entschieden, weil ich es nicht nur interessant finde, einmal etwas über mein Hobby Tischtennis in der theoretischen Physik zu erfahren, sondern auch der Meinung bin, dass solche Flugkurven im allgemeinen Leben öfter vorkommen und es nützlich ist, sich diese Phänomene auch erklären zu können.

1.2 Einführung in die Physik von Ballflugkurven

In dieser Facharbeit werde ich mich mit den Ballflugkurven auseinandersetzen, aber nicht mit deren Entstehung. Das heißt, dass ich die Physik erst ab dem Zeitpunkt betrachte, wenn der Ball in der Luft ist. Dies liegt zum einen daran, dass die Facharbeit auf praktischen Versuchen beruhen soll. Eine Videoanalyse der Flugkurvenentstehung ist wohl nicht möglich, sondern nur eine rein theoretische Erklärung. Außerdem habe ich zur Erzeugung von Ballflugkurven eine Ballmaschine verwendet. Würde ich Spieler beim Spielen filmen, käme es zu deutlichen Unregelmäßigkeiten und ich würde z. B. Rotationsarten nicht richtig vergleichen können. Außerdem ist meiner Ansicht nach die physikalische Betrachtung der Ballmaschine in diesem Themenzusammenhang weniger sinnvoll.

2. Videoanalyse

Der Einfachheit halber werde ich auf den folgenden Seiten die Begriffe „Rotationsrichtung 1, 2 bzw. 3“ verwenden. Dabei bedeutet „Rotationsrichtung 1“ eine Rotation des Balles, die entgegengesetzt zur Flugrichtung gerichtet ist. „Rotationsrichtung 2 bzw. 3“ haben dieselbe Rotationsrichtung, nämlich in gleicher Richtung zur Bewegungsrichtung des Balles. Allerdings rotiert der Ball mit „Rotationsrichtung 3“ dabei deutlich schneller, es handelt sich dabei also um eine gleiche Rotation, jedoch in stärkerer Ausführung.

2.1 Aufbau / Beschreibung des Videos

Für diese Facharbeit habe ich drei kurze Videosequenzen gedreht, die eine typische Flugkurve eines Tischtennisballes zeigen. Um ständige Mess­ungenauigkeiten zu vermeiden und die Ergebnisse zu präzisieren, habe ich eine Ballmaschine benutzt. Diese kann die Bälle in drei verschiedenen Rotationseinstellungen schießen: entweder mit Rückwärtsrotation oder mit Vorwärtsrotation bzw. mit noch stärkerer Vorwärtsrotation. Da die Maschine sehr einfach konstruiert ist und sich die Geschwindigkeit nur durch einen Drehknopf regulieren lässt, kann man der Maschine keinen genauen Wert entnehmen, mit der die Bälle aus dieser herausgeschossen werden. Um einen angemessen Vergleich der drei Rotationseinstellungen durchführen zu können, habe ich jeweils die höchst mögliche Geschwindigkeit eingestellt.

Das Video wurde von einer Kamera aus gedreht, die auf einem Stativ befestigt war. Trotzdem kann die Perspektive leicht verzerren, so dass folgendes Bild die tatsächlichen Maße darstellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Wert für l, also der Länge einer Tischhälfte erfolgt aus der Gesamtlänge von 2,74 Metern. Der Wert h beschreibt den Abstand der Tischoberfläche zum Boden, also genau 76,2 cm. Der Wert d beschreibt jeweils den Abstand des Punktes, an dem die Bälle auf den Boden prallen, zu der Kante des Tisches. Er ist veränderlich und somit auf dem Bild nicht als fester Wert eingetragen, weil die Bälle je nach Rotationseinstellung eine unterschiedlich lange Flugstrecke haben.

2.2 Beschreibung der Auswertung mittels der Videoanalyse–Software

Die Software „Coach6 MV“ hat auf mich einen sehr positiven Eindruck gemacht. Die Bedienung war insgesamt recht einfach, obwohl die Software viele ausführliche Funktionen zur Videoanalyse bietet.

Zuerst muss das Video eingefügt werden. Anschließend werden die grundlegenden Daten für die spätere Auswertung festgelegt, so z. B. die Anzahl der Einzelbilder. Außerdem kann man die Perspektive des Videos korrigieren. Dies ist sehr hilfreich, aber trotzdem nicht ausreichend, worauf ich unter Punkt 2.4 genauer eingehen werde.

Anschließend fängt man mit der eigentlichen Auswertung an. Man kann aus dem Video über die Funktion „als Diagramm anzeigen“ Diagramme erstellen. Im nächsten Fenster werden die Art der Diagramme, die Daten und deren Einheiten usw. eingestellt. In der erweiterten Auswertung mit z. B. neuen Graphen gibt man die gewünschten Größen und deren Einheiten einfach in das Fenster ein, und kann über einen Formeleditor die nötigen Berechnungen angeben. Die Zeit wird durch eine Funktion „Stoppuhr“ dargestellt. Außerdem gibt es Funktionen wie „unsichtbar“, durch die ein Graph unsichtbar gemacht wird. Diese Funktion habe ich sehr häufig benutzt, um die Diagramme übersichtlicher zu gestalten und auf überflüssige Daten zu verzichten. Des Weiteren kann man den erhaltenen Graphen glätten, worauf ich zu gegebenem Zeitpunkt noch weiter eingehen werde. Solche Funktionen erleichtern das Auswerten deutlich und optimieren die Ergebnisse. Aus den fertigen Diagrammen kann man nur sehr ungenau Werte ablesen. Aus diesem Grund habe ich eine Funktion genutzt, über die die Werte der Graphen in Tabellen dargestellt werden. Diese Tabellen habe ich zur Beschreibung der Ergebnisse genutzt.

Alle erstellten Diagramme und dazugehörigen Tabellen liegen im Anhang bei.

2.3 Ergebnisse / Diagramme

Ich habe mittels der Videoanalyse-Software zu den drei oben genannten verschiedenen Rotationsarten jeweils drei Graphen erstellt. Diese werde ich jetzt gegenüberstellen.

Die ersten drei Diagramme beschreiben einmal die „Strecke pro Zeit“ des Balles (in blau eingezeichnet) sowie die Höhe des Balles (in grün eingezeichnet) zu den bestimmten Zeitpunkten. Die Zeitachse stellt die Zeit in Sekunden dar. Dieses ist eine auswählbare Funktion der Software. Die y‑Achse stellt die zurückgelegte Strecke bzw. die Höhe des Balles in Meter dar. Die Software bietet die Funktion, die ermittelten Graphen in tabellarischer Form darzustellen, sodass ich die genauen Werte miteinander vergleichen werde. Sie aus dem Diagramm abzulesen ist nicht exakt möglich, da dafür die Skalierung zu niedrig ist. Die Graphen und dazugehörigen Tabellen liegen im Anhang bei. Außerdem ist zu beachten, dass es sich bei den Graphen um geglättete Graphen handelt und die Werte aus diesen geglätteten Graphen entnommen werden, nicht aus dem jeweiligen ursprünglichen exakten Graphen.

Der Ball mit der „Rotationsrichtung 1“ fliegt ca. 2,8 Meter weit, bis er das erste Mal auf dem Boden aufkommt. Dies geschieht, nachdem er etwa 1,05 Sekunden geflogen ist. Den höchsten Punkt der Flugkurve mit 1,19 Metern über dem Boden erreicht er nach 0,24 Sekunden, also noch vor dem Aufkommen auf dem Tisch. Er prallt nach 0,44 Sekunden auf den Tisch auf. Anschließend steigt er noch mal auf eine Höhe von 1,13 Metern, sinkt dann aber, bis er auf dem Boden aufkommt.

Der Ball mit der „Rotationsrichtung 2“ erreicht den höchsten Punkt der Flugkurve ebenfalls nach 0,24 Sekunden, ist dort aber bereits ca. 1,4 Meter hoch. Auf den Tisch prallt er nach etwa 0,48 Sekunden und steigt anschließend noch mal auf eine Höhe von ca. 1,35 Meter. Anschließend fällt er immer weiter runter, bis er nach ca. 1,14 Sekunden und einer zurückgelegten Strecke von etwa 4,5 Metern auf dem Boden aufkommt.

Der Ball mit der „Rotationsrichtung 3“ fliegt bis zum Kontakt mit dem Boden ähnlich weit, nämlich insgesamt ca. 4,45 Meter. Dies geschieht ebenfalls nach ca. 1,14 Sekunden. Den höchsten Punkt der Flugbahn mit ca. 1,26 Metern erreicht er nach etwa 0,3 Sekunden. Er prallt nach ca. 0,53 Sekunden auf dem Tisch auf und steigt anschließen noch mal auf eine Höhe von etwa 1,24 Meter bei 0,7 Sekunden.

Die nächsten Diagramme beschreiben die Geschwindigkeit v bei den dazugehörigen Werten der Höhe des Balles. Der grüne Graph ist jeweils derselbe wie in den vorherigen Diagrammen, er beschreibt also erneut die Höhe des Balles in Meter bei der entsprechenden Zeit t in Sekunden. Der rote Graph beschreibt die dazugehörigen Geschwindigkeiten v in m/s. Diese sind ziemlich ungenau, da erneut der geglättete Graph abgebildet ist und die Werte schon aus dem geglätteten Graphen „P1X“ stammen. Dieser ist durch die Funktion „unsichtbar“ im Diagramm nicht zu sehen.

Der Ball mit „Rotationsrichtung 1“ erreicht die höchste Geschwindigkeit ungefähr am höchsten Punkt der Flugkurve. Sie liegt nämlich nach 0,28 Sekunden bei 4,06 m/s. Ab diesem Punkt sinkt die Geschwindigkeit bis zu etwa dem Zeitpunkt, in dem der Ball am höchsten nach dem Aufkommen auf dem Tisch ist. Ab diesem Zeitpunkt steigt sie vorläufig wieder bis zu einem Wert von knapp über 2,87 m/s bei etwa 0,82 Sekunden. Danach sinkt sie wieder bis zu einem Wert von etwa 1,7 m/s, wenn der Ball auf dem Boden aufprallt.

Die Geschwindigkeit des Balles mit „Rotationsrichtung 2“ hat ebenfalls mit einem Wert von etwa 5,26 m/s den höchsten Wert beim Höhepunkt der Flugkurve, also nach 0,24 Sekunden. Danach sinkt sie ebenfalls wieder, bis sie nach ca. 0,84 Sekunden wieder steigt und bei etwa 0,92 Sekunden noch mal einen Wert von knapp 3 m/s erlangt. Danach sinkt sie wieder und hat einen Wert von ca. 1,8 m/s, wenn der Ball auf dem Boden aufspringt.

Das Geschwindigkeitsdiagramm der Flugkurve des Balles mit der „Rotationsrichtung 3“ weist ebenfalls das gleiche Schema auf und hat mit ca. 5,46 m/s den höchsten Wert bei 0,28 Sekunden. Anschließend sinkt die Geschwindigkeit wie schon bei den anderen beiden Flugkurven und erreicht den vorläufigen Tiefpunkt mit 3,25 m/s nach 0,84 Sekunden. Dann steigt sie wieder auf knapp 4 m/s beim Zeitpunkt 0,92 Sekunden, und hat beim Aufprallen des Balles auf dem Boden nur noch einen Wert von ca. 1,8 m/s.

Die letzten Diagramme sind Beschleunigungsdiagramme der jeweiligen Flugkurve. Die Zeitachse wurde wieder durch die Funktion „Stoppuhr“ eingestellt, die Beschleunigung ist mittels der Ableitung des geglätteten Geschwindigkeitsgraphen errechnet worden und in m/s2 dargestellt.

[...]

Ende der Leseprobe aus 28 Seiten

Details

Titel
Die Physik von Sportarten
Untertitel
Videoanalyse von Ballflugkurven
Note
13
Autor
Jahr
2012
Seiten
28
Katalognummer
V207400
ISBN (eBook)
9783656366171
ISBN (Buch)
9783656367147
Dateigröße
2097 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Ballflugkurve, Tischtennis, Ball, Flug, Magnus-Effekt, Physik, Sport
Arbeit zitieren
Julian Vehlies (Autor), 2012, Die Physik von Sportarten, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/207400

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