Kinetische Energie

Unter kinetischer Energie versteht man die Energie, die einem Körper innewohnt, der beschleunigt wurde.

Einführungsbeispiel

Ein 500kg schweres Kraftfahrzeug wurde zu ebener Erde in einer Zeit von 10 Sekunden gleichmäßig auf eine Geschwindigkeit von 72 km/h beschleunigt. Zieht man von der Kraft, die auf dieses Auto eingewirkt hat, alle Kräfte ab, die zur Überwindung des Luftwiderstands und anderer Widerstände erforderlich waren, so war zur Beschleunigung des Fahrzeugs eine Kraft von 1.000 Newton (abgek. N) nötig (dies entspricht der Gewichtskraft, die näherungsweise von einem 100kg schweren Gegenstand auf den Untergrund ausgeübt wird; die Berechnung wird unten erläutert).

Das Beispiel zeigt auch: Energie ist immer „gespeicherte Arbeit“. Es wurde nämlich während der gesamten Zeit Arbeit (Kraft x Weg) verrichtet. Das Ergebnis der Arbeit „steckt“ in dem beschleunigten Körper. In diesem Fall handelt es sich um 100.000 N·m = 100.000 Joule = 100kJ ≈ 24 Kalorien. In diesem Fall ist die Kraft von 1.000N gleichbleibend aufrecht erhalten worden. Für das Ergebnis, die gespeicherte Arbeit, ist es unerheblich, ob die Energie während einer Stunde, einer Sekunde, ungleichmäßig, gleichmäßig „hineingesteckt“ wurde, das Ergebnis ist immer das gleiche: Es sind 100kJ gespeichert.

Wird der Gegenstand gebremst, kann die Energie in eine andere Energieform umgewandelt werden. Bremst das Auto, so wird die Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Wenn man in der Lage ist, eine Versuchsanordnung zu bauen, die die abgegebene Wärmemenge mißt, wird man feststellen, daß diese 100kJ beträgt.

Eine andere sehr anschauliche Beschreibung der Umwandlung der Energie ist die Umwandlung in Potentielle Energie bei einer Eisenbahn, deren Stationen immer auf einem höheren Niveau liegen als die Strecke dazwischen. Eine Bahn, die mit 72km/h fährt, wird auf diese Weise z.B. bei einem Niveauunterschied von ca. 19m auf Null abgebremst (bei Abwesenheit aller Reibungskräfte wären es exakt 20m). Interessant ist, daß diese Höhe unabhängig vom Gewicht der Bahn ist, denn die Masse kürzt sich bei der Umrechnung von kinetischer in potentielle Energie aus der Rechnung heraus. Nach dem Verlassen der Station bekommt die Bahn dann eine „Beschleunigungshilfe“, indem die potentielle wieder in kinetische Energie umgewandelt wird.

Zu beachten ist auch: Der „Aufwand“ – d.h. der Bremsweg (über den eine konstante Kraft aufgewendet wird) oder der Niveauunterschied beim Eisenbahnbeispiel – wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Dies wird deutlich, wenn man die Berechnung betrachtet:

Berechnung

Die kinetische Energie beträgt bei Beschleunigung aus der Ruhe auf eine Geschwindigkeit v:

E_kin = 1/2 m v²

Die Einheit ist kg·m²·s^-2. Da die Einheit kg·m·s^-2 als Produkt aus Masse und Beschleunigung auch gleich N (Newton) ist, ist die genannte Einheit auch gleich N·m (diese Einheit wird im Unterschied zu Nm – was das Drehmoment bezeichnet – mit einem Mal-Punkt geschrieben). Da N·m = Joule, trägt die kinetische Energie also die „richtige“ Einheit einer Energieform bzw. der Arbeit.

Kinetische Energie beim Aufprall

Ein Aufprall ist nichts anderes als ein Bremsvorgang. Um den Körper wieder in Ruhelage zubringen, muß dieselbe Arbeit an ihm verrichtet werden, wie vorher bei der Beschleunigung, aber in umgekehrter Richtung. Auch hier gilt: W (Arbeit) = F (Kraft) x s (Weg). Bei einer gegebenen Arbeit W ist daher die Kraft um so größer, je kürzer der Bremsweg ist.

Der Helm

Ein sehr kurzer Bremsweg liegt vor, wenn der in Bewegung befindliche Kopf auf der Strecke abgebremst werden soll, die dem Abstand der Helmoberfläche und der Schädeldecke entspricht. Hierbei wird von einer vollständigen Zerstörung des Helms ausgegangen. Diese ist auch notwendig, weil andernfalls die Trägheitskräfte des Aufpralls wenig gedämpft direkt auf den Schädel wirken würden.

Die Knautschzone

Besser als ein Helm wirkt eine Knautschzone, weil die Bremsstrecke wesentlich länger ist. Aus diesem Grunde wird das Fehlen einer Knautschzone beim Radsportler – oft als Scherz mit ernstem Hintergrund – als sein entscheidendes Handicap gegenüber dem Kraftfahrzeug angesehen.

Rolle der kinetischen Energie im Radsport

Nutzung der Energieerhaltung

Die Nutzung der Energieerhaltung beruht im Radsport bzw. beim Radfahren in erster Linie auf einem Übergang zwischen kinetischer Energie und potentieller Energie und umgekehrt. Am besten wird dieses Wechselspiel an einem Beispiel deutlich, das mit dem Radfahren nichts (besser: nicht viel) zu tun hat:

Das klassische Beispiel: Ein Pendel

Das Pendel weist ein Minimum an potentieller Energie auf, wenn es sich im unteren Totpunkt (senkrecht hängend) befindet. In dieser Punkt ist aber auch seine Geschwindigkeit, und damit seine kinetische Energie am größten. Die Summe beider Energieformen ist immer gleich, die Höhe folgt in beiden Fällen einer Sinuskurve.

Im Bahnradsport: Nutzung der Kurvenüberhöhung

Im Bahnradsport nutzen wir eher das „Bahnstationenprinzip“ von oben: Ein Fahrer fährt z.B. vor dem Feld, weil er einen – in diesem Fall: erfolglosen – Ausreißversuch unternommen hat. Würde er jetzt einfach langsamer werden und sich allmählich ins Feld zurückfallen lassen, wie beim Straßenrennen, müßte er erneut antreten um sich wieder im Feld einzureihen. Die als Bewegungsenergie „gespeicherte“ Arbeit würde durch den Luftwiderstand aufgezerrt und wäre damit unwiederbringlich verloren. Da er erschöpft ist von seiner mißlungenen Attacke, besteht die Gefahr, daß er durchgereicht und abgehängt wird.

Auf der Bahn hat er die Möglichkeit, seine noch hohe kinetische Energie durch Hochfahren auf der Bahn (Nutzung der Kurvenüberhöhung) zu „konservieren“. Für kurze Zeit fährt er statt z.B. 45km/h (gewöhnliches Tempo des Fahrerfeldes) nur 35 - 40km/h und kann sich optimal erholen. Hat das Feld ihn eingeholt, kippt er von oben ab und kann ohne große Mühe wieder auf die Geschwindigkeit des Feldes beschleunigen. Dort sucht er sofort den Windschatten anderer Fahrer und kann sich so weiter regenerieren.

Andere Anwendungen des Prinzips der schnellen (und verlustfreien) Umwandlung von kinetischer und potentieller Energie auf der Bahn kommen zur Anwendung

• bei der Ablösung
• bei der Anwendung der Taktik des Sprinter-Abstands im Fliegerrennen (Bahnradsport)
• bei Disziplinen wie dem 200-m-Zeitfahren mit fliegendem Start.

Außerdem gleicht der Fahrer kleine Lücken oder geringfügig zu hohe Geschwindigkeiten routinemäßig ständig durch die Wahl des Höhenniveaus der Fahrspur aus: Läuft er auf den vor ihm Fahrenden auf, lenkt er reflexartig rechts an seinem Hinterrad vorbei 30cm bis 1m nach oben, so daß die Geschwindigkeit fällt und er wieder an das Hinterrad gehen kann; entsteht eine Lücke, verlagert er die Fahrspur geringfügig nach links und ist sofort wieder am Hinterrad. Beobachtet man erfahrene Bahnfahrer wie Roger Kluge oder Marc Cavendish z.B. bei Sechstagerennen, stellt man fest, daß sie durch diese Technik erhebliche Mengen Energie im Vergleich zu ihren Konkurrenten sparen.

Wiegetritt

Der Wiegetritt ist leider von der Biomechanik bisher nicht besonders gut erforscht. Während es zum Tretzyklus im Sitzen recht gute Studien gibt (z.B. die Hillebrecht-Studie zum Tretzyklus), ist der Wiegetritt noch weitgehend ein „unbeschriebenes Blatt“.

Dennoch ist sehr offensichtlich, daß es beim Wiegetritt in der Phase des Tretzyklus, in der die größte Kraft entwickelt werden kann, der Körperschwerpunkt leicht angehoben wird. Auch hier findet also kurzfristig eine Umwandlung von kinetischer Energie, d.h. bereits verrichteter Arbeit, in potentielle Energie statt, die anschließend zur Unterstützung der „schwachen Phase“ des Tretzyklus unterstützend genutzt werden kann.

Durchschnittsleistung

Zur Erzielung einer möglichst guten Zeit ist es im Radsport erforderlich, daß das Verhältnis zwischen Durchschnittsleistung und erreichter Geschwindigkeit möglichst klein ist. Aufgrund der Gesetzmäßigkeiten im Zusammenhang mit dem Luftwiderstand bewirken beispielsweise bereits kleine Schwankungen in der Geschwindigkeit eine bedeutend höhere erforderliche Leistung. Mathematisch ist dies auf die Gesetzmäßigkeit zurückzuführen, daß der Durchschnitt der Quadrate stets größer oder gleich dem Quadrat des Durchschnitts ist. Da der Luftwiderstand mit dem Quadrat der Geschwindigkeit wächst, kommt dies bei ungleichmäßiger Geschwindigkeit zum tragen.

Übersehen wird allerdings oft die Rolle des Bremsens. Sie bedeutet aus Sicht des Sports eine „Vernichtung“ von Energie. Diese kann es physikalisch natürlich nicht geben, aber die Wärmeenergie, in die die kinetische Energie beim Bremsen umgewandelt wird, ist für die Erbringung einer hohen Geschwindigkeit verloren.

Nicht umsonst wird zur Reduzierung des Spritverbrauchs Autofahrern empfohlen, einen größeren Abstand zu halten, damit man nicht bremsen muß, sondern die Geschwindigkeit allmählich abbaut (durch den Luftwiderstand). Das gleiche gilt natürlich auch für den Radrennfahrer.

Erfahrene Radrennfahrer empfehlen daher im Rennen, stets „laufen zu lassen“. Tatsächlich ist bei einem Rennen auf einem flachen Rundkurs die Benutzung der Bremsen nur selten erforderlich. Nur wenige Fahrer aber beherrschen dies – und wo einer bremst, werden auch die Nachfolgenden zum Abbremsen gezwungen (s. auch Gummibandeffekt).