Der Golfschwung ist mehr als nur eine Bewegung; er ist angewandte Physik. Der Schläger wird mit dem Körper bewegt, was Muskelphysiologie und Anatomie miteinbezieht. Beim Golfschwung legen die meisten Menschen wenig Wert auf Ästhetik. Viele befördern den Ball mit unansehnlichen Bewegungen Richtung Loch. Selbst bei einem passablen Score ist das für viele kein Golf. Anstatt zu schwingen, schlagen die meisten Golfer zu und verwenden falschen Krafteinsatz, was oft zu skurrilen Bewegungen führt.
Also braucht es einen Physiker, der die Hintergründe erklärt. Der Schlägerkopf legt einen viel größeren Weg zurück als die Hände, da sich der Schläger in den Händen dreht. Daher spricht man von einem Pendel. Ein Pendel führt eine Drehbewegung aus, und das bedeutet, dass eine Drehbewegung beschleunigt werden muss. Mit dieser Denkweise entsteht die Vorstellung, wie der Körper bewegt werden muss, wobei es zu keinen Überlastungen kommen darf. Besonders gefährdet ist dabei die Wirbelsäule.
Interdisziplinäre Aspekte
Hier spielt Interdisziplinarität eine Rolle. Ein Miteinander entsteht erst, wenn sich beide Seiten verstehen. Es reicht nicht, wenn beispielsweise ein Mediziner und ein Techniker miteinander sprechen. Das mag bei EU-Projekten zwar so dargestellt werden, aber ein Miteinander entsteht erst, wenn sich beide Seiten verstehen.
Das Schaukeln als Beispiel für Schwingungsbewegungen
Ein Kind schaukelt auf einer Schaukel, wobei es mit den Beinen Schwung holt. Für Physiker ist das eine einigermaßen einfache Schwingungsbewegung, sie nennen sie eine parametrische Oszillation. Etwas komplizierter wird es, wenn neben dem Kind auch noch die Mutter oder der Vater zugegen ist und zusätzlichen Schwung verleiht.
Ein interdisziplinäres Team von theoretischen Physikern und Experimentalphysikern der ETH Zürich hat genau diese Berechnung nun gelungen. Erstmals beschreiben die Forschenden, wie man eine parametrische Oszillation - das Schwingen mit dem Krafteintrag des Kinds - nutzen kann, um damit einen Krafteintrag von außen - Stoßen des Elternteils - zu messen. Ihre Erkenntnis lässt sich in Sensoren anwenden. Die Wissenschaftler haben das darunterliegende Prinzip zum Patent angemeldet.
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„Bereits heute fußen viele Sensoren auf Oszillationen“, erklärt Oded Zilberberg, Professor am Institut für theoretische Physik. „Man kann zum Beispiel mit kleinen Resonatoren Kräfte, Drücke, Massen, Schall oder Temperaturen messen. Für solche Messungen kompliziertere Schwingungen zu verwenden, wie es Zilberberg und seine Kollegen vorschlagen, stellt letztlich einen Paradigmenwechsel dar. Sensoren müssten dazu anders konstruiert werden. Besonders für sehr kleine Sensoren bringe das neue Prinzip Vorteile, sagt der Physiker.
Entdeckt haben die Wissenschaftler das neue Prinzip, als sie in einem Quantenphysikexperiment mit Rubidium-Atomen parametrische Oszillationen untersuchten. Später erforschten sie den Effekt mit einer parametrisch oszillierenden Gitarrensaite. Auf diese Saiten übten die Wissenschaftler von außen eine pulsierende Kraft aus, wobei sie die Frequenz dieses Pulses kontinuierlich variierten.
Wie die Forschenden beobachteten, veränderte sich die Amplitude der Schwingung der Saite nicht vollständig kontinuierlich, sondern sie änderte bei einer bestimmten Frequenz sprunghaft. Zilberberg und seine Kollegen suchen nun Industriepartner, welche helfen, hochauflösende Sensoren zu entwickeln. Und selbst in der Computertechnik könnte das neue Prinzip zur Anwendung kommen.
Zilberberg: „In der Frühphase des Computerzeitalters gab es Computerspeicher, die auf Oszillatoren basierten, sogenannte Parametrons. Später verlor die Computerindustrie das Interesse an ihnen.
Die Physik des Schaukelns im Alltag
Intuitiv scheint der Mensch zu wissen, wie man schaukelt. Aber wie lässt sich das mathematisch beschreiben? Ein japanisch-australisches Forschungsteam hat die Bewegung modelliert. Der Bewegungsablauf lässt sich mathematisch beschreiben - ist jedoch alles andere als trivial.
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Ein japanisch-australisches Forschungsteam hat nun ein mathematisches Modell für die ultimative Schaukelstrategie entwickelt. Das Modell zeigt insbesondere, wie Menschen ihre Schwungtechnik anpassen, je höher und schneller sie schaukeln. Doch zunächst zu den physikalischen Grundlagen: Ein Mensch auf einer Spielplatzschaukel lässt sich als gekoppeltes System aus zwei Pendelkörpern beschreiben, die jeweils Schwingungen ausführen können.
Das bedeutet, dass zwischen der Schaukel und dem Schaukelnden Energie ausgetauscht wird. Beginnt der Mensch sich rhythmisch hin- und herzubewegen, schwingt die Schaukel mit. Wie effizient das gekoppelte System schwingt, hängt von drei Faktoren ab: der Frequenz, mit der die Person auf der Schaukel ihren Körper vor- und zurückbewegt, der Amplitude, also wie stark die Schaukel nach oben ausgelenkt wird, und schließlich der Phase, die ausdrückt, um welchen Zeitabstand die Bewegung des Körpers gegen die der Schaukel verschoben ist.
Anhand der Bewegungsdaten von zehn Versuchsteilnehmerinnen, die auf Schaukeln mit drei verschiedenen Schaukellängen saßen, ermittelte das Team um Chiaki Hirat von der Jumonji University in Niiza den optimalen Bewegungsablauf. Das Ergebnis hat es im Fachmagazin »Physical Review E« veröffentlicht.
»Unser Modell sagt vorher, dass die Schaukel in der Anfangsphase am besten schwingt, wenn man sich genau dann maximal zurücklehnt, sobald sich die Schaukel in einer vertikalen, das heißt mittleren, Position befindet«, erklären die Autoren. Sobald die Schaukelbewegung an Fahrt aufnimmt, müsse man sich zunehmend früher zurücklehnen - idealerweise am höchsten Punkt, bevor es wieder in die Vorwärtsbewegung geht. Die periodischen Kurven von Schaukel- und Körperbewegung verschieben sich entsprechend mit zunehmender Schwingungsamplitude gegeneinander.
Bisherige Beschreibungsversuche hätten dieses Verhalten nur unzureichend erfasst. So gehe das Fest-Frequenz-Modell (FFM) beispielsweise davon aus, dass die schaukelnde Person sich mit einer immer gleichen Frequenz vor- und zurückbewegt und der Körper eine gleich bleibende Sinuswelle erzeugt. Mit zunehmender Amplitude stimme dieses Modell jedoch nicht mehr mit der Realität überein.
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Das Rechteck-Wellen-Modell (SWM) dagegen kalkuliere zwar mit ein, dass Menschen ihr Gewicht automatisch verlagern, je nachdem, wie weit sie schwingen und an welcher Stelle sie sich befinden. Allerdings suggeriere es eine ruckartige, unnatürliche Anpassung der Position, während dieser Vorgang in Wirklichkeit nahtlos erfolgt.
Die Forscher entwarfen auf der Grundlage ihrer experimentellen Beobachtungen ein verbessertes Modell, das die sanfte Oberkörperbewegung des FFM mit der Frequenzanpassung des SWM kombiniert. Es bleiben jedoch noch einige Forschungsfragen offen, unter anderem die, warum das alles so selbstverständlich für uns ist.