Grundbegriffe für Sportler: Arbeit / Leistung / Ökonomie

Liebe Sportlerinnen, liebe Sportler!

Ich weiß, Physik ist für viele von Euch ein ätzendes Kapitel. Früher war das alles kein Problem, denn da haben wir einfach trainiert. Heutzutage werden wir nicht nur durch Hersteller von Messgeräten, sondern auch durch viele Publikationen über Leistungsmessungen bombardiert. Alle versprechen, die innovativsten Neuerungen für eine effektivere Trainingssteuerung entwickelt zu haben, mögen ihre Berechtigung haben. Viele davon, sind technisch und wissenschaftlich unhaltbar. Ökonomisch versprechen sich Hersteller wohl einiges. SportlerInnen sind nun mal sehr empfänglich, wenn ihnen Wunder versprochen werden. Natürlich kann man nicht von ihnen ein Diplomabschluss in Physik oder Biomechanik erwarten. Aber ein paar kleine Wahrheiten und Grundbegriffe könnten ihnen nicht schaden.

Powermeter beim Rad? Kein Problem
Powermeter beim Rad? Kein Problem

Was ist Arbeit?
Hier wird schon viel durcheinander gebracht. Energie ist nicht gleich Arbeit, obwohl beide Größen miteinander verwandt sind. Man spricht von Arbeit, wenn ein Energiezustand verändert wird, zum Beispiel vom Ruhezustand in die Bewegung. Also ist Arbeit immer bei einer Energieänderung notwendig.
Die Arbeit wir mit der Einheit  Joule (J) beschrieben. Hier kommt eine weitere Erschwernis mit diesen Einheiten zustande. In Ehren alter, verdienter Wissenschaftler, werden Einheiten nach ihnen benannt. Das verwirrt! Aber Joule kennen wir wegen den Kilo-Joule und die haben doch etwas mit Kalorien zu tun oder? Ja, genau so ist es. Wir kennen diese Größen aus den Brennwerten (Energievermögen) der Nahrung und aus den „Kalorien“ die wir verbraucht haben. Dort fangen die Probleme schon an, wir sagen „Kalorien“ gemeint sind jedoch Kilo-Kalorien, also 1000 Kalorien. Leider sind die Kilo-Kalorien nicht mit den Kilo-Joule identisch. Noch ein Problem. Die Einheiten haben sich im Laufe der Zeit geändert. Beim Euro tun wir uns leichter, obwohl es genau der gleiche Prozess war.
Offiziell ist die Einheit Joule (J) die derzeit gültige. Um die Verwirrung nun komplett zu machen, möchte ich euch aufklären. Um die Arbeit verstehen zu können, sollten wir statt Joule, Watt-Sekunde (Ws) sagen. Das ist nämlich die korrekte physikalische Bezeichnung.
Zusammenfassend bedeutet es, dass Arbeit immer dann geleistet wird, wenn Änderungen des Energiezustandes eines Körpers erfolgen. Das kann die Wärme, die Lage und die Geschwindigkeit betreffen. Alle diese Änderungen der Arbeit werden durch die Einheit Watt-Sekunde (Ws) angegeben.

Powermessung beim Laufen? Blödsinn!
Powermessung beim Laufen? Blödsinn!

Was ist Leistung?
Dieser Begriff ist uns sehr geläufig. Früher sagten wir bei Autos PS dazu (Pferdestärke). Bei den Glühbirnen und Maschinen sagen wir Watt (W) dazu. Das ist auch die gültige offizielle Einheit für die Leistung. Vielleicht versteht ihr warum ich oben bei der Arbeit die Einheit Watt-Sekunde erklärt habe. In der Arbeit steckt die Leistung irgendwie drinnen, oder? Ja, genau so ist es. Arbeit wird immer in einer gewissen Zeit mit einer bestimmten Leistung verrichtet. Je mehr Leistung ich habe, desto weniger Zeit brauche ich um eine bestimmte Arbeit zu verrichten. Das ist alles. Arbeit ist also Zeit * Leistung. Andersrum können wir auch sagen: Leistung ist Arbeit/Zeit. Hier sieht man, wie wichtig die Einheiten sind. Sie zeigen uns die Zusammenhänge der Begriffe in einfacher Form auf.

Mit diesen zwei begriffen, können wir eine Menge verstehen. Nehmen wir ein einfaches Beispiel. Karola ist Triathletin und macht heute eine Radeinheit. Sie hat an ihrem 10.000 Euro Rad ein hochwertiges Powermeter um 800 EUR an der Kurbel eingebaut.

  1. Frage: wie misst ein Powermeter die Leistung am Rad?
    Diese Aufgabe ist technisch sehr leicht zu verwirklichen. Arbeit ist auch Kraft * Weg. Ein Dehnmessstreifen kann die Kraft, die durch das Treten an der Kurbel entsteht, sehr genau messen. Die Länge der Kurbel ist der Hebelarm. Das sogenannte Drehmoment ist demnach einfach und genau messbar. Jetzt wird es mit den Einheiten wieder verwirrend. Die Einheit der Kraft ist Newton (N) zu Ehren des berühmten Isaac Newton. Die Einheit der Kurbellänge wird in Meter (m) angegeben. Daher ist die Einheit des Drehmomentes Newton*Meter (Nm). Das Drehmoment entspricht also der mechanischen Arbeit. Wie soll das bitte funktionieren (Nm) soll das gleiche wie (Ws) sein? Ja, so ist es. Das kommt aus den unterschiedlichen Gebieten der Physik und ist für den Laien ab und dann sehr verwirrend. Wenn also das auch die Leistung beschreiben soll, dann muss diese Größe auch gleich mit Watt sein. So ist es auch. Da Karola die Kurbel mit einer ganz bestimmten Frequenz tritt, entsteht bei der Drehbewegung eine Drehgeschwindigkeit, die auch Winkelgeschwindigkeit genannt wird. Üblicherweise wird von Kurbelumdrehungen pro Minute gesprochen. Keine Panik, das ist schon alles was ein Wattmeter braucht: die Kraft auf die Kurbel, die Kurbellänge und die Umdrehungen. Beispiel für Karola:
    – Karola bringt eine Kraft von 120 N durch Drücken und Ziehen auf ihre Pedale (ungefähr 12 Kg)
    – Die Kurbellänge ist 0,175 m
    – Sie tritt gerade eine Frequenz von 80 Umdrehungen pro Minute oder 1,33 Umdrehungen pro Sekunde.
    Nach der Formel:  Leistung = 2*3,41*Drehmoment* Umdrehungen/Sekunde
    6,82*120 (N) * 0,175m * 1,33 1/s= 190,5 W
  2. Welche Arbeit verrichtet Karola?
    Nun, wir wissen jetzt, dass Arbeit innerhalb einer Zeit verrichtet wird. Würde Karola konstant 190,5 Watt eine Stunde lang erbringen, dann wäre sie a) extrem fit und b) sie hätte: 190,5W*3600s =6858KJ=1639,1Kcal geleistet. Das ist die Arbeit, die sie für das Vorankommen mit samt Rad geleistet hat; nicht die, die sie in ihrem Körper erzeugt (verbrannt) hat. Wäre es so, dann wäre sie zu 100% ökonomisch, d.h., sie hätte einen Wirkungsgrad von 100%. Das gibt es nicht. Karola verbraucht sehr viel mehr Energie. Beim Radfahren liegt der Wirkungsgrad des Menschen um ca. 30%. Aber später mehr dazu.

Am obigen Beispiel ist die Ermittlung der Leistung und der Arbeit technisch machbar und genau. Anders beim Laufen. Die Laufbewegung ist äußerst komplex und kaum korrekt messbar. Klar würde es schön sein ein Vergleichswert zum Radfahren zu bekommen. Daher gibt es Hersteller die mit solchen Systemen werben. Ich behaupte, alles Schrott! Sorry, das ist unseriös, habe mich schon im Artikel zuvor dazu geäußert.

Ökonomie ist die halbe Miete
Ökonomie ist die halbe Miete

Und zum Schluß, was ist Ökonomie?
Das ist jetzt eine Einfache Aufgabe. Es ist einfach das Verhältnis von der tatsächlich geleisteten Arbeit zur verwendeten Arbeit. Beim Radfahren erreicht der Mensch um 30%, beim Laufen ist es viel weniger. Auch hier gilt: Vorsicht mit Faustregeln, denn Messungen sind nun mal kaum möglich – und wenn dann nur unter Laborbedingungen. Vielleicht kommt ein sehr ökonomischer Läufer auf 12 – 15%, beim Schwimmen eher nur um 4-8%.
Wir verbrennen also viel mehr Energie als wir tatsächlich in Arbeit umsetzten können. Daran können Sportler und Sportlerinnen arbeiten. Die Verluste haben viele Ursachen und darauf sollte man achten. Leistungsabsicherung, Trainingssteuerung, Technik, Equipment, etc.. Daher bitte ich weniger auf idiotische Hilfsmittel durch noch idiotischere Technik zu vertrauen, sondern auf qualifiziertes Fachwissen zurückzugreifen. Viele Athleten, vor allem Triathleten sind technikfixiert. Das mag was mit dem übertriebenem Narzissmus zu tun haben. Viel Watt auf der Anzeige, egal bei welcher Sportart ist Stärke. Nein, so ist es nicht… ihr werdet einfach verarscht, weil ihr verarscht werden wollt. Wattmessung beim Rad… ja, Wattmessung beim Laufen oder Schwimmen… nein.

Zum Nachdenken
Irgendwo hat Karola in ihrer Triathlon Zeitschrift gelesen, dass das Radgewicht eine große Rolle für ihre Leistung spielt. Vor allem, wenn es bergauf geht. Ihr altes 2550 Euro Rad wog 9,5 Kg und das ist laut Zeitschrift recht schwer. Daher hat sie an ihrem neuen Rad nicht gespart.

Karolas Maschine

Nicht ganz 8 Kg Gewicht für das komplette Rad, wow! Was bringt ihr dieses Rad wirklich? Nun, rechnen wir mal ein bisschen. Karola wiegt 53 Kg, in voller Montur (Kleider, Helm, Wasser, etc.) 54,5Kg. Sie macht eine Trainingseinheit mit ihrem Rad. Heute stehen 800 hm an.

Höhenarbeit
Mit altem Rad:   (9,5 kg  +54,5 kg) * 9,81 m/s2 *800m = 502 KJ
Mit neuem Rad: (7,95 kg +54,5 kg) * 9,81 m/s2 *800m = 490 KJ

Energieersparnis: 12 KJ = 2,9 Kcal … ein Würfelzucker hat 400 Kcal; bei einem Wirkungsgrad von 30% braucht Karola 1/20-tel Würfelzucker um die Differenz auszugleichen. Ob sich das lohnt – 10.000 EUR für das Bisschen Energieersparnis? aber wie sieht es mit der Power-Ersparnis aus?

Power/Leistung
Karola braucht für die 800 Höhenmeter mit dem alten Rad 1:15 Stunde. Wieviel schneller wird sie mit dem neuen Rad bei gleicher Leistung sein?

Mit altem Rad :       P = 502.000 J / 4500 s = 111,6 W
Mit neuen Rad: Zeit = 490.000 J / 111,6 W = 4392 s = 1:13:12  / Zeitersparnis 108 Sekunden

… immerhin, sie ist um 1 Minute und 48 Sekunden schneller bei gleicher Leistung! Ob das ökonomisch ist, wage ich zu bezweifeln. Eine Sekunde Zeitersparnis kostet ihr nämlich 70 Euro; die Minute 4200 Euro. Den gleichen Effekt erzielt sie, wenn sie 1,5 Kg abnimmt. Für ein Profiathlet, der sein Geld damit verdient ist diese Investition sicher vorteilhaft. Für ambitionierte Agegrouper oder Hobbyathleten nur Egotuning oder Angeberei. Aus meiner Sicht ist es eher peinlich.

Nachwort
Ich will niemand beleidigen, jedoch durchaus reizen. Bitte nachdenken, bitte kritischer sein und bitte sich in Frage stellen. Wenn Karola sich ein 10.000 Euro Rad gönnen möchte, dann ist es ihre Entscheidung. Das was ich aber möchte ist, dass sie versteht was es ihr tatsächlich für ihre Performance bringt! Ich möchte auch nicht die Leistungsfähigkeit von Athleten bewerten. Wenn sie einfach das Rad haben möchte, weil sie sich darüber freut, dann finde ich es gut. Jede und jeder der Sport macht soll Spaß und Freude haben. Mich ärgert das dumme Geschwafel, das verbreiten von Halbwahrheiten und die Vergewaltigung der Technik, das all zu häufig zum aufpolieren des fehlenden Selbstwertes vieler Athleten missbraucht wird. Ihnen geht es kaum um den Sport, sondern vielmehr um das Kompensieren innerer Schwäche. Mag sein, dass ich große Vorurteile gegenüber Triathleten in der Langdistanz habe. Seit 8 Jahren lebe ich in Klagenfurt und seit 8 Jahren beobachte ich die Ironman Szene. Die Poser haben das beste Equipment und geben Unmengen an Geld aus. Der Sport ist nebensächlich geworden. Die Liebe und die Begeisterung finden nur auf einer Ebene statt – ich bin ein Ironman.

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