Schwerpunkt
Warum kippen hohe Dinge um?
Das Nachdenken über den Schwerpunkt hilft uns, Fragen wie diese zu beantworten. Stellen Sie sich aufrecht hin und versuchen Sie dann, sich zu einer Seite zu neigen. Sehr schnell werden Sie einen Punkt erreichen, an dem sich Ihr ganzer Körper anfühlt, als würde er gleich umkippen. Sie bewegen sich nicht wirklich, sondern drehen sich um Ihre Knöchel. Ihr Kopf bewegt sich schneller als Ihre Knie. Tatsächlich dreht sich Ihr ganzer Körper wie ein Rad um Ihre Knöchel. Man könnte meinen, dass die Schwerkraft etwas ist, das die Dinge nach unten zieht, aber hier lässt sie Sie sich im Kreis drehen! Je größer Sie sind, desto mehr drehen Sie sich, weil Ihr ganzer Körper wie ein Hebel wirkt und der Schwerkraft hilft, Sie zu drehen.
Um zu sehen, wie das funktioniert, versuchen Sie, eine Tür zu öffnen, indem Sie den Griff mit einem Finger drücken. Einfach, nicht wahr? Wenn eine Kraft auf etwas drückt, das sich frei drehen kann (wie eine Tür an ihren Scharnieren), wird sich dieses Ding drehen, anstatt sich zu bewegen. Versuchen Sie nun, die gleiche Tür zu öffnen, indem Sie mit einem Finger in der Nähe des Scharniers drücken. Dieses Mal ist es viel schwieriger. Je kürzer der Abstand zwischen der Kraft und dem Drehpunkt ist, desto schwieriger ist es für die Kraft, etwas zum Drehen zu bringen. Breitere Türen lassen sich leichter öffnen als schmalere, weil die gesamte Tür wie ein Hebel wirkt und die Kraft, die Sie beim Drücken des Griffs aufwenden, vervielfacht. Genauso ist es viel einfacher, etwas Hohes zum Kippen zu bringen, als etwas, das nahe am Boden liegt.
Artwork: So finden Sie den Schwerpunkt eines Objekts: 1) Hängen Sie das Objekt an einem Punkt an seiner Kante auf und es wird sich drehen, bis sein Schwerpunkt direkt unter diesem Punkt liegt. Hängen Sie eine Lotschnur (ein Gewicht an einer Schnur) an denselben Punkt. Zeichnen Sie eine Linie parallel zur Schnur (gelb). 2) Wählen Sie nun einen anderen Punkt auf der Kante und wiederholen Sie den Vorgang. Zeichnen Sie eine weitere Linie parallel zur Schnur (grün). 3) Der Schwerpunkt des Objekts ist der Punkt, an dem sich die beiden Linien treffen.
Warum lässt die Schwerkraft Ihren Körper umkippen?
Stellen Sie sich vor, Ihr Körper ist keine einzelne, feste Masse, sondern ein großer Sack Kartoffeln, der aufrecht steht. Die Schwerkraft zieht am ganzen Sack, aber sie wirkt auch auf jede einzelne Kartoffel und zieht sie nach unten. Wenn Sie sich zu einer Seite neigen, wirken die „Kartoffeln“ an der Oberseite Ihres Körpers wie ein Hebel, der Ihre obere Hälfte dazu bringt, sich zu drehen und über Ihre Knöchel zu kippen. Je mehr Sie sich lehnen, desto größer ist die Hebelwirkung an der Oberseite Ihres Körpers – und desto wahrscheinlicher ist es, dass Sie umkippen.
Es gibt noch eine andere Art, über Ihr Gewicht nachzudenken. Ja, Ihr Körper ist ein bisschen wie ein Sack Kartoffeln. Aber er ist auch ein bisschen wie eine riesige Kartoffel, die so viel wiegt wie Sie und in einem unendlich winzigen Punkt konzentriert ist, irgendwo in Ihrer Mitte – ungefähr dort, wo Ihr Magen ist. Das ist Ihr eigener, persönlicher Schwerpunkt. Solange Ihr Schwerpunkt mehr oder weniger über Ihren Füßen liegt, ist Ihr Körper immer im Gleichgewicht und Sie werden nicht umkippen. Aber wenn Sie sich zur Seite neigen, ändert sich alles. Ihr Kopf ist einer der schwersten Teile Ihres Körpers – wie eine riesige Kartoffel, die ganz oben auf dem Kopf sitzt. Wenn Sie sich nach links lehnen, liegt Ihr Schwerpunkt nicht mehr direkt über der Mitte Ihrer Füße.Je mehr Sie sich lehnen, desto mehr Drehmoment (Drehkraft) entsteht und desto eher kippen Sie um. Die Schwerkraft bewirkt, dass sich Ihr ganzer Körper um Ihre Knöchel dreht, wie ein Finger, der auf eine Türklinke drückt.
Kunstwerk: Solange Ihr Körperschwerpunkt (gelber Stern) ungefähr über der Mitte zwischen Ihren Füßen liegt, bleiben Sie auch bei komplexen Bewegungen wie Gehen und Tanzen aufrecht. Bewegen Sie Ihren Körperschwerpunkt jedoch zu sehr in eine Richtung, entsteht eine Drehkraft (grün), die Sie zum Rotieren bringt. Um aufrecht zu bleiben, müssen Sie einen anderen Teil Ihres Körpers bewegen und eine ausgleichende Kraft (gelber Pfeil) erzeugen, die die ursprüngliche Drehkraft aufhebt.
Wie balanciert man am besten?
Je tiefer Ihr Schwerpunkt liegt, desto einfacher ist es, das Gleichgewicht zu halten.
Wenn Sie auf einem Stuhl sitzen, können Sie sich mehr nach vorne lehnen als wenn Sie stehen. Mit einem niedrigen Schwerpunkt können Sie sich weiter zur einen oder anderen Seite neigen, ohne dass die Drehkraft ausreicht, um Sie umzukippen. Das ist der Grund, warum Rennwagen (und Militärfahrzeuge wie Humvees) mit einem sehr niedrigen Schwerpunkt konstruiert werden: Je tiefer sie auf dem Boden stehen, desto geringer ist das Risiko, dass sie umkippen, egal wie schnell sie fahren.
Foto: 1: Der Humvee der US-Armee (High Mobility Multipurpose Wheeled Vehicle oder HMMWV) hat einen niedrigen Schwerpunkt, so dass er in schwierigem Gelände mit hoher Geschwindigkeit um Kurven fahren kann, ohne dass die Gefahr des Umkippens groß ist.2Trotzdem werden die Soldaten mit diesem hydraulisch betriebenen Simulator namens HEAT (HMMWV Egress Assistance Trainer) für die Flucht aus einem umgekippten Hummer trainiert: Er dreht eine Attrappe der Fahrgastzelle des Hummers, so dass die Soldaten das Aussteigen unter verschiedenen schwierigen Bedingungen üben können, auch unter Wasser.Hummer-Foto von Sgt. Alex Snyder, HEAT-Foto von Sgt. Travis Zielinski, beide mit freundlicher Genehmigung der US Army.
Tightrope Walker verwenden einen etwas anderen Trick, um ihren Schwerpunkt zu meistern. Wenn Sie jemals einen Seiltänzer beobachtet haben, werden Sie bemerkt haben, dass sie nie einfach über das Seil laufen. Manche strecken ihre Arme aus oder tragen einen langen Stock oder einen Schirm. Andere gehen in die Hocke oder beugen ihre Knie. Wieder andere fahren auf Fahrrädern mit Gewichten, die ein Stück unter ihnen baumeln. Diese Balancierhilfen helfen, den Tightropewalkern mehr Kontrolle über ihren Schwerpunkt zu geben. Wenn sie ihren Schwerpunkt immer direkt über dem Seil halten können, werden sie nie herunterfallen. Wenn sie sich zu einer Seite bewegen, beginnt eine Drehkraft, sie in diese Richtung zu kippen. Sie müssen also schnell einen Teil ihres Körpers auf die andere Seite bewegen, um eine Drehkraft in die entgegengesetzte Richtung zu erzeugen und ihr Gleichgewicht wiederherzustellen.
Foto: Es ist leicht, von einem normalen Fahrrad zu fallen, bei dem das Gewicht auf einem sehr dünnen Rad balanciert und selbst leichte Bewegungen von einer Seite zur anderen Sie zum Kippen bringen können. Es ist fast unmöglich, von einem Liegerad zu fallen, weil der Schwerpunkt fast auf dem Boden liegt.
Foto: Charles M. Bailey mit freundlicher Genehmigung der US-Armee.
Die Trägheit (die Tendenz stillstehender Objekte, still zu bleiben und sich bewegender Objekte, sich weiter zu bewegen) hilft ebenfalls. Ein Seiltänzer wiegt eine ganze Menge. Das bedeutet, dass sie ein gewisses Maß an Trägheit haben und es eine ganze Weile dauert, bis sich ihr Körper zur einen oder anderen Seite bewegt. Wenn er spürt, dass er kippt, hat er genug Zeit, einen anderen Teil seines Körpers (oder einen Stock oder Schirm, den er trägt) auf die andere Seite zu bewegen. Das erzeugt eine Kippkraft in die entgegengesetzte Richtung, die sie im Gleichgewicht hält. Wenn man sich einen Seiltänzer ansieht, der momentan unbeweglich ist, könnte man denken, dass keine Kräfte wirken – aber das wäre falsch. Die Schwerkraft, die auf den linken Arm eines Seiltänzers wirkt, wird versuchen, ihn nach links kippen zu lassen, während das Gewicht seines rechten Arms ihn nach rechts kippen wird. Der Wanderer bleibt vollkommen aufrecht, vollkommen bewegungslos, wenn alle unterschiedlichen Drehkräfte genau ausgeglichen sind und sich gegenseitig aufheben.
Wie hilft es, etwas über den Schwerpunkt zu wissen?
Foto: Bären gehen zwar manchmal auf den Hinterbeinen, aber es ist schneller, einfacher und sicherer, auf allen Vieren zu gehen – weil sie einen niedrigeren Schwerpunkt haben und nicht umkippen können.Bild von Erich Regehr mit freundlicher Genehmigung des US Fish & Wildlife Service.
Wenn Sie ein Skeptiker sind, denken Sie vielleicht, dass die Wissenschaft voll von nutzlosen Informationen ist, die man nie wirklich wissen muss, aber der Schwerpunkt gehört nicht dazu. Letzten Winter ist die Fahrbahn, auf der ich wohne, komplett zugefroren und hat sich in eine Eisfläche verwandelt. Wie geht man am besten auf einer zugefrorenen Straße? Wenn man keine Bergschuhe hat, ist es am sichersten, auf alle Viere zu gehen und wie ein Eisbär auf Händen und Knien entlang zu kriechen. Sie könnten nass oder schmutzig werden, aber Sie werden nicht umfallen und sich den Hals brechen. Wenn Sie Ihren Schwerpunkt sehr niedrig halten, ist es unmöglich zu fallen.
Foto: Niedriger Schwerpunkt: Die hier gezeigte Hochsprungtechnik namens Fosbury Flop funktioniert, indem man seinen Schwerpunkt so niedrig hält, dass er unter die Latte geht. Foto von Matthew L. Romano mit freundlicher Genehmigung der US Navy.
Das Nachdenken über den Schwerpunkt ist auch der Schlüssel, um viele Sportarten effektiv zu betreiben. Bei allen Sportarten, bei denen es auf das Gleichgewicht ankommt – vom Eiskunstlauf bis zum Surfen – muss man sich Gedanken darüber machen, wo das eigene Gewicht liegt und wie man es schnell verlagern kann, ohne zu viel Energie zu verbrauchen oder die Kontrolle zu verlieren. Sie haben bemerkt, wie Tennisspieler ihre Füße weit auseinander stellen? Und wie Hochspringer seltsame Dinge tun, indem sie ihren Körper nach oben und um die Stange winden? All diese Dinge basieren auf dem Verständnis des Schwerpunkts – und darauf, ihn praktisch zu nutzen!
