In diesem Modul geht es um die Umsetzung von biologischer in mechanische Energie. Dabei ist das Fahrrad mit seiner Pedalkurbel als „optimale Lösung bezüglich der Umsetzung von biologischer Energie aus Nährstoffen in kinetische Energie“ (Stapelfeld & Assländer, 2009, S. 317) zu verstehen. Mit wenig Kraftaufwand (biolog. Energie) können hohe Geschwindigkeiten (mech. Energie) erzielt werden. Das eigene Körpergewicht wird dabei zu ca. 70 % vom Sattel übernommen.
Im Folgenden wird nun zuerst auf die biologischen Mechanismen der Energiebereitstellung im Muskel eingegangen. Danach geht es um den mechanischen Wirkungsgrad, der bei Energieumwandlungen immer von zentraler Bedeutung ist. Er beschreibt das Verhältnis von zugeführter zu abgeführter Energie pro Zeit. Im letzten Teil des Moduls wird auf den mechanischen Antrieb durch die Kurbel eingegangen. Hier wird nochmal das Drehmoment speziell an der Kurbel erklärt und das Übersetzungsverhältnis erläutert.

Jede Zelle unseres Körpers benötigt ATP (Adenosintriphosphat) zur Energiebereitstellung. Bei ATP handelt es sich um ein Molekül mit einer energiereichen Bindung. Durch Aufspaltung des Moleküls wird die Energie der Bindung freigesetzt und der Zelle zur Verfügung gestellt.

Das ATP ist ebenso der Brennstoff für jede Muskelzelle. Die Reihenfolge der verwendeten Energiespeicher, aus denen unsere Zellen das benötigte ATP bekommen, sieht so aus: Zunächst wird das ATP aus den vorhandenen Kohlenhydraten gewonnen. Diesen Vorgang nennt man Glykolyse und da für diese Art der Energiegewinnung kein Sauerstoff benötigt wird, nennt man sie anaerob. Ist der Glykolyse-Speicher nach ein paar Minuten aufgebraucht, erfolgt die Fettverbrennung (Lipolyse), also die Energiegewinnung aus Fett. Für diese Gewinnung von ATP wird Sauerstoff benötigt, sie heißt deshalb aerobe Energiegewinnung. Sie ermöglicht es die sportliche Leistung weiterhin aufrechtzuerhalten und einen Leistungseinbruch zu verhindern.
Die Lipolyse hat dabei eine Arbeitsdauer von mehreren Stunden, in welcher hauptsächlich die Typ-I Muskelfasern (slow twitch) angesprochen werden. Im Muskel sind auch die schneller zuckenden Typ-II Fasern (fast twitch) vorhanden, welche insbesondere auf die anaerobe Energiebereitstellung ausgerichtet sind (vgl. Whit & Wilson, 1993, S. 33 ff.). Mehr zu den unterschiedlichen Fasertypen lernt ihr in MUS1.

In folgender Abb. 1 sind die versch. Mechanismen der Energiebereitstellung noch einmal grafisch veranschaulicht.

Abb. 1: Mechanismen der Energiebereitstellung

Um nun eine Verbindung zur Kurbel herzustellen: Beim Radfahren werden in der Regel lange Distanzen zurückgelegt und die Fahrzeit kann bis zu mehreren Stunden betragen. Die anaerobe Energiebereitstellung ist für den Radsport definitiv nicht ausreichend und aus diesem Grunde fängt die Muskelzelle nach wenigen Minuten an, den Sauerstoff aus den Blutbahnen mit in den Verarbeitungsprozess zu integrieren, also aerob zu arbeiten. Wie lange eine spezifische Arbeit verrichtet werden kann, hängt neben der Energiebereitstellung auch von der Muskelmasse ab.

Nach Stapelfeld & Assländer (2009, S. 317ff.) ist „die Freisetzung einer möglichst großen Energiemenge pro Zeit, […] die Grundvoraussetzung für eine herausragende sportliche Leistung“. Die im Muskel freigesetzte Energie wird jedoch nicht immer zu einer Steigerung der Geschwindigkeit führen. Dabei spielen folgende aüßere/innere Einflussfaktoren eine bedeutende Rolle:

• Umwelt: Luft- und Rollwiderstand, Steigung, …
• Mechanik: Radumfang, Tretlagerreibung, träge Massen, …
• Biomechanik: Arbeitsweise, Muskellänge, Kontraktionsgeschwindigkeit, …

Nach dem Energieerhaltungssatz kann die Energie nicht verloren gehen, in den meisten Fällen aber wird sie unnötig vergeudet. Ein klassisches Beispiel die Glühbirne: Hierbei soll elektrische Energie in Licht umgewandelt werden. Im Endeffekt werden 95 % der Energie in Wärmeenergie und die restlichen 5 % in Licht umgewandelt. Beim Fahrrad erwärmen sich durch aufkommende Reibungen ebenfalls Tretlager und Kette.

Nun zum mechanischen Wirkungsgrad: Er bezeichnet das Verhältnis von abgegebener und zugeführter Leistung.

Abb. 2: Kurbelkräfte

Die Kurbelmechanik bezeichnet eine Kurbel (Tretkurbel), welche für den Antrieb verantwortlich ist. In Abb. 2 ist zu sehen, dass sich die Beinkraft $F_{Bein}$ in eine ungenutzte Kraft $F_u$ und eine effektive Kraft $F_e$ unterteilt. Anhand dem Superpositionsprinzip aus dem DYN1 Modul lassen sich die beiden Vektoren $F_u$ und $F_e$ aufsummieren. Diese Summe entspricht der aufgebrachten Beinkraft $F_{Bein}$.

Die Kurbel arbeitet rotatorisch und überführt die aufgebrachten Kräfte in eine translatorische Bewegung. Nach demselben Prinzip arbeitet das menschlich anatomische System, denn Gelenkmomente erzeugen Rotationen, welche wiederum in translatorische Bewegungen konvertiert werden. Die Formel für das Drehmoment lautet:

$$ M = F * r * sin(\alpha) $$

Des Weiteren spielt das Übersetzungsverhältnis der Kette eine bedeutende Rolle für die Trittfrequenz und die aufzubringende Kraft. In Form einer umschließenden Kette werden die hinteren Ritzel und das vordere Kettenblatt abgedeckt, so dass der Antrieb effektiv für den Vortrieb genutzt werden kann.

Ziel eines jeden Lebewesens ist es, sich fortzubewegen. Es muss also seine biologische Energie in mechanische Energie umwandeln. Genau das wurde euch in diesem Modul am Beispiel der Pedalkurbel erklärt.
Ihr habt Mechanismen der biologischen Energiebereitstellung kennengelernt. Unser Körper bekommt seine Energie aus dem Molekül ATP. Mit der Kurbel als Energiewandler wird diese Energie aus den Muskeln dann auf das Rad übertragen, was uns vorwärts bringt. Ein wichtige Rolle bei so einer Umwandlung spielt immer der mechanische Wirkungsgrad. Mit ihm lässt sich die Effizienz kontrollieren.

Im folgenden Video wird kurz das Gelenkmoment erklärt. Danach wird näher auf das Übersetzungsverhältnis eingegangen, was zum Verständnis der Gangschaltung dient und einen wichtigen Themenabschnitt in diesem Modul darstellt.

<spoiler |1. Wie könnte die Formel für den mechanischen Wirkungsgrad lauten? > Wie oben beschrieben wird der mechanische Wirkungsgrad ($n_{mech}$) berechnet, indem man das Verhältnis von zugeführter zu abgeführter Leistung ($P$) erstellt. Die Formel für den mechanischen Wirkungsgrad könnte also so aussehen: $n_{mech} = P_{ab} / P_{zu}$ </spoiler>

<spoiler |2. Wie viele Gänge hat ein Fahrrad mit 2 Kettenblättern, 5 Ritzeln und einem Schaltwerk?> Die Formel, um die Anzahl der Gänge zu berechnen, sieht so aus: $Anzahl_{Gänge} = Anzahl_{Kettenblätter} * Anzahl_{Ritzel}$.
Setzt man die Zahlen ein, ergibt sich: $ 2 * 5 = 10$. Das Fahrrad hat also 10 Gänge. </spoiler>

<spoiler |3. Wie viele Zähne hat das Kettenblatt und das Ritzel bei einem Übersetzungsverhältnis von 2/3?> Das Übersetzungsverhältnis errechnet sich, indem man die Anzahl der Zähne vom aktuellen Kettenblatt durch die Anzahl der Zähne vom aktuellen Ritzel teilt. Eine mögliche Lösung bei einem Übersetzungsverhältnis von 2/3, wäre ein Kettenblatt mit 24 Zähnen und ein Ritzel mit 36 Zähnen, denn $24/36 = 2/3$. </spoiler>

Stapelfeld, B. & Assländer, L. (2009). Biomechanik des Radfahrens. In A. Gollhofer & E. Müller (Hrsg.), Handbuch Sportbiomechanik (S. 317 - 340). Schorndorf: Hofmann-Verlag.

Whitt, F. R. & Wilson, D. G. (1993). Bicycling Science. Massachusetts: The MIT Press.

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