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WP2122 Formel 1

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Modul-Titel WP2122
Veranstaltung PS Biomechanik
Autor E. Günther, S. Küchler, B. Malpricht, F. Schönfeld
Bearbeitungsdauer 40 Min
Präsentationstermin 10.2.22
Status in Bearbeitung
Zuletzt geändert 26.01.2022

Einleitung

Schaut man sich zum ersten Mal ein Formel 1 Rennen an, so lässt es sich leicht glauben, dass die Autos, welche mit über 300km/h, 70 Runden für 1,5h über eine Strecke von ca. 5km fliegen die meiste Arbeit verrichten. Die Aufgabe der Fahrer, so scheint es besteht nur darin Gas zu geben zu lenken und möglichst spät zu bremsen, doch die Körperlichen Anstrengungen sind nahezu ungreifbar. Fährt man mit einer so hohen Geschwindigkeit durch Kurven, so steigen die G-Kräfte auf das 5 fache an und bei einem Unfall teilweise um das 50 fache. Dazu kommt, dass die Rennen überall auf der Welt stattfinden - von 50 grad in der Wüste bis hin zu stürmischem Regen in Europa. Je nach Wetterlage verlieren die Fahrer bis zu 5 Liter an Flüssigkeit und müssen dabei ihre Reaktion und Aufmerksamkeit auf dem Maximum halten. All diese Aspekte und Fakten lassen die Frage aufkommen, wer die größere Maschine ist: Das Auto oder der Fahrer. Und wie muss ein Mensch seine Psyche und vor allem seinen Körper trainieren, um solchen Belastungen über Stunden standzuhalten?

Günther, E.

Körperliche Anforderungen

Ein Formel 1 Wagen auf Höchstgeschwindigkeit zu steuern ist keine Sache für jedermann. Aus dem unten angefügten Interview mit einer untrainierten Testperson (im Rahmen einer Kampagne und unter vereinfachteren Voreinstellungen des F1-Autos) geht hervor, dass gerade beim Anbremsen und in den Kurven hauptsächlich die Kopf- und Nackenmuskulatur und auch die Arme große Schwierigkeiten bereiten den G-Kräften standzuhalten. Dies bedeutet, dass der Fahrer aufgrund der physikalischen Fliehkräfte in lang gezogenen Kurven teilweise dem 5 bis 6-fachen des eigenen Körpergewichts ausgesetzt und belastet wird. Um diesen G Kräften entgegenwirken zu können, benötigt der Mensch also gewisse körperliche Voraussetzungen, welche mit einer langwierigen und hohen dauerhaften Frequenz an intensivem Training verbunden sind.

Unter anderem ist in Bezug auf die physischen Voraussetzungen in diesem Hochleistungssport die Ernährung nicht zu vernachlässigen. Das Körpergewicht des Fahrers muss streng geregelt sein, denn jedes zusätzliche Kilogramm verändert das Zusammenspiel zwischen dem Fahrer und dem Auto, wodurch sich die Rundenzeiten automatisch bis zu drei Hundertstel verschlechtern würden. Vor vier Jahren noch mussten die Fahrer nach Regularien so leicht wie möglich sein, um mehr Geschwindigkeit auf die Strecke bringen zu können. Dies kann jedoch sehr gefährlich werden, da ein Fahrer (besonders bei einem Rennen in der Hitze) im Normalfall 4 Kilogramm pro Rennen abnimmt, und das allein durch Flüssigkeitsverlust. Daher wurden die Regularien angepasst, um auch ein wenig die Athleten von psychischem Druck zu entlasten.

Neben der Muskelkraft ist eine ordentliche kardiovaskuläre Fitness von ebenso wichtiger Bedeutung. Denn ein sehr effizient arbeitendes Herz wird auf der Strecke zu einem immensen Vorteil, wenn der Durchschnittswert bei etwa 170 Schlägen pro Minute liegen kann und ein Rennen für gewöhnlich 90 Minuten dauert. Zudem kommt eine gesunde Vitalkapazität, die ebenfalls unter dem Helm ganz wichtig ist.

Aber auch die angesprochene Muskelkraft gehört bei den Fahrern zu den körperlichen Anforderungen. Die Körpermitte ist ein Hauptbestandteil des Krafttrainings, damit man unter hoher Geschwindigkeit das Auto bedienen kann und man dazu fähig ist, den G-Kräften entgegenzuwirken. Außerdem kann eine starke Körpermitte dazu beitragen, Kraft zum Bremsen in die Beine zu transferieren. Derweil muss die Beinkraft trainiert sein, um das Bremspedal überhaupt benutzen zu können, da ein normaler Mensch womöglich nur ca. 40% Bremsdruck auf das Pedal schafft. Des Weiteren sollte man natürlich eine sehr ausgeprägte Nackenmuskulatur mit sich bringen, um zu verhindern, dass der Kopf permanent im Cockpit herumschwingt. Außerdem spielt die körperliche Fitness eine sehr große Rolle, wenn es darum geht, einen Unfall unbeschadet zu überstehen, da man so besser die Aufprallkräfte bewältigen kann.

Link: https://www.youtube.com/watch?v=BE7mgfwd6M8

Küchler, S

Trainingsplan

Wie wir bereits wissen, unterliegt der Fahrer während des Rennens großen Belastungen, daher ist es umso wichtiger fit zu sein. Desto trainierter ein Fahrer ist, desto mehr kann er sich während des Rennens auf das eigentliche Fahren des Autos konzentrieren und wird nicht von außen wirkenden Kräften gestört. Als allererstes benötigt man hierzu eine sehr ausgeprägte Grundlagenausdauer. Die Fahrer steigern diese vor allem, indem sie laufen, schwimmen und Rad fahren gehen. Hier kommen meist verschiedene Intervall-Methoden zum Einsatz. Nachdem der Fahrer morgens also sein Cardio Training absolviert hat, führt ihn der Weg meistens zum Krafttraining, wo besonders spezifische Engpassfaktoren neben allgemeinem Krafttraining trainiert werden. Als Engpassfaktor gilt hier primär die Hals-/Nackenmuskulatur, welche den Kopf bei dauerhaft anhaltenden Fliehkräften halten muss. Dafür werden z.B. Latexbänder am Kopf befestigt und daran gezogen, um G-Kräfte zu simulieren oder ein Helm mit Zusatzgewicht bei Neck-Extensions getragen.

Um die Lenkfähigkeit in starken Kurven nicht zu verlieren, müssen Schultern und Arme ebenfalls spezifisch trainiert werden. Dies geschieht durch ein spezielles Lenkrad, welches an einem Gewichtszug angeschlossen ist. Eine weitere Übung, um die Griffkraft zu verbessern bildet das sogenannte Gewichtfangen. Hierbei wird eine Gewichtsscheibe mit einer Hand immer wieder hochgeworfen und aufgefangen. Da nicht nur der Kopf, sondern der ganze Körper gestützt werden muss und durch das viele Sitzen die Gefahr einer Fehlstellung droht, darf der Rumpf nicht vernachlässigt werden. Hierzu werden Grundübungen des Krafttrainings herangezogen. Vor allem Kreuzheben, Rückenstrecker, verschiedene Bauchmuskel Übungen, Bankdrücken oder Ruder-Variationen kommen hierbei zum Einsatz. Ist das Krafttraining abgeschlossen, wird an der Reaktionsgeschwindigkeit gearbeitet. Am wichtigsten ist hier die Hand-Augen Koordination, da der Fahrer oftmals nur zehntel Sekunden Zeit hat, um Entscheidungen zu treffen. Diese wird durch variierende Übungen, welche meist Tennisbälle beinhalten geschult. Z.B.: Der Fahrer steht seinem Trainer gegenüber- die Hände des Fahrers befinden sich über denen des Trainers, welcher randomisiert Tennisbälle fallen lässt, die der Fahrer mit einer Hand fangen muss. Um sich Renntaktiken, Anweisungen oder besondere Streckenveränderungen während der Belastung im Rennen merken zu können, wird nach der Reaktion auch das Gedächtnis trainiert. Eine beliebte Übung ist hier das Spielen von Memory, während sich der Fahrer in der Plank-Position befindet. Der Sportler muss zudem an seiner Koordination arbeiten, wozu Einrad gefahren, Jongliert oder auf einem Gymnastikball balanciert wird.

Ist das körperliche und geistliche Training abgeschlossen, so geht es für den Fahrer in einen Simulator, um die Strecke des nächsten Rennens auswendig zu lernen, d.h.: Kurvenabstände, Bremspunkte, Schaltpunkte usw. müssen aus der Muscle Memory kommen, da die Runden perfekt gefahren werden müssen, um im Rennen eine Chance zu haben.

Günther, E

Aerodynamik

Einleitung

In der Formel 1 spielt die Aerodynamik eine entschiedene Rolle und beeinflusst unmittelbar die Konstruktion des Fahrzeugs. Die Aufgabe, der sich die Ingenieure des Rennwagens jedes Jahr aufs Neue stellen müssen, ist es, ein Auto zu konstruieren, welches möglichst wenig Luftwiderstand aufweist und zusätzlich einen möglichst hohen Anpressdruck erfährt. Dabei dürfen sie sich jedoch nicht außerhalb des Reglements befinden, welches sich Jahr für Jahr verändert.

Anpressdruck Der Anpressdruck ist dafür verantwortlich, dass das Auto auf die Straße gedrückt wird und verhindert bzw. ermöglicht somit, dass Kurven mit einer sehr hohen Geschwindigkeit durchfahren werden können, ohne dass die Zentrifugalkraft das Auto aus der Kurve drückt. Generiert wird der Anpressdruck durch die zahlreichen Vorkehrungen am Auto - sogenannte Anpresspunkte. Hauptfaktoren sind dabei die Front- und Heckflügel und der gesamte Unterboden des Autos inklusive des Heckdiffusors. Zusätzlich gibt es noch mehrere kleine Hilfsparameter in Form von kleinen Flügeln und Anbauten am Fahrzeug, die den Anpressdruck erhöhen. Diese dienen jedoch auch dazu, dass sich die Luft kontrollierter und aerodynamischer um das Auto bewegt.

Die einzelnen Anpresspunkte sind asymmetrisch konstruiert worden. Besonders fällt auf, dass die Anpresspunkte unterschiedliche Längen an der Ober- und Unterseite vorweisen. Diese außergewöhnliche Konstruktion spielt eine wichtige Rolle für die Aerodynamik: Sobald die Luft an einem Anpresspunkt ankommt, muss sie sich teilen, und gleitet somit an der Ober- und Unterseite entlang. Dabei fällt auf, dass die Luft an der gewölbten Unterseite deutlich schneller ist als an der Oberseite.

Nach dem Gesetz von Bernoulli bedeutet schnellere Luft einen geringeren Druck auf der Oberfläche des Flügels. Somit ist nicht nur eine Geschwindigkeitsdifferenz der Luft an der Ober- und Unterfläche des Anpresspunkts zu erkennen, sondern auch eine Druckdifferenz. Diese Druckdifferenz sorgt dafür, dass die Luft einen Unterdruck erzeugt, der das Auto an die Straße haftet.

Luftwiderstand Der Luftwiderstand, der auf das Formel 1 Auto wirkt, setzt sich aus drei Komponenten zusammen: Der Druckwiderstand, der Durchströmungswiderstand und der Reibungswiderstand. Der Druckwiderstand macht den größten Teil des Luftwiderstandes aus. Er wird maßgeblich dadurch beeinflusst, wie groß das Auto ist bzw. wie viel Fläche der Luft entgegensteht. Der Ursprung des Druckwiderstandes, ist die Luft, die beim Umgehen des Autos einen Druck darauf auswirkt. Die zweitgrößte Komponente ist der Durchströmungswiderstand. Hier geht es um die Luft, die durch den Innen- und Motorraum oder unter dem Auto strömt. Die kleinste Luftwiderstandskomponente, ist der Reibungswiderstand. Dieser entsteht durch die Luft, die an der Oberfläche des Autos Reibung erzeugt.

Formel Luftwiderstand

FL= 0,5 * QL * CW * A * v^2

FL = Luftwiderstand in Kraft (N) QL = Dichte der Luft (kg/m^3) A = Querschnittsfläche Fahrzeug (m^2) v = Geschwindigkeit Auto ((m/s)^2) CW = Der CW Wert ist der Strömungswiderstandskoeffizient, ein dimensionsloses Maß für den Strömungswiderstand eines Körpers, der von einem Fluid umströmt wird.

Rechenbeispiel Ein 1,6m hohes und 1,9m breites Auto fährt an einem dämmernden Sonnenabend bei entspannten 20 Grad mit offenem Cabrio mit 20 m/s über eine Landstraße. Der CW-Wert beträgt 0,4. Wie hoch ist die Kraft mit der das Auto gegen den Luftwiderstand kämpfen muss ?

FL =0,5 * 1,2 kg/m^3 *0,4 * 3,04m^2 * („20m/s)^2 = 291,84 N

Antwort: Das Auto muss mit einer Kraft von 291,84 Newton gegen den Luftwiderstand ankämpfen

Formel 1 im Windkanal Aerodynamik ist in der Formel 1 sehr bedeutend. Während ein hoher Anpressdruck einem die Möglichkeit verleiht schnelle Kurven zu fahren, ist ein möglichst geringer Luftwiderstand für schnelleres Fahren auf Geraden verantwortlich. Eines der wichtigsten Werkzeuge, um die Aerodynamik des Autos zu entwickeln ist der Windkanal. Bevor der Windkanal genutzt wird, stellt sich das Team der Herausforderung, die Aerodynamik mit Hilfe von Computer Simulationen zu rekonstruieren. Erst wenn die Simulationen im Computer realistisch erscheinen, werden die verschiedenen Konzepte und Verbesserungen im Windkanal nach ihrer Effektivität geprüft. In einem echten Rennen bewegt sich das Auto durch den Raum und die Luft, während man im Windkanal die Faktoren tauscht. Das Auto ist fix im Kanal angebracht und die Luft wird durch einen großen Föhn über und um das Auto herum geblasen. Heutzutage werden aus kosten Gründen keine 1:1 Replikats der Autos hergestellt, um sie im Windkanal zu testen, sondern die Automodelle besitzen nur 60% der Größe zu dem Original. Am Modell sind viele Sensoren angebracht, aus denen mit verschiedensten Hightech Methoden, die Daten ausgewertet werden können. Während eines Windkanaltests können auch Parameter, die das Fahrverhalten des Autos beeinflussen, bewusst verändert werden, so dass man auch das Fahrverhalten des Autos auf den verschiedenen Streckenabschnitten einschätzen und optimieren kann.

Video Windkanal https://www.youtube.com/watch?v=sn2eisHLwwk&ab_channel=FIA

Video zum Airflow an einen Formel 1 Wagen https://www.youtube.com/watch?v=XlBVQoRGiIw

Schönfeld, F

Circuit Albert Park

Die Formel 1 bestreitet jedes Rennwochenende in einem anderen Land. In Australien wird traditionell das erste Rennen der Saison ausgetragen (Corona ausgenommen). Die Strecke in Melbourne (Circuit Albert Park) ist 5,303 Km lang und hat 16 Kurven. Fahrer erreichen hier Geschwindigkeiten bis zu 330km/h aber müssen teilweise vor Kurven auch bis auf 90 km/h abbremsen.

Hier ein Link zum Streckenverlauf–https://www.f1-fansite.com/de/f1-Schaltungen/Albert-Park-Circuit/

Einer der ersten Gedanken der einem bei solchen Zahlen in den Kopf kommt: G-Kräfte. Aber was sind G-Kräfte überhaupt und wie kann man diese greifbar machen? G-Kräfte sind Belastungen, wie schnelle Geschwindigkeits-, oder Richtungsänderungen, die auf den Körper einwirken. Es handelt sich um eine Kraft pro Masse. Unter „normalen“ Umständen wirkt nur die mittlere Erdbeschleunigung mit 9,81m/s2 auf den Körper. Hierbei spricht man von 1g die senkrecht (+Z) auf den Körper wirkten. Befinden wir uns in einem Auto das beschleunigt so wirkt auf den Körper des Fahrers (Masse m) die Beschleunigung a=F/m, wenn auf ihn eine Kraft F wirkt. Beschleunigung kann wahlweise auch abbremsen oder schnelle Richtungsänderung nach rechts oder links bedeuten. Beispiel: Ein Rennfahrer durchfährt eine Kurve (Radius 160m) mit 200Kmh so wirkt auf ihn eine Kraft von 19m/s2. Dies entspricht ca. 2g.

Um die G-Kräfte, die auf den Körper einwirken, einordnen zu können, hilft die unten dargestellte Tabelle.

1-2g Alltag, Kinderschaukel unbedenklich
3-4g Achterbahn Einengung des Gesichtsfeldes, verbale Kommunikation nur eingeschränkt möglich
5-6g Formel 1 Bewusstlosigkeit für untrainierte
7-10g Kunstflug Auch geübte Piloten können bewusstlos werden
20g Verkehrsunfall 50Km/h Kann tödlich sein
180g Maximum für Überlebenschance Sekundenbruchteile aushaltbar (Viel Glück)

Abbildung 2

Im folgendem Video seht ihr, wie Lewis Hamilton eine Runde auf dem Circuit Albert Park fährt. Links unten werden die erreichten G-Kräfte angezeigt, die der Fahrer in den jeweiligen Kurven aushalten muss.

Link: https://www.youtube.com/watch?v=zJRh9FG83d0

„Viele Leute kritisieren, die Formel 1 sei ein unnötiges Risiko. Aber was wäre das Leben, wenn wir immer nur das Nötige tun würden?“ Niki Lauda

Wie in den Video dargestellt wirken g-Kräfte nicht ausschließlich in eine Richtung. Um dies zu verdeutlichen ist rechts ein Koordinatensystem zu sehen (Abbildung 3). Positive g-Kräfte in X Richtung sind wohl die bekanntesten ihrer Art. Sei es beim Starten eines Flugzeugs oder bei Beschleunigung der Achterbahn. (Negative g-Kräfte in -X Richtung beim Abbremsen) G-Kräfte in y Richtung treten bei Kurven auf. Formel 1 Fahrer sind hier stark betroffen und brauchen hierfür eine außerordentlich gut trainierte Nackenmuskulatur. Bei einer schnellen Beschleunigung in z Richtung kann es schnell zur Bewusstlosigkeit durch eingeschränkte Hirndurchblutung führen. Hiervon sind meist Kunstflieger betroffen (bzw. ungeübte Passagiere in einem Kunstflieger). Menschen sind besonders anfällig bei diesen g-Kräften. So kann es häufig passieren die Bewusstlosigkeit auch bei verhältnismäßig kleineren g-Kräften zu verlieren (2-3g können schon ausreichen). Dies beweist das kommende Video auf sympathische Art und Weise.

Link: https://www.youtube.com/watch?v=RkbptXtxwWg&list=PLDTMPQCIYWPki7b5PFZtfw-JPPSlubV7x&index=6

Malpricht, B

Fazit & Ausblick

Fazit

Um ein Formel 1 Rennen zu gewinnen, muss ein perfektes Zusammenspiel von Auto und Fahrer geschaffen sein. Selbst der Beste Fahrer kann in einem schlecht konstruierten Wagen kein Rennen gewinnen und das beste Auto mit einem schlechten Fahrer genauso wenig. Bei der Konstruktion und der Einstellung des Wagens muss so lange getestet und verändert werden, bis der Wagen genau auf die Bedürfnisse und Vorlieben des Fahrers abgestimmt ist. Die Fahrer machen vor allem bei schwierigen Strecken und Witterungsbedingungen den Unterschied, denn dort entscheidet sich wer besser trainiert, länger konzentriert und reaktionsschneller ist. Sowohl das Auto als auch der Fahrer sind bei jedem Rennen an ihrem absoluten Limit oder sogar darüber hinaus. Greift ein Rad nicht in das andere, wird es bei diesen Geschwindigkeiten und Kräften schnell lebensgefährlich. Auto und Fahrer verschmelzen und bilden zusammen eine Einheit, weshalb es nicht zu beantworten ist, wer von beiden die größere Maschine ist.

Günther, E

Ausblick

Wie wird sich die Formel 1 in der Zukunft entwickeln? Fortschritt bedeutet Veränderung aber welche Veränderungen werden in der Formel 1 passieren?

Stichwort: E-Mobilität & Klimawandel

Die Formel 1 hat mit einer immer kleiner werdenden Zahl an Zuschauern zu kämpfen. „Während 2010 in Deutschland die durchschnittliche TV-Zuschauerzahl eines Formel 1 Rennens noch bei über 6 Millionen lag, sank diese Zahl bis 2018 auf knapp 4,5 Millionen Zuschauer. (Rheinische Post et al, 2018).“ Zitiert nach Leiprecht, M S.12

Formel 1 ist ein sehr teurer Sport. Kaum einer kann sich diesen leisten. Woher kommen die Stars der Zukunft und spielt E-Sport dabei womöglich eine Rolle? Ist es möglich vom E-Sport in den klassichen Motorsport zu wechseln? Abbildung 4

Malpricht, B

Literaturverzeichnis

Betway Insider (2019, 06. Juni) Wie fit sind Formel-1-Fahrer im Vergleich zu anderen Athleten? https://blog.betway.com/de/andere-sportarten/wie-fit-sind-formel-1-fahrer-im-vergleich-zu-anderen-athleten/

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Fokus (2013, 13. November) Rasender Puls, Herzrhythmusstörungen und Hitze zermürben die Stars der Formel 1 https://www.focus.de/wissen/natur/atemnot-im-cockpit-rennfahrer-stress_id_1817183.html

Petra Wiesmayer (2013, 13. August) Aerodynamik : Entscheidende Millimeterarbeit https://www.speedweek.com/formel1/news/42882/Aerodynamik-Entscheidende-Millimeterarbeit.html

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Dr. Rüdiger Paschotta (2014, 26. September) Luftwiderstand, erklärt im RP-Energie-Lexikon https://www.energie-lexikon.info/luftwiderstand.html

Autosport (2017, 4. August) F1 airflow explained – part 1 https://www.youtube.com/watch?v=xjsUwFHQbWo&t=4s

CFD GmbH (2021, 16 November) FORMEL 1 Ingenieur erklärt Aerodynamik am Auto | CFD GmbH https://www.youtube.com/watch?v=9VsE3c2TU-s

Hoegel, B. (2021). g-Kraft. Zugriff am 08. Februar 2022 um 19:32 über https://www.biancahoegel.de/mechanik/g-kraft.html

Sedlak, M. (2021). Maßeinheiten der Beschleunigung. Zugriff am 08. Februar 2022 um 19:36 über https://sedl.at/Einheiten/Beschleunigung

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Pit Stop. (2021, 15. September) F1 Driver Reveals EXHAUSTING Formula 1 Workout Routines [Video] YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=CE-r2dY2OlE

Norris, L. [Lando Norris]. (2019, 3. Februar) We’re not here for fun [Video] YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=9F4HPkqv40E&t=1s

Rosberg, N. [Nico Rosberg] (2011, 16. März) Nico Rosberg – Formel 1 Spezial Training in Monaco [Video] YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=ifY-Nin5-Os

Rosberg, N. [Nico Rosberg] (2011, 16. März) MY SECRET F1 TRAINING REGIME [Video] YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=g-KYASQKdSU

Ricciardo, D. [Daniel Ricciardo] (2017, 27. Januar) F1 Driver Daniel Ricciardos Training Regimen [Video] YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=LOtqolSAxXE

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TechnoGym (o.D.) The training oft he Formula One Mclaren`s driver technogym.com https://www.technogym.com/vn/newsroom/training-formula-one-driver/

Hall, N. (2021, 15. Oktober) Daniel Ricciardos F1 Workout & Diet Plan. Manofmany.com https://manofmany.com/entertainment/sport/daniel-ricciardo-workout-diet-plan

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 (Modul-Icon) Rechte: C Zugriff am 08. Februar 2022 um 17:41 unter https://pixabay.com/de/vectors/formel-1-formel-eins-motorsport-152975/
Abbildung 2 Rechte: A Erstellt von Malpricht, B.
Abbildung 3 Rechte: A Erstellt von Malpricht, B.
Abbildung 4 Rechte: C Zugriff am 10. Februar 2022 um 19:27 unter https://pixabay.com/de/vectors/spieler-spiel-caster-pro-spieler-3662907/
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