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  • Das Spiel mit den Kräften



    Achterbahnen beeindrucken mit ihrer Höhe, Geschwindigkeit oder Anzahl der Inversionen. Meistens zählt höher, schneller, weiter und es werden Rekorde aufgestellt und wieder gebrochen.

    Natürlich gibt das einen groben Eindruck über das, was ein Coaster zu bieten hat, doch was das Erlebnis während einer Fahrt wirklich ausmacht, ist, was mit deinem Körper angestellt wird. Der schnelle Wechsel zwischen enormem Druck oder dem Gefühl der Schwerelosigkeit – Das Spiel mit den Kräften.

    Ich möchte euch einen kleinen Eindruck geben, wie bei Achterbahnen mit Kräften gearbeitet wird, wo die Grenzen liegen und auch versuchen, euch die Physik dahinter etwas verständlich zu machen.


    Was steckt dahinter?

    Los geht es mit etwas Theorie, wobei es einen kleinen Betrug aufzudecken gilt:
    Deine Wahrnehmung verfälscht das was du während einer Achterbahnfahrt erlebst. Dein Körper wird weder schwerer noch leichter. Das was du spürst, ist der Wagen, der deinen Körper hin und her bewegt.

    Dieses Phänomen erkannte schon der Physiker Newton sehr lange bevor die erste Achterbahn ihre Runden drehte. Ein Körper, der einmal in Bewegung ist, würde diese immer gradlinig fortsetzen, gäbe es keine Reibung oder anderen Einflüsse. Um ihn aus seiner Bewegungsrichtung abzulenken benötigt es also immer eine Kraft, die senkrecht zu dieser wirkt.

    Das kannst du ganz leicht ausprobieren: Befestige einen Gegenstand fest an einer Schnur, und schleudere ihn in einem Kreis über deinem Kopf. Je schneller der Gegenstand kreist, desto stärker beginnt es an der Schnur zu ziehen (Zentrifugalkraft). Du musst eine Gegenkraft (Zentripetalkraft) aufwenden um Deine Hand still zu halten.

    Solltest du die Schnur loslassen (Das probierst du bitte nur aus, wenn du nichts und niemanden dabei gefährdest ), bringst du keine Kraft mehr auf und der Gegenstand fliegt in die Richtung davon in der er zuletzt war.


    Die Bewegung eines Achterbahnzugs ist durch sein Fahrwerk an den Verlauf der Schiene gebunden. Die Schiene sowie die Stützkonstruktion bringen somit die Kraft auf, die den Zug in jedem Moment aus seiner jetzigen Bewegungsrichtung ablenkt. Die Gegenkraft des Zuges auf die Schiene wird also über die Stützenkonstruktion und Fundamente in den Boden abgeleitet.

    Da du ja selbst nicht fester Bestandteil des Zuges bist, muss der Zug wiederum diese Richtungsänderung an dich weitergeben und übt ebenfalls eine Kraft auf dich aus. Genau das ist der Druck, den du spürst, wenn du durch Täler und enge Kurven fährst, oder der eben teilweise oder komplett ausbleibt, wenn du über einen Hügel fährst.



    Die „g-Kräfte“

    Hinzu kommt jetzt allerdings, dass du, solange du auf der Erde bist immer der Gravitationskraft ausgesetzt bist. Diese würde dich dauerhaft Richtung Erdmittelpunkt beschleunigen, stündest du nicht die meiste Zeit deines Lebens auf festem Boden.
    Ihr Wert beträgt 9,81 m/s² und ist festgelegt als 1g. Kräfte, die beispielsweise bei einer Achterbahnfahrt auftreten, lassen sich immer als ein Vielfaches der Erdbeschleunigung angeben.

    Fährt dein Achterbahnzug durch ein Tal, so ergänzen sich Gravitations- und die (von dir wahrgenommene) Ablenkkraft, sodass du dich schwerer anfühlst als normal.
    Hast du zum Beispiel ein Körpergewicht von 75 Kilogramm, so kommt es dir unter dem Einfluss von 3g so vor als würdest du 225 Kilogramm - das Dreifache deines Normalgewichts - wiegen.
    Die Stärke der Fliehkraft wird bestimmt durch die Geschwindigkeit des Zuges, sowie den Radius der Richtungsänderung.

    Airtime

    Auf einem Camelback hingegen wirken die wahrgenommene Ablenkkraft und die Gravitationskraft einander entgegen, und heben sich bei gleicher Stärke auf. In diesem Zustand bist du genau 0 g ausgesetzt und fühlst dich somit schwerelos. Wird die Ablenkung stärker als die Gravitationskraft, so wirken „negative“ Kräfte:
    -1 g heißt, dass du aus dem Sitz gehoben wirst und dein (einfaches) Körpergewicht lastet nur noch auf dem Bügel. Du erlebst in diesem Moment die sogenannte „Airtime“!
    Dieser Effekt ist bei Achterbahnfans gern gesehen, da es einem das Gefühl gibt man fliege aus der Bahn und nur der Bügel hält einen in seinem Sitz.

    Besonders anschaulich werden all diese Effekte bei B&M Hypercoastern. Meherere aneinander gereihte Airtimehügel (z.B. bei Silverstar) machen den Wechsel zwischen Airtime und hohen g Werten spürbar.



    Die Grenzen des Machbaren

    Wie bei eigentlich allem gibt es auch bei den Kräften Grenzen, die durch das was der Mensch aushält vorgegeben sind. Um das TÜV-Siegel zu bekommen, darf ein Coaster diese Belastungsgrenzen natürlich auf keinen Fall überschreiten. Die maximal zugelassenen 4 bis 5 g belasten den Menschen schon sehr stark und dürfen auf keinen Fall länger als ein paar Sekunden wirken, da ansonsten sogenannte Gray Outs oder auch Black Outs auftreten können. Trainierte Kampfjetpiloten beispielsweise können da nochmal ein wenig mehr aushalten als der Durchschnitt.

    Ein passendes Beispiel bietet da der Intamin Megacoaster Intimidator 305 in Kings Dominion. Dessen Layout eine leichte Entschärfung erfuhr, da anscheinend bei vielen Parkbesuchern bei der Durchfahrt der bodennahen Kurve nach dem First Drop zu solchen Erscheinungen gekommen ist.
    Das folgende Video der Coastercrew macht die starken Kräfte nochmal deutlich, auch wenn der „Black Out“ hier zum Glück nur vorgespielt ist:


    Die Kräfte in seitlicher und vertikaler Richtung sind so begrenzt, dass die Fahrt möglichst angenehm ist.
    Mehr als -1,5 g sind so in der vertikalen nicht zulässig um keinen zu hohen Druck auf Schultern oder Oberschenkel zu erzeugen. Durch die Sitzposition dürfen auch die seitlich, in Kurven auftretenden, Fliehkräfte nicht mehr als 2 g betragen um starke Belastungen der Wirbelsäule zu vermeiden.

    Einsatz im Achterbahnalltag

    Es zeigt sich, dass die stärksten Kräfte vertikal zur Position des Mitfahrers zugelassen sind. Dies ist auch der Grund, weshalb Kurven bei Achterbahnen grundsätzlich immer geneigt sind. Der Körper wird somit auch in einer Kurve nicht seitlich belastet, was wesentlich schnellere Richtungswechsel ermöglicht.

    Was damit möglich ist, zeigt beispielsweise der neue Maurer Söhne Coaster Freischütz im Bayernpark. Dieser besteht zum Großteil aus engen Kurven die für andauernde hohe Kräfte sorgen. Dazwischen wechselt man jedoch schnell in die „Schwerelosigkeit“, während einen die Schrauben auf den Kopf stellen.



    Ein Gegenbeispiel stellen die bekannten Wilde Maus Achterbahnen dar, deren Kurven Absichtlich keine seitliche Neigung besitzen. Der Effekt in den Kurven in seinem Sitz zur Seite gedrückt zu werden ist also gewollt eingesetzt.



    Eine Angenehme Fahrt

    Wichtig für eine angenehme Achterbahnfahrt ist, dass Übergänge zwischen hohen und niedrigen Kräften sanft verlaufen. So beginnt keine Kurve abrupt, sondern ihr Radius wird langsam kleiner, bis die gewünschte Größe erreicht ist. Auch eine seitliche Neigung sollte niemals zu abrupt einsetzen. Je langsamer die Übergänge, desto angenehmer fährt sich ein Coaster. Man sagt dann, die Bahn ist „smooth“, was übersetzt „glatt“ bedeutet.
    B&M bekommt dies sehr gut umgesetzt, während in der Fan-Szene beispielsweise die Achterbahnen des Herstellers Vekoma harte Kritik in Punkten „Smoothness“ ernten.



    Jetzt achte einfach mal selbst bei der nächsten Achterbahnfahrt darauf, wann du welchen Kräften ausgesetzt bist und wie sich das ganze so für dich anfühlt. Ich hoffe ich konnte dir das Spiel mit den Kräften mit meiner Erklärung (die jetzt doch recht ausführlich geworden ist) ein wenig anschaulicher machen.
    In diesem Sinne wünsche ich viel Spaß in der kommenden Saison. Lasst euch ordentlich durchschütteln!

    Bis demnächst, euer doCoaster!
    Mario M., Braumeister, captain und 30 anderen gefällt dieses Posting.
    Kommentare 10 Kommentare
    1. Avatar von JohannesK
      JohannesK -
      Danke für den tollen Bericht.

      Ist auch mal ganz interessant, was bei einer Achterbahnfahrt alles mit dem Körper passiert.
    1. Avatar von MSar
      MSar -
      Vielleicht sollte man - für den interessierteren Leser - noch auf das Kräfteparallelogramm eingehen.
      Eine Kraft ist ein mathematisch gesehen ein Vektor. Sie hat eine Richtung und eine Stärke. Man kann nun Kräfte, die auf einen Gegenstand (z.B. Menschen in Achterbahn) wirken immer in 2 Komponenten zerlegen. Eine Komponente parallel zur Bewegungsrichtung, diese beschleunigt oder verzögert die Bewegung, und eine senkrecht dazu, die ändert die Bewegungsrichtung.
    1. Avatar von doCoaster
      doCoaster -
      Danke für die Ergänzung. Ich hatte überlegt auch die Kräfte und Geschwindigkeiten als Vektoren zu erklären, habe mir dann aber überlegt, dass das in meinen Augen etwas umfangreich und nur noch komplizierter geworden wäre. So anscheulich wie du hätte ich das schon mal nicht erklären können.
    1. Avatar von Radioaktivdoll
      Radioaktivdoll -
      Toll erklärt! Danke!
    1. Avatar von Kate
      Kate -
      Supi erklärt und wieder mehr dazu gelernt.

      Danke!!
    1. Avatar von MaLo
      MaLo -
      Danke für die verständlich geschriebene Erklärung. Wirklich interessant!
    1. Avatar von Eulalia2002
      Eulalia2002 -
      Ich finde das auch sehr interessant, und das sollte jeder mal lesen, der Angst vor Achterbahnen hat, denn es kann ja wirklich nichts passieren. Ich kann mich aus grauer Vorzeit aber auch noch an meinen Matheunterricht erinnern, wo es auch mal um eine "Normalparabel" ging, an deren Nullpunkt (Höchster Punkt) sich alle Kräfte gegenseitig aufheben. Also muss, damit eine Airtime entstehen kann, der entsprechende Hügel geformt sein wie eine Normalparabel. Die Astronauten trainieren auch Schwerelosigkeit in einem "Parabelflug", der eigentlich nichts anderes ist als ein mehrere tausend Meter hoher Airtimehügel.
    1. Avatar von Floooooo
      Floooooo -
      Ich muss dann mal hier noch kurz etwas schreiben, nämlich zum Unterschied, wann eine Kraft wie wahrgenommen wird. Ich wollte da hier mit folgendem Post eigentlich keine so große Diskussion lostreten, wie sie dann im dortigen Thread passierte (während ich 12 Stunden im Flieger saß )

      Daher hier eine Klarstellung:

      Zitat Zitat von Floooooo Beitrag anzeigen
      Ganz ehrlich: Ihr könnt da alle rechnen, was ihr wollt. Denn die gefühlte Beschleunigung ist das, worauf es bei einer Achterbahn ankommt - und die wird unterstützt z.B. durch eine enge, kurvige Strecke etc. Euer Körper kann das nämlich ohne Bezugspunkte kaum unterscheiden. (Beispiel: Schonmal mit nem A380 geflogen? Das Ding fährt gefühlt im Bobby-Car Tempo über die Runway...)
      Zitat Zitat von Marco1887 Beitrag anzeigen
      Du vergleicht die Geschwindigkeit mit der Beschleunigung. Auch die Wahrnehmung von INNEN (Achterbahn) und AUSSEN (A380) sind völlig unterschiedlich. Beides völlig zwei Paar Schuhe.
      Nein, habe ich nicht verglichen, vielleicht etwas blöd formuliert. Mir ging es darum, dass sich die Beschleunigung beim Start eines A380 (und dabin ich nicht der Einzige) nicht so stark anfühlt, wie bei kleineren Flugzeugen, vor allem dann nicht, wenn man sich das auf der On-Board-Cam (die nach draußen zeigt) ansieht. Warum? Weil man in einem "großen" Ding sitzt, das Flughafengebäude in einiger Entfernung dagegen relativ klein wirkt, man aber 'langsam' (so wirkt es) daran vorbeirollt.
      Alles eine Frage der Bezugspunkte.

      Zitat Zitat von Taron Beitrag anzeigen
      Ich schiebe das mal auf die späte Uhrzeit deines Postings. Als Achterbahnfan sollten einem G-Kräfte eigentlich ein Begriff sein.
      Kurzes OT: Nö. Man kann auch Achterbahnfan sein, ohne sich mit G-Kräften zu beschäftigen. Man kann nur kein Achterbahn-Nerd sein, ohne das zu tun
      Und nebenbei: Meine Physikkenntnisse sind ganz ok, keine Angst. (Mein Original-Posting entstand auch übrigens nicht nachts, sondern in einer anderen Zeitzone...)

      Zitat Zitat von Taron Beitrag anzeigen
      Was haben G-Kräfte und Geschwindigkeit miteinander zu tun? G-Kräfte sind gerade das, was man auf einer Achterbahn fühlt. G-Kräfte werden vom Körper wahrgenommen.
      - G-Kräfte pressen dich in den Sitz, wenn du durch einen Looping fährst.
      - Oder sie lassen dich aus dem Sitz abheben, wenn diese fehlen (Airtime).
      - Zu hohe G-Kräfte können zu Bewusstlosigkeit (Intimidator-305) oder gar dem Tod führen, wenn man diesen zu lange ausgesetzt ist.
      - Der TÜV vergibt Altersfreigaben für Fahrgeschäfte unter anderem nach den auftretenden G-Kräften.
      Und da kommen wir zum eigentlichen Thema meines Posts: Die nackte Physik zu betrachten, ist halt nur eine Seite der Medaille. Hier kann man genau eine Sache argumentieren, nämlich die Kräfte, die objektiv auf den menschlichen Körper wirken. Die subjektive Wahrnehmung ist aber eine ganz andere. Nicht nur, dass sie von Mensch zu Mensch unterschiedlich ist (daher subjektiv ), sondern v.a. auch, da wir Menschen verschiedene 'Sensoren' (hier z.B.: die Augen) besitzen. In unserer Wahrnehmung spielen visuelle Reize eine sehr große Rolle. Daher wirkt z.B. dieselbe Beschleunigung, wenn sie in einem engen Tunnel, mit "Hindernissen" etc. pp. erfolgt, meist 'stärker', als wenn man dieselbe Bahn z.B. in einer Sandwüste mit reichlich Platz plaziert.

      (Ein ähnliches Thema wären z.B. auch Near-Miss/ Headchopper etc., die alle nur funktionieren, weil man dort mit gewissem Tempo (nein, ich vergleich explizit nicht Geschwindigkeit mit Beschleunigung) durchfährt - weil das Auge den möglichen Zusammenstoß 'erkennt' und das Hirn daraus die Nachricht 'Gefahr!' baut...)

      Mein Punkt ist also eigentlich nur: Physik und das Werben mit dem 'stärksten Launch' etc. ist das Eine, wie es sich aber 'anfühlt', das hängt auch von anderen Faktoren ab!

      (So, und jetzt dürfen alle 'Physiker' mich gern wieder lynchen ;-)
    1. Avatar von Taron
      Taron -
      Zitat Zitat von Floooooo Beitrag anzeigen
      (So, und jetzt dürfen alle 'Physiker' mich gern wieder lynchen ;-)
      Aber gerne doch :P

      Der A380 hat eine deutlich langsamere Beschleunigung als kleinere Flugzeuge. Zum Vergleich die benötigte Startgeschwindigkeit und die benötigte Startrollstrecke. Habe gerade keine Lust das in Beschleunigung umzurechnen, aber es sollte auch so klar werden:

      A320
      Startgeschwindigkeit: ~280 km/h
      Startrollstrecke: ~1700m

      A380
      Startgeschwindigkeit: ~280 km/h
      Startrollstrecke: ~3000m

      All die Effekte die du hier aufzählst (Near Miss etc.) haben etwas mit Geschwindigkeit und nicht mit Beschleunigung zu tun. Wie schon vorher gesagt: Beschleunigung spürt der Körper, Geschwindigkeit spürt er nicht. Geschwindigkeitsgefühl kann man aber super durch Near Misses erzeugen. Geschwindigkeit ist das Ergebnis von Beschleunigung. Daher verbesserst du durch Near Misses nicht die Beschleunigung, sondern das Geschwindigkeitsgefühl. Solche Elemente sind auch wichtig für eine Achterbahn, aber eine Achterbahn ohne Beschleunigung, die nur geradeaus fährt und Near Miss Effekt hat, wäre doch auch sehr langweilig oder nicht? Du kannst keine Kurve ohne Beschleunigung oder G-Kräfte bauen. Je enger die Kurve, umso stärker die Kräfte.

      Du bist doch bestimmt schon mit einer Achterbahn gefahren, die dunkle Streckenabschnitte hatte? Nehmen wir mal die Helix im Tunnel bei Colorado Adventure im PHL als Beispiel. Obwohl du nichts siehst, spürst du die Beschleunigung hier deutlich stärker als bei anderen Headchopperstellen auf der Strecke.

      Ich verweise auch noch einmal auf das Video, das flaffstar99 gepostet hat, in dem Werner Stengl höchstpersönlich genau das erklärt:


      Und natürlich verträgt jeder Mensch Beschleunigung anders. Darum werden Astronauten zum Beispiel vorher in einer Zentrifuge getestet und trainiert, bevor man sie ins All schießt. Nicht jeder verträgt hohe G-Kräfte gleich gut.
    1. Avatar von Floooooo
      Floooooo -
      @Taron: siehst? Da widersprechen wir uns ja nicht wirklich, oder?
      Mir ging es wie gesagt darum, dass die (physikalische) Beschleunigung nur eine Sache ist und deine persönliche Wahrnehmung sich aber aus sehr viel mehr "errechnet". In einen Satz gebracht: Größere Beschleunigung führt nicht automatisch zu "mehr" Fahrterlebnis.