Physiologie Segelkunstflug

Jan Grigioni
Physiologische Belastungen beim Segelkunstflug
Wissenschaftliche Arbeit
Kantonsschule Chur
Maturaarbeit
Betreuungsperson: Dr. Rocco Ciorciaro
Schuljahr 2010
Maturaarbeit 2010
Jan Grigioni 6Ge
Inhaltsverzeichnis
1 Abstract ............................................................................................................................................... 3 2 Vorwort ............................................................................................................................................... 4 3 Einleitung ............................................................................................................................................ 5 3.1 Segelflug.............................................................................................................................. 5 3.1.1 Geschichte ........................................................................................................................... 5 3.1.2 Wie kann ein Segelflugzeug eigentlich fliegen? ................................................................. 6 3.1.3 Segelfliegen heute ............................................................................................................... 7 3.2 Segelkunstflug .................................................................................................................... 9 3.2.1 Segelflugzeuge für den Kunstflug ....................................................................................... 9 3.2.2 Figuren/Flugprogramme.................................................................................................... 12 3.2.3 Schweizermeisterschaft im Segelkunstflug in Langenthal-Bleienbach ............................ 15 4 Theoretischer Teil............................................................................................................................. 17 4.1 Bekannte Einflüsse des Kunstfluges auf den Körper ................................................... 17 4.2 Was sind g-Kräfte?.......................................................................................................... 17 4.3 Die Sensoren und ihre Funktionen ................................................................................ 19 4.3.1 Der dreiachsige Beschleunigungsmesser des Sensors....................................................... 20 5 Praktischer Teil ................................................................................................................................ 21 5.1 Fixierung der Kamera..................................................................................................... 21 5.2 Konfiguration der Sensoren und der Messperiode ...................................................... 22 5.3 Synchronisation der Messungen mit dem Film ............................................................ 24 6 Resultate ............................................................................................................................................ 26 6.1 Vergleiche zwischen den Piloten Jan Grigioni und Rocco Ciorciaro ......................... 26 6.2 Vergleiche zwischen gleichen Figuren in unterschiedlichen Flugprogrammen ........ 28 7 Diskussion ......................................................................................................................................... 30 7.1 Vergleiche zwischen den Piloten Jan Grigioni und Rocco Ciorciaro ......................... 30 7.2 Vergleiche zwischen gleichen Figuren in unterschiedlichen Flugprogrammen ........ 31 7.3 Fliegerische Resultate an der Meisterschaft ................................................................. 32 8 Dank................................................................................................................................................... 33 9 Bestätigung der Autorschaft ........................................................................................................... 33 10 Quellenverzeichnis .......................................................................................................................... 34 11 Abbildungsverzeichnis.................................................................................................................... 35 12 Anhang ............................................................................................................................................. 37 12.1 Technische Daten Pilatus PC11/B4 ................................................................................ 37 12.2 Flugplatz Langenthal-Bleienbach .................................................................................. 38 12.3 Technische Daten des Sensors Actiwave Cardio .......................................................... 40 12.4 Technische Daten der Videokamera SONY DCR-HC37............................................. 41 12.5 Terminal & Videodaten-Tool (VD-Tool)....................................................................... 42 12.6 Bericht der Berner Zeitung ............................................................................................ 43 2
Maturaarbeit 2010
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1 Abstract Während der Schweizermeisterschaft im Segelkunstflug in Langenthal-Bleienbach zeichnete ich, mit
Hilfe zweier Sensoren der ETH Zürich, am Körper von mir und meinem Betreuer Dr. Rocco Ciorciaro
auf, wie der menschliche Körper, vor allem die Herzfrequenz, auf den Kunstflug reagiert.
Bei der Auswertung verglich ich einerseits die Herzfrequenz und die g-Kräfte bei einem gleichen
Kunstflugprogramm, welches beide Piloten, Jan Grigioni und Rocco Ciorciaro, flogen, andererseits
wurden die Herzfrequenz und die g-Kräfte von gleichen Figuren in unterschiedlichen Flugprogrammen
von einem Piloten, nämlich Jan Grigioni, verglichen.
Die Messungen der ersten Auswertung ergaben, dass bei Jan Grigioni die Herzfrequenz und die gKräfte deutlich höher waren als bei Rocco Ciorciaro. Dies ist einerseits sicher auf die grössere Flugerfahrung von Dr. Ciorciaro zurückzuführen, andererseits aber auch darauf, weil es der erste Wettbewerb
von Jan Grigioni war.
Die zweite Auswertung der gleichen Figuren in den unterschiedlichen Flugprogrammen ergab, dass zu
Beginn des Wettbewerbs die Herzfrequenz höher war als am Schluss der Meisterschaft. Die g-Kräfte
waren ebenfalls etwas höher am Anfang, als am Schluss.
Dies hat sicher damit zu tun, dass man zu Beginn des Wettbewerbs etwas nervöser und aufgeregter ist,
als am Ende.
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2 Vorwort Im Februar 2010 wurde Simon Ammann Doppelolympiasieger im Skispringen in Vancouver. Zwei
Tage nach dem Sieg, es war der 22. Februar, strahlte das Schweizer Fernsehen einen Bericht über die
Messungen der ETH Zürich an Ammanns Körper aus. Mit winzigen Beschleunigungs- und
Herzsschlagsensoren mass die ETH Zürich den Zustand von Simon Ammanns Körper während der
Olympischen Spiele.
Mich faszinierten diese Messungen sofort und ich überlegte, ob man diese Messungen auch während
eines Segelkunstfluges machen könne. Bei so einem Kunstflug hat man auch Beschleunigungskräfte
und das Herz muss ziemlich arbeiten. Damit war das Thema für meine Maturaarbeit geboren.
Ich setzte mich mit der ETH Zürich in Kontakt und bekam eine Zusage. Die ETH Zürich, insbesondere
Herr Martin Kusserow und Professor Dr. Gerhard Tröster unterstützten mich bei meinen Ideen und
stellten mir freundlicherweise zwei Sensoren zur Verfügung.
Später, nach einigen Testflügen nahm ich an der Schweizermeisterschaft im Segelkunstflug in Langenthal-Bleienbach teil, um dort meine Messungen vorzunehmen. Glücklicherweise konnte der Betreuer für
meine Maturaarbeit Dr. Rocco Ciorciaro, welcher auch vom „Aviatikvirus“ angesteckt ist, ebenfalls an
der Meisterschaft teilnehmen.
In Langenthal erlebte ich eine wunderschöne Woche, mit super Wetter, sodass ich meine Messungen
ohne Probleme zu Ende führen konnte. Die Maturaarbeit wurde für mich zu einer Kombination
zwischen anspruchsvoller Freizeitarbeit, Schule und wissenschaftlicher Forschung.
An dieser Stelle möchte ich allen Personen danken, die mir halfen meine Idee zu realisieren und umzusetzen. Auch möchte ich allen Personen danken, welche mich unterstützten, um die Arbeit zu verfassen.
Jan Grigioni
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7 Diskussion 7.1 Vergleiche zwischen den Piloten Jan Grigioni und Rocco Ciorciaro Vergleicht man die Herzrate und die g-Kräfte der beiden Piloten, wird ersichtlich, dass Jan Grigioni
(Pilot I) eine deutlich höhere Herzrate hatte als Rocco Ciorciaro (Pilot II). Die g-Kräfte waren bei Pilot I
ebenfalls etwas höher als bei Pilot II.
Da Pilot II mehr Flugerfahrung und ein höheres Alter aufweist, liegt nahe anzunehmen, dass Pilot II viel
ruhiger, dass heisst mit einem niederen Herzschlag, an der Meisterschaft war. Für Pilot II war es, ganz
im Gegensatz zu Pilot I, nicht der erste Kunstflugwettbewerb, denn er hatte schon an der Kunstflugmeisterschaft auf dem Flugplatz Bad Ragaz mitgemacht und wusste deshalb, wie solch ein Wettbewerb
abläuft. Ebenfalls hat Pilot II Flugerfahrung im Segel- und im Motorflug und dies schon mehrere Jahre.
Der K-Faktor einer Kunstflugfigur sagt ja bekanntlich aus, wie schwer eine Figur zu fliegen ist. Dies
sieht man auch an der Herzfrequenz: Ein Reversement hat einen K-Faktor von 17 und ist auch relativ
schwierig zu fliegen, im Unterschied zu beispielsweise einem Looping mit einem K-Faktor von 10. Die
Herzrate ist beim Reversement etwas höher, als beim Looping, und das bei Pilot I und II.
Deshalb ist anzunehmen, dass bei anspruchsvolleren Kunstflugfiguren die Herzfrequenz steigt.
Allerdings ist dieser Zusammenhang wohl vom Trainingszustand des Piloten abhängig.
Abb. 22a: Deutliche Ausschläge der Messkurven während eines Loopings
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Abb. 22b: Die Ausschläge der Messkurven während eines Turns
7.2 Vergleiche zwischen gleichen Figuren in unterschiedlichen Flugprogrammen Die Messresultate bei der gleichen Figur in den verschiedenen Flugprogrammen (bekannte Pflicht, Kür
und unbekannte Pflicht) zeigen folgendes:
Zu Beginn der Meisterschaft in Langenthal-Bleienbach war die Herzrate von Pilot I deutlich höher als
zum Schluss des Wettbewerbs. Man sieht also, dass beim zuerst geflogenen Programm (bekannte
Pflicht) die Herzrate höher ist, als bei der unbekannten Pflicht, welche am Schluss der Meisterschaft
geflogen wurde.
Diese Ergebnisse kann man so interpretieren, dass Pilot I zu Beginn des Wettbewerbs aufgeregter war,
als am Schuss. Für Pilot I war es auch der allererste Kunstflugwettbewerb, was die erhöhte Herzrate
erklärt. Gegen Ende der Meisterschaft war die Herzrate niedriger, was wahrscheinlich darauf schliessen
lässt, dass Pilot I nun gelassener am Wettbewerb teilnehmen konnte.
Deshalb empfehle ich, die Programme und Figuren viel zu trainieren, um eine gewisse Routine zu
gewinnen.
Auch sollte man viele Meisterschaften im In- und Ausland besuchen, um eine möglichst grosse Flugerfahrung zu sammeln.
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Abb. 23: Jan Grigioni beim Start mit dem B4, Rocco Ciorciaro befestigt das Schleppseil
am Segelflugzeug
7.3 Fliegerische Resultate an der Meisterschaft An der Meisterschaft 2010 auf dem Flugplatz Langenthal-Bleienbach in der Kategorie Espoirs wurde
Jan Grigioni zweiter, Dr. Rocco Ciorciaro dritter in der Gesamtwertung. Rocco Ciorciaro hatte bei der
Kür seine Probleme, weil er wenige, dafür aber um so schwierigere Figuren in sein Programm eingebaut
hatte. Er flog einige Figuren nicht so sauber, was einen grossen Punkteabzug zur Folge hatte, denn
schwierigere Figuren werden ja bekanntlich höher bewertet (K-Faktor).
Ich baute in meiner Kür eher leichtere Figuren ein, weil es mein erster Wettbewerb war und ich nichts
riskieren wollte.
Abb. 24: Von links nach rechts: 2. Rang Jan Grigioni, 1. Rang Manfred Zinn und 3. Rang
Rocco Ciorciaro
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8 Dank Ich möchte mich hiermit speziell bei meinem Betreuer der Maturaarbeit Dr. Rocco Ciorciaro für all
seine Unterstützung bedanken.
Ebenfalls möchte ich mich herzlich bei der ETH Zürich bedanken, im Speziellen bei Herrn Martin
Kusserow und bei Professor Dr. Gerhard Tröster, welche mir freundlicherweise zwei Sensoren für
meine Arbeit zur Verfügung stellten, und mir mit viel Geduld halfen und bei Problemen zur Seite
standen.
Bei Herrn Benno Stanger, welcher mir wertvolle Tipps gab, möchte ich mich auch bedanken.
Auch möchte ich mich bei allen Organisatoren und Helfern der Schweizermeisterschaft 2010 bedanken,
im speziellen beim Cheforganisator Herrn Roland Lüthi. Dank diesen Personen konnte der Wettbewerb
reibungslos durchgeführt werden.
Und last but not least möchte ich mich bei meinen Eltern, Roland und Astrid Grigioni, bedanken,
welche mir bei Problemen immer zur Seite standen.
9 Bestätigung der Autorschaft Ich bestätige mit meiner Unterschrift, dass ich die vorliegende Maturaarbeit erstellt habe und alle
fremden Informationen und Gedanken als solche gekennzeichnet und ordnungsgemäss zitiert werden.
Ich nehme Kenntnis davon, dass ein Plagiat als Betrug taxiert wird.
Ort, Datum: .......................................................
Unterschrift: .......................................................
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10 Quellenverzeichnis [1]
Gottlieb Siegrist. 1970. Fliegererlebnisse und Flugreise um die Welt. Verlag Bischofberger &
Co. Seite 17
[2]
Gemeinde Domat/Ems. 2005. Dorfbuch Domat/Ems. Südostschweiz Print AG. Seite 55
[3]
http://www.segelflug.de/vereine/kaiserslautern/segelfliegen.htm (28.7.2010)
[4]
Ein kleines 1x1 des Segelkunstfluges, aus http://www.sagach.ch/Deutsch/index.htm (28.7.2010)
[5]
http://www.sagach.ch/Deutsch/Flugzeuge/PilatusB4.htm (14.8.2010)
[6]
Prof. Dr. J. Draeger und Prof. Dr. J. Kiebel. 2002. Praktische Flugmedizin. ecomed Verlag
[7]
Segelkunstflug Skript, aus http://www.segelfliegen.at (21.8.2010)
[8]
Aus dem Flughandbuch des Pilatus B4 der SG Bad Ragaz
[9]
Aus Actiwave Insert, PDF von der ETH Zürich
[10]
http://www.sony.de/product/sdh-minidv/dcr-hc37e/tab/technicalspecs (21.8.2010)
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11 Abbildungsverzeichnis Abbildung Titelblatt: http://akrosm10.sgoberaargau.ch/ und Screenshot des Autors
Abbildung
1
http://www.glattpark.ch/grundlagen/index.php?f=infra&p=places&task=show&img=lilienth
2
http://www.luftrettung-hamburg.de/html/hubschraubertechnik.html
3
a: http://www.sg-badragaz.ch/page12/page7/page7.html
b: http://www.sg-badragaz.ch/page12/page26/page26.html
4
Swift S-1:
http://www.youngeagles.org/photos/gallery.asp?action=viewimage&imageid=101&text=&categ
oryid=14&box=&shownew=
MDM-1 Fox:
http://www.bredow-web.de/ILA_2006/Kleinflugzeuge/Solo-Fox_-_MDM-1_Fox/Solo-Fox__MDM-1_Fox.html
Die Abbildungen der Figuren im Kapitel „Figuren/Flugprogramme“ wurden vom Autor der
Maturaarbeit mit dem Programm „Olan“ gezeichnet.
5
http://www.sagach.ch/Deutsch/flugzeuge/PilatusB4.htm
6
Das Bild des Cockpits des B4 HB-3051 wurde vom Autor gemacht.
7
http://akrosm10.sgoberaargau.ch/
8
Das Bild der unbekannten Pflicht wurde vom Autor gemacht.
9
Das Bild des Programms „Olan“ wurde vom Autor gemacht.
10 http://akrosm10.sgoberaargau.ch/
11 http://akrosm10.sgoberaargau.ch/
12 Segelkunstflugskript, www.segelfliegen.at
13 Segelkunstflugskript, www.segelfliegen.at
14 Das Bild des Sensors am Körper wurde vom Autor gemacht.
15 http://de.wikipedia.org/wiki/Roll-Nick-Gier-Winkel
16 Das Bild des Sensors mit den Richtungsachsen bekam der Autor von der ETH Zürich.
17 http://akrosm10.sgoberaargau.ch/
18 Der Screenshot des Programms „Actiwave“ wurde vom Autor gemacht.
19 Der Screenshot des Programms „Actiwave“ wurde vom Autor gemacht.
20 Das Bild des Sensors am Körper wurde vom Autor gemacht.
21 Der Screenshot des Programmes wurde vom Autor gemacht.
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Die Tabellen und Diagramme im Kapitel 6 Resultate wurden vom Autor gemacht.
22 a/b: Die Screenshots der Messkurven wurden vom Autor gemacht.
23 http://akrosm10.sgoberaargau.ch/
24 http://akrosm10.sgoberaargau.ch/
25 http://www.pilatus-b4.de/cpg133/displayimage.php?album=24&pos=1
26 Scan aus dem VFR Manual Switzerland, skyguide
27 Scan aus dem VFR Manual Switzerland, skyguide
28 Aus Actiwave Insert, PDF von der ETH Zürich
29 http://www.sony.de/product/sdh-minidv/dcr-hc37e/tab/technicalspecs
30 Der Screenshot vom Programm Terminal wurde vom Autor gemacht.
31 Der Screenshot vom Programm VD-Tool wurde vom Autor gemacht.
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12 Anhang 12.1 Technische Daten Pilatus PC11/B4 Baujahre:
1972-1978
Hersteller:
Pilatus Aircraft
Konstrukteur:
Basten
Spannweite:
15 Meter
Länge:
6,57 Meter
Höhe:
1,57 Meter
Flügelfläche:
14 Quadratmeter
Gleitzahl:
35:1 bei 85 km/h
Geringstes Sinken:
0,63 m/s bei 75 km/h
Leergewicht:
230 Kilogramm
Nutzlast:
120 Kilogramm
Startgewicht:
Maximal 350 Kilogramm
Besatzung:
1 Person
Höchstgeschwindigkeit:
240 km/h
Manövergeschwindigkeit:
163 km/h
Maximales Lastvielfaches:
+7 g / - 4,7 g
 Für Quellenangabe: [8]
Abb. 25: Der Pilatus PC11/B4 im Kurvenflug
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12.2 Flugplatz Langenthal-­‐Bleienbach LANGENTFIAL
AD INFO 1
LSPL
t
N
I
$f
auf beidenRIIVY
GTN:Simultanbetrieb
velboten.
auf GRAssRWY
Simultanbetrieb
undRollwegveüoten.
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COR: Run-up
RWY RWYBRG
NR TRUE/MAG
05
m
AVBL LEN
LDG
AVBL LEN
TKOF
5251)
475
475
585
335
335
335
335
o52lo52
585 x 18
z,t
232t232
05R
052t052
23L
232t232
335x 20
*-l?t*1,
'.'1",;
1B
0
?0
Oberlläche
sFc
30m
Tragfähigkeit
STRENGTH
ASPH
MPW 5700 kg
0.5 MPa
GRASS
0.25 MPa
-+ VFR AGA 3{, $ 3
iträi&:'r€t
1)Due to field oath and Altachecanal NE of AD.
1
Flugplatz:
Privat,Flugfeld,PPR
1
Aerodrome:
Private,Airfield,PPR
2-
Lage:
5 km SW Langenthal
2
Location:
2.7 NM SW Langenthal
3
Flugplatzbezugstemperatur:
NIL
3
Aerodromereferencetemperature:
4
Betriebszeiten:
HR * (-+ VFG RAC 1-1)
-+ $ 10
Einschränkungen:
4
03/10MAR 11
NIL
OPRhours:
HR* (-+VFGRAC1-1)
-+ $ 10
Restrictions:
SKYGUIDE,CH.86O2WANGENBEI DÜBENDORF
Abb. 26: Luftfahrtkarte des Flugplatzes Langenthal-Bleienbach
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SICHTANFLUGKARTE
VISUALAPPROACHCHART
41'
007"| 42',
03/10 MAR 11
007"| 43'
ELEV1575ft {480n)
007"| 45
007'I46',
r------r---------"1
lApl11e.4 |
PPR
007"
| 47'
SKYGUIDE,CH-86O2WANGENBEI DÜBENDORF
Abb. 27: Luftfahrtkarte des Flugplatzes Langenthal-Bleienbach
39
LANGENTHAL
LSPL
LSPLVAC10
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12.3 Technische Daten des Sensors Actiwave Cardio Name:
Actiwave Cardio
Speicher:
24 MB
Aufnahmezeit:
31 Stunden
Gewicht:
10,3 Gramm
Grösse (mm):
32diam x 10
Sensor:
EKG
Bereich:
8 mV
Widerstand:
10 MΩ
Frequenz:
0,3 – 50 Hz
 Für Quellenangabe: [9]
Abb. 28: Der Actiwave Cardio
40
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12.4 Technische Daten der Videokamera SONY DCR-­‐HC37 Audio
Integriertes Mikrofon:
Stereo
Integrierter Lautsprecher:
Ja
Kamera
Gesamtzahl der Pixel:
400 000
Fokus:
Ja
Abmessungen
Tiefe:
114,0 mm
Höhe:
85,0 mm
Breite:
63,0 mm
Anschlüsse
Audioeingang:
Nein
Audioausgang:
Ja
Videoeingang:
Nein
Videoausgang:
Ja
USB Anschluss:
Ja
Objektiv/Zoom
Objektiv:
Carl Zeiss Vario Tessar Objektiv
Zoomfaktor:
40,0 (optisch)
Zoomfaktor:
2000,0 (digital)
 Für Quellenangabe: [10]
Abb. 29: Die Videokamera SONY DCR-HC37
41
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12.5 Terminal & Videodaten-­‐Tool (VD-­‐Tool) Um das Programm mit dem Film und den Messkurven (VD-Tool) abspielen zu können, braucht es das
Programm Terminal, in welchem man Befehle eingibt und das Programm Terminal führt diese dann
aus.
Abb. 30: Das Programm Terminal, mit welchem man das VD-Tool abspielen kann
Abb. 31: Das VD-Tool mit dem Film oben und parallel den Messkurven unten
42
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12.6 Bericht der Berner Zeitung 43