Physiologie Segelkunstflug
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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 Jan Grigioni 6Ge 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. 3 Maturaarbeit 2010 Jan Grigioni 6Ge 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 4 z z z Maturaarbeit 2010 Jan Grigioni 6Ge 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 30 Maturaarbeit 2010 Jan Grigioni 6Ge 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. 31 Maturaarbeit 2010 Jan Grigioni 6Ge 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 32 Maturaarbeit 2010 Jan Grigioni 6Ge 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: ....................................................... 33 Maturaarbeit 2010 Jan Grigioni 6Ge 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) 34 Maturaarbeit 2010 Jan Grigioni 6Ge 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. 35 Maturaarbeit 2010 Jan Grigioni 6Ge 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. 36 Maturaarbeit 2010 Jan Grigioni 6Ge 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 37 Maturaarbeit 2010 Jan Grigioni 6Ge 12.2 Flugplatz Langenthal-‐Bleienbach LANGENTFIAL AD INFO 1 LSPL t N I $f auf beidenRIIVY GTN:Simultanbetrieb velboten. auf GRAssRWY Simultanbetrieb undRollwegveüoten. opelationson both GTI{:Simultaneous BWYprohibited. useol GRASSHWY Simultaneous andTWYprohibited. t AYn Qo;Y^ r^oFoolId s' +4o-q'^ a+y'\'zoz Run-up05 lls&l ffi r0 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 38 Maturaarbeit 2010 Jan Grigioni 6Ge 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 Maturaarbeit 2010 Jan Grigioni 6Ge 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 Maturaarbeit 2010 Jan Grigioni 6Ge 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 Maturaarbeit 2010 Jan Grigioni 6Ge 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 Maturaarbeit 2010 Jan Grigioni 6Ge 12.6 Bericht der Berner Zeitung 43