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Die Vermessung der Weichheit - basics


Angefangen hat alles damit, dass wir absolute Verfechter des weichen Sicherns sind. Und mit einem großen Gewichtsunterschied. Wir wollten Methoden suchen, die weiches Sichern mit Hilfsmittel möglich machen. Erste Reaktionen auf unser Vorhaben: "Ist doch weich", "Ich kann weich mit Ohm sichern"... Das hat bei uns das Gefühl hervorgerufen, dass weiches sichern subjektiv sehr unterschiedlich wahrgenommen wird.

 

Da wir aber sicher sind, dass ein harter Aufprall an der Wand Spuren im Gedächtnis hinterlässt, wollten wir dem Thema gerne die Subjektivität nehmen. Wie unsere Reise begann, kannst Du ausführlich in einem früheren Blogartikel lesen.

 

Wie sollten wir der Weichheit von Stürzen die Subjektivität nehmen? Indem wir sie vermessen. Denn Zahlen sind eben objektiv. Auch wenn sie noch immer subjektiv wahrgenommen werden können.

Unsere Hoffnung: Zahlen würden objektive Unterschiede aufzeigen. Doch erste Messungen, die wir durchgeführt haben, brachten uns zu ersten Schwierigkeiten: Wie genau sind die Kurven zu deuten? Warum gibt es Ausschläge, mit denen wir nicht gerechnet haben? Nach anfänglichen Enttäuschungen und Optimierungen, was die Rahmenbedingungen der Messungen betrifft, dann endlich ein erster Erfolg.

Zielsetzung

Mit unseren ersten Messungen wollen wir:

 

1. Verstehen, was uns eine Kurve erzählt.

2. Die Reproduzierbarkeit eines Experimentes mit unseren Mitteln überprüfen.

3. Einen ersten Vergleich zwischen vorgeschaltetem Ohm und nicht vorgeschaltetem Ohm vornehmen.

Quintessenz

Lohnt es sich diesen Artikel zu lesen? Wir wollen dir gleich zu Beginn zeigen, was dich erwartet und was unsere Ergebnisse aus unserem ersten Experiment sind.

 

1.  Die Absätze A) -D)  geben dir das physikalische und experimentelle Fundament, wenn du dich dafür interessierst. Sie können dich dabei unterstützen, die Ergebnisse und Kurven besser zu verstehen.

2. Der Absatz E) erläutert, wie eine einzelne Kurve / Messung zu verstehen ist und welche Aussagen dahinterstecken. 

3. Der Absatz F) beschäftigt sich mit der Reproduzierbarkeit einer Messung und damit einhergehende Aussagekraft eines Experiments.

4. Der Absatz G) vergleicht einen Sturz ohne Ohm mit einem vorgeschaltetem Ohm.

 

Erkenntnisse:

1.  Ein Sturz mit Ohm ist um einiges härter gebremst, als ohne Ohm.

2. Es gibt ungeklärte Effekte, die wir noch erforschen müssen.

3. Unser Vorgehen eignet sich gut, um damit zu arbeiten und neue Erkenntnisse zum Sicherungsverhalten zu gewinnen.

A) Was messen wir genau?

Unsere subjektive Wahrnehmung der "Härte" oder "Weichheit" eines Sturzes lässt sich tatsächlich ziemlich genau in der Welt der Physik zeigen: durch die Bremsbeschleunigung (negative Beschleunigung). Im Prinzip geht es darum, in welchem Zeitraum ein Körper (die Kletterin) seine Geschwindigkeit reduziert (vom freien Fall bis zum hängen im Seil).

 

Ein Ausflug in den Alltag eines Trampolinspringers kann uns beim Verständnis unterstützen: wenn der Springer aus einer gewissen Höhe auf das Trampolin fällt, dehnt sich dieses nach unten und nimmt damit die Energie (die in seiner Geschwindigkeit verpackt ist) des Springers auf. Es fühlt sich "soft" an. Springt der Sportler allerdings aus gleicher Höhe auf einen Betonboden, wird sich dieser kaum dehnen und es fühlt sich eher "hart" an. Was ist nun anders? Die Beschaffenheit des Trampolins sorgt dafür, dass der Springer im Trampolin "versinkt" und dadurch einen LÄNGEREN Bremsweg hat. Im Betonboden versinkt er nicht. Lediglich durch die Beugung der Gelenke entsteht ein Bremsweg des Körpers, das bekommt er auch zu spüren....

 

Merke: Umso länger der Bremsweg ist, umso dosierter wird die Bewegungsenergie abgebaut, somit fühlt es sich softer an.

 

Bei uns Kletternden sieht die Sache genauso aus: werden wir auf einem längeren Bremsweg im Seil abgebremst, fühlt sich der Sturz weicher an.

B) Im Experiment liegt die Würze

Nun, eine Sturzsituation ist physikalisch erstmal ziemlich komplex. Reibung hier, Reibung da, Winkel, Verhalten der sichernden Person, Fangstoßwert des Seiles, Sicherungsgerät, Gewichtsunterschied, pipapo.... Das zu durchleuchten und zu berechnen und dann verständlich und einfach und Zusammenhänge und Praxisnähe... Wow! Da wagt sich kaum jemand ran, das würde vermutlich eine Doktorarbeit sprengen....

 

Deshalb messen und vergleichen wir. Verändern wir lediglich ZWEI Parameter und lassen die anderen gleich, kann man aus den Ergebnissen folgern, wie diese beiden zu der Bremsbeschleunigung in unserem Sturz beitragen. Und schon können wir daraus etwas ableiten. Für das Sicherungsverhalten zum Beispiel.

 

Und genau das tun wir. Wir berechnen nicht, sondern wir montieren direkt am Gurt der kletternden Person einen Sensor, das uns den Verlauf (eine Kurve) der Bremsbeschleunigung zeigt. 

C) Was misst der Sensor?

Der Sensor ist eigentlich eine Smartwatch. Die Firma Qolware hat uns eine spezielle Uhr zur Verfügung gestellt: sie misst die Beschleunigung in 3 Achsen mit 100 Hz, also 100 Messungen in der Sekunde. Danach lassen sich die Daten in Form von csv-Files (quasi Excel-Tabellen) aus der Uhr downloaden. Und schon haben wir das Rohmaterial!

 

Die gemessenen 3 Beschleunigungsvektoren spiegeln nicht unsere vertikale und die zwei horizontalen Ebenen wieder, da die Uhr ja beim Sturz schief liegt und somit die Vektoren auch schief im Raum liegen. Somit haben wir beispielsweise keine Werte, die die Bremsbeschleunigung lediglich nach unten beschreibt. Das macht aber nichts, denn wir bilden den sogenannten Vektorbetrag, in unserem Fall beschreibt dieser Wert die "gefühlte" Bremsbeschleunigung der Smartwatch. Perfekt! Denn diese liegt ja direkt neben dem Anseilknoten. Also können wir annehmen, dass der Körper beinahe die gleiche Bremsbeschleunigung erfährt, wie unser Sensor. Und sollte es nicht so sein und die Abweichung eine signifikante, weil der Gurt sich verformt, die Uhr sich bewegt, oder sonstiges, ist es zu vernachlässigen. Denn wie wir sehen werden, geht es am Ende des Tages um den Vergleich zweier Sturzsituationen.

D) Klärung des Wertesystems

Wenn ein Körper seine Geschwindigkeit ändert, erfährt er eine Beschleunigung. Wenn ein Körper einer Kraft ausgesetzt ist, erfährt er auch eine Beschleunigung.

 

Lasst uns eine Person auf der Erde anschauen: wenn diese Person auf einer Waage steht, zeigt diese ein Gewicht an. Eigentlich misst sie eine Kraft, und rechnet sie dann in ein Gewicht um mit der Formel F=m*a. Kraft ist Masse mal Beschleunigung. Hä, wenn ich stehe, ändere ich doch die Geschwindigkeit nicht? Dann habe ich doch auch keine Beschleunigung?

 

Das stimmt. Trotzdem wirkt immer auf der Erde auf jeden Körper die Erdbeschleunigung a = 9,81 m/s² ~ 10 m/s². Überlasse ich den Körper sich selbst und der Erdbeschleunigung, springe also irgendwo runter, ändere ich meine Geschwindigkeit aufgrund der Erdbeschleunigung, werde ja schneller! Aber wieso ändere ich dann auf der Waage nicht meine Geschwindigkeit, wenn doch a immer wirkt!? Weil du eine Gegenkraft / Gegenbeschleunigung vom Boden erfährst. Der Boden sorgt dafür, dass du nicht fällst. Und diese Gegenbeschleunigung ist gleich groß wie a, zeigt in die andere Richtung, also negativ, -a. Die beiden Beschleunigungen heben sich auf, du stehst einfach auf der Erde und bewegst dich keinen cm, weder rauf, noch runter.

 

Nun, ein Messgerät, in diesem Fall die Waage, misst die Gegenbeschleunigung über einen internen Kraftmesser und errechnet dann für dich deine Masse.

 

Was misst die Waage also, wenn ich mich gemeinsam mit ihr unter meinen Füßen aus dem Flugzeug werfe? Sie erzeugt keine Gegenkraft auf mich, ich spüre sie lediglich unter den Fußsohlen. Also habe ich beim Fliegen auch keine Gegenbeschleunigung. Somit bin ich gefühlt und gemessen Masselos. Die Erdbeschleunigung wirkt natürlich immer noch, deshalb falle ich immer schneller. Und dem wirkt eben keine Gegenbeschleunigung entgegen. Klaro?

 

Was misst also Unsere Smartwatch? 

1. Liegt sie einfach auf dem Tisch, zeigt sie a=10 m/s² = 1  g. Die Gegenbeschleunigung, die vom Tisch ausgeht.

2. Fällt sie runter, zeigt sie im optimalfall a= 0 m/s², weil ja keine Gegenkraft wirkt.

3. Kommt sie nach dem freien Fall unten auf, zeigt sie eine Gegenbeschleunigung, die um einiges größer ist als 10m/s², da die Energie, die in der Geschwindigkeit steckt, abgebaut werden muss. Der Untergrund ist hier wieder entscheidend: Die Gegenbeschleunigung auf einem Trampolin ist um einiges kleiner, als beim Aufprall auf Beton (lies oben nochmal nach).

 

Merke: Freier Fall = keine Gegenbeschleunigung | Ruhezustand = Gegenbeschleunigung 1 g | Bremsvorgang = Gegenbeschleunigung größer als 1 g.

E) Eine Sturzkurve - was erzählt sie uns?

Wir haben für euch mal eine unserer Kurven rausgesucht, die Messbedingungen sind die gleichen, wie für unseren Test im nächsten Abschnitt. Wir wollen nun das oben Gelernte auf diese Kurve übertragen und sehen was wir über einen Sturz ins Seil erfahren können.

Phase 1:

Die Messung wird gestartet und der Kletterer bringt sich in die Position, aus der er abspringt. Er ist quasi in Ruhe, da er sich vorsichtig bewegt. Der Sensor misst 1 g.

 

Phase 2:

Der Kletterer lässt los, der freie Fall beginnt. Die gemessene Beschleunigung ist nicht ganz 0, wie es im Idealfall sein sollte. Das Seil reibt auch im gefühlten freien Fall in den Zwischensicherungen, somit gibt es eine  rückwirkende Gegenbeschleunigung. Ein gänzlich ungebremster freier Fall ist also nicht möglich.

 

Phase 3:

Der freie Fall geht zu Ende, das Seil beginnt sich zu dehnen, eine Bremsbeschleunigung baut sich zügig auf. Allerdings fällt auf, dass diese nicht kontinuierlich in Phase 4 übergeht. Unsere Vermutung: am Ende von Phase 3 wirkt sich die Bewegung der sichernden Person nach oben auf den Bremsvorgang aus. Beim Entgegenfliegen, wird das Seil leicht entlastet, sodass die Bremsbeschleunigung abnimmt. Auch das Timing wird vermutlich in dieser Phase zu erkennen sein. Diese beiden Hypothesen müssen wir allerdings noch bei passenden Rahmenbedingungen testen.

 

Phase 4:

Der Fangstoß, also die maximale Bremsbeschleunigung baut sich auf. Dieser maximaler Wert spiegelt die Wahrnehmung der Weichheit wieder, er wird vom Kletterer "empfunden". Das Sicherungsverhalten, der Gewichtsunterschied, die Reibung usw. haben Einfluss auf diese Spitze. In diesem Fall sind das ca. 2g. Das entspricht der doppelten Erdbeschleunigung.

 

Phase 5:

Eine spannende Phase. Der Fangstoß baut sich wieder ab, das Bremsgefühl wird weniger. Allerdings baut sich noch eine Nebenspitze auf. Da wir den Aufprall an der Wand ausgeschlossen haben, kann diese nicht die Ursache sein. Wir vermuten einen sogenannten Bounceeffekt. In der Mitte von Phase 5 ist das Seil wieder entlasteter, der Kletterer also auf dem höchsten Punkt der Rückbewegung nach oben. Wie bei einem Bungeejump der höchste Punkt nach dem ersten Bounce. Danach baut sich natürlich wieder eine Spannung im Seil auf, um diesen Bounce wieder abzubremsen. Wir sind erstaunt, dass dieser Wert so hoch ist, hier muss noch einiges getestet werden...

 

Phase 6:

Ist die Ausschwingphase, bis der Kletterer wieder zum Stehen kommt. Das Tief könnte der maximalen Pendelhöhe entsprechen (das kommt nur im steilen Gelände vor, in einer geraden Wand würde man davor in die Wand krachen). Hier ist der Kletterer wieder ein wenig schwereloser, bevor er sich zum Schluss ohne große Bremsbeschleunigung auspendelt.

F) Reproduzierbarkeit einer Messung

Damit wir uns auch sicher sein können, dass eine Messung die physikalische Wahrheit wiederspiegelt, muss sie reproduzierbar sein. Wir messen also genau die gleiche Situation 8 mal. Es ist natürlich eine Herausforderung aus der gleichen Position zu fallen, als sichernde Person das gleiche Sicherungsverhalten an den Tag zu legen usw. Umso enger unsere Messpunkte aus den einzelnen Messungen liegen, umso besser die Reproduzierbarkeit. Das ist uns nicht schlecht gelungen, wie wir gleich sehen werden ;).

 

Rahmenbedingungen für unseren Repro. -Test:

8 Messungen | 72 kg Kletterer | 50 kg Sicherin | Grigri | 7. Exe | fallen ca. 50 cm über der Exe, immer aus der gleichen Position |neutrales Sicherungsverhalten (ohne Mit-oder Gegenarbeiten)| ein Aufprall des Kletterers an der Wand wurde durch genug Steilheit ausgeschlossen, um die Bremsbeschleunigung lediglich durch das Seil zu erzeugen.

Hier haben wir 8 Messungen übereinander gelegt. Die Schwierigkeit ist die perfekte Überlappung aller Phasen, weil sie je nach Sturz unterschiedlich lang dauern und ausgeprägt sein können. Man kann alle Phasen, wie vorhin, gut erkennen. Die Dauer und Eintritt der Phasen variiert im Zehntelsekunden bereich. Die Ausprägung des Fangstoßes variiert um ca. 0,35 g, das sind ungefähr 250 N oder 0,25 kN. Die Reproduktion ist uns in diesem Versuchsaufbau gut gelungen! Vieles könnte man hier noch reininterpretieren: warum eine große Diskrepanz in Phase 3? Hat das Auswirkungen auf den maximal Fangstoß? Warum ist bei Messung 3 Phase 5 so ausgeprägt? Mit diesen Fragen werden wir uns in nächster Zeit beschäftigen!

G) Vergleiche anstellen

Endlich kommen wir zu dem Punkt, das uns überhaupt dazu bewegt hat, anzufangen! Wir wollen die Auswirkungen von unterschiedlichen Rahmenbedingungen im Sicherungssystem und insbesondere dem Sicherungsverhalten aufzeigen. Um nicht nur subjektiv die "Weichheit" zu bestimmen, sondern auch objektiv. Um Vorschläge machen zu können, wie ihr als sichernde Personen eure Kletter*innen bei einer sanften Landung unterstützen könnt.

 

Unseren Repro. - Test haben wir gleich wieder 8 mal durchgeführt, dieses mal allerdings mit Ohm. Die Bedingungen bleiben also die gleichen, in der ersten Zwischensicherung hängt das Ohm. Die subjektive Empfindung im Vergleich zu den "ohmfreien" Stürzen waren Welten! Wir wollen euch zeigen, was die Kurven verraten.

Hier zunächst die 8 Messungen mit Ohm, in der gleichen Sturzsituation! Eine der wichtigsten Erkenntnisse für uns ist folgende. Messung 1, hat hinter unserem vermuteten Bounceeffekt eine weitere Spitze. Das war der einzige Sturz, wo der Kletterer in die Wand eingekracht ist! Das bestätigt einerseits die Kraftspitze bei so einem Wandkontakt und zeigt gleichzeitig auf, dass der Bounceeffekt noch vor dem Ende des ersten Hochschwingens auftritt.

Die Spitze vor dem Fangstoß ist auch hier vorhanden. Der maximale Fangstoßwert beträgt hier im arithmetischen Mittel ca. 3,3 g! Das ist um ca. 1 g mehr, als beim Sichern ohne Ohm.

Damit wir die beiden Kurven übereinander legen können, ohne in einem Farbwirrwarr die Orientierung zu verlieren, haben wir die 8 Messungen ohne Ohm braun gefärbt, die 8 Messungen mit Ohm grün gefärbt. Welche mögliche Erkenntnisse können wir nun daraus für diese Sicherungssituation ziehen?

1. Erkenntnis: 

Der maximale Fangstoß tritt bei beiden Sicherungsmethoden quasi zum selben Zeitpunkt auf. Ebenfalls der Bouncehochpunkt (Das ist das Beschleunigungstal bei ca. 175ms).

 

2. Erkenntnis:

Der maximale Fangstoß ist im Durchschnitt um ca. 1 g größer, wenn ein Ohm im Spiel ist. Das äußert sich in der wahrgenommenen Härte des Sturzes.

 

3. Erkenntnis:

Der kleine Fangstoß nach dem Bounce ist ebenfalls ausgeprägter beim Ohm. Verständlich, denn das Seil nimmt mehr Dehnenergie auf, die er wieder durch den Rückbounce abgibt.

 

4. Erkenntnis:

Das Ende der Pendelbewegung (nach ca. 230 ms) in Phase 6 ist mit Ohm früher und ausgeprägter, das Seil wird an seinem Hochpunkt mehr entlastet. Das bedeutet gleichzeitig, dass während dieser Pendelbewegung Richtung Wand eine größere Geschwindigkeit im Spiel ist, um die kletternde Person höher pendeln zu lassen. Bei einer senkrechten Wand wäre das mit einer größeren Aufprallgeschwindigkeit verbunden. Und damit mit einer höheren Verletzungsgefahr.

Aussichtsvoll

Mit dieser einfachen Messmethode konnten wir viel lernen. Es gab Herausforderungen und gibt sie immer noch. Wir konnten uns Fragen beantworten und neue Fragen sind aufgekommen. Es wird eine spannende Zeit für uns! Wir möchten weiterhin unsere Ergebnisse mit euch teilen, eure konstruktiven Rückfragen neugierig anhören und uns dabei inspirieren lassen.

 

Was steht als nächstes an?

 

1. Eine Methode finden, um ein weicheres Sichern mit dem Ohm zu ermöglichen.

2. Der BAUER Zorro macht einen guten Eindruck in unseren Selbsttests, diesen gilt es noch fundiert darzustellen.

3. Wir wollen die Timing Frage lösen. 

4. .... hast du eine Anregung für uns?

Nachtrag

Nachträglich ist uns ein kleiner Zahlendreher unterlaufen: die Uhr misst 100 Werte pro Sekunde, das heißt unsere Zeiteinheit ist nicht Millisekunden (ms), 1/10 ms.

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