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Mit Physik nach oben
Aktualisiert am 06.06.2023 in Sport
Text: Daniel Feichtner
Der beste Weg nach oben ist bei Weitem nicht immer der direkte. Gerade beim Klettern geht es vielmehr darum, mit möglichst wenig Kraftaufwand möglichst weit zu kommen. Was physikalisch hinter den beeindruckenden Leistungen von Kletterprofis steckt, erklären zwei kletterbegeisterte Physikerinnen. Jessy Pilz und Jakob Schubert zeigen es vor!
Sieht man Kletterern/-innen dabei zu, wie sie horizontale Wände bezwingen, scheint es, als würden sie es mit dem einen oder anderen Naturgesetz nicht ganz so genau nehmen. Doch auch wenn es so aussieht, als würden sie sich der Schwerkraft widersetzen, ist eigentlich das Gegenteil der Fall: „Wir machen uns die Gesetze der Physik möglichst geschickt zunutze“, erklärt Lauriane Chomaz. Die gebürtige Französin und ihre kanadische Kollegin Catherine Laflamme arbeiten und forschen an der Universität Innsbruck am Institut für Experimentalphysik beziehungsweise am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation – und beide sind erfahrene Kletterinnen. „Ziel beim Klettern ist es nicht nur einfach, auf Biegen und Brechen die Schwerkraft zu überwinden“, meint sie. „Gutes Klettern bedeutet, das mit möglichst geringem Kraftaufwand zu tun. Was dabei gut funktioniert und was nicht, lässt sich mit klassischer Physik erklären.“ Dabei gibt es ein paar grundsätzliche Regeln und Effekte, die sich alle Kletterer zunutze machen – egal ob wissentlich oder intuitiv.
Die Summe aller Kräfte
„Die Schwerkraft zieht uns immer senkrecht nach unten, egal ob wir gehen, stehen, liegen oder eben klettern“, beschreibt Lauriane. „Um sich in der Wand zu halten, müssen wir deswegen gleich viel Kraft nach oben aufbringen wie die Gravitation, die uns nach unten zieht.“
Dazu erzeugt hier Jessy Pilz Kraft mit ihren Armen und Beinen (f1–f4). Reiht man diese aneinander, müssen sie genauso groß sein wie die Schwerkraft (Fg), damit sie nicht fällt. Grafisch wird das in der Physik durch die Länge von Pfeilen – sogenannten Vektoren – dargestellt. Die Richtung, in die der Pfeil zeigt, entspricht dabei der realen Richtung, in die die Kraft wirkt. Sind einander entgegenwirkende Kräfte gleich groß (beziehungsweise aufeinandergestapelt gleich lang), heben sie sich auf.
Komplex wird das Ganze, weil die Kletterer/-innen nicht auf einer geraden Unterlage stehen, sondern mit schrägen, abgewinkelten oder runden Griffen und Tritten zu tun haben. Die Kraft, die sie der Gravitation entgegensetzen, wirkt also nicht senkrecht nach oben, sondern in einem Winkel. Deswegen müssen sie deutlich mehr Kraft aufwenden, als sie zum Aufrechtstehen benötigen würde – und das in Positionen, für die unsere Muskeln und Gelenke nicht optimiert sind.
Alles andere als reibungslos
Wenn Griffe nicht waagrecht aus der Wand ragen, sodass darauf gestanden werden kann, kommt ein weiterer physikalischer Effekt zum Tragen: „Noch mehr als auf unsere eigene Muskelkraft sind wir auf Reibungskräfte angewiesen“, erklärt Lauriane.
Je schräger beziehungsweise steiler der Griff oder Tritt ist, desto größer muss die Reibung sein, damit sie nicht abrutscht. Dabei helfen zum einen die rauen Oberflächen, die richtigen Sohlen an den Kletterschuhen – und natürlich das Magnesium, das die Hautoberfläche trocken hält und damit die Reibung steigert. Zum anderen ist auch der Anpressdruck entscheidend. Je fester zwei Oberflächen aneinandergedrückt werden, desto mehr Reibung entsteht – je größer also die Kraft f1 ist, desto größer ist auch friction 1. Als Gegenkraft zur Gravitation ist dabei egal, ob Reibungs- oder Muskelkraft wirkt. Die Kräfte werden einfach summiert. Sind sie gleich groß wie die Schwerkraft, hält sich Lauriane in der Wand, sind sie kleiner, gewinnt die Gravitation.
Aufwärts
Einmal stabil in der Wand zu sein, ist aber erst die halbe Miete. Um Bewegung in die Sache zu bringen, müssen die Physikerinnen Kräfte aufwenden, die stärker sind als die Gravitation, die sie nach unten zieht. Dabei kommt es vor allem auf Technik an. Wer schnell und effizient die Position wechselt, kann viel Kraft sparen. „Ziel ist es, den eigenen Schwerpunkt mit einer fließenden Bewegung ohne Unterbrechungen von einer stabilen Ruheposition in die nächste zu verschieben“, beschreibt Catherine. Denn jede Pause und jeder Richtungswechsel aus einer instabilen Position kostet unnötig Kraft.
Um von einer stabilen Position in die nächste zu gelangen, muss sie ihren Körper gegen die Schwerkraft in die richtige Richtung beschleunigen. Dazu stemmt sie sich mit einem Bein weiter nach oben, um der Gravitation direkt entgegenzuwirken, und gibt mit dem anderen ihrem Körper Schwung in die gewünschte Richtung. Erreicht sie die angepeilte Position, müssen sich die Kräfte erneut verschieben, damit wieder Gleichgewicht entsteht und sie zur Ruhe kommt. Dazu zieht sie sich nach links, um die Bewegung wieder abzubremsen.
Ausgependelt
Der Schwerpunkt des menschlichen Körpers liegt in seiner Mitte, je nach Körperbau in etwa im Bereich der Hüften. „Ihn kontrolliert zu bewegen, ist die Kunst beim Klettern“, beschreibt Catherine. „Ist Masse einmal in Bewegung, braucht es Kraft, um sie wieder abzubremsen. Diese Trägheit unter Kontrolle zu halten, ist eine der Hauptherausforderungen.“
Das zeigt sich am Beispiel der „offenen Tür“, einem unter Sportkletterern/-innen bekannten Problem. Jessy greift bei einem Positionswechsel „voraus“. Ihr Schwerpunkt bleibt, wo er ist, der neue Halt befindet sich rechts darüber. Verlagert sie ihr Gewicht auf den neuen Griff, zieht die Gravitation sie nach unten, direkt unter den neuen Angelpunkt. Ihr Körper schwingt wie ein Pendel unkontrolliert zur Seite.
„Um das zu vermeiden, muss Jessy erst meinen Mittelpunkt unter den neuen Halt bewegen, bevor sie ihr Gewicht dorthin verlagert“, erklärt Catherine. „Ist der Schwerpunkt schon dort, wo er ‚hin will‘, pendelt man nicht, sondern ist wieder in einer stabilen Position.“
Nah dran
Um sich beim Klettern effizient zu bewegen, müssen Jessy und Jakob ihre Körpermitte – und damit ihren Schwerpunkt – möglichst nahe an der Wand halten. „Das sieht man bei einem Sprung besonders gut“, meint Lauriane. „Jakob muss die richtige Absprungposition mit den Hüften nahe an der Wand einnehmen.“ Tut er das nicht, springt er nicht nur nach oben, sondern auch von der Wand weg. Ist man beim Absprung nicht in der richtigen Position, ist es deutlich schwerer, sich einen Impuls in die richtige Richtung und mit genügend Energie zu geben. Gelingt das nicht, ist die Sprungparabel flacher, ihre Arme sind zu kurz, um den Griff zu erreichen, und er fällt. „Bei einem Sprung sollte man immer nahe an der Wand und ‚über das Ziel hinaus‘ springen“, sagt Lauriane. „Die Schwerkraft wirkt uns immer entgegen – auch in der Luft. Um den angepeilten Griff zu erreichen, muss man also immer gefühlt weiter springen, da die Gravitation uns immer weiter nach unten zieht, je weiter wir uns vom Absprungpunkt entfernen.“
Und auch in der Ruhe macht die bewusste Kontrolle des eigenen Schwerpunkts einen großen Unterschied, fügt Catherine hinzu: „Wenn die Hüften nahe bei der Wand sind, ruht das Gewicht auf den Beinen. So kann man seine Arme, die immer schwächer sind als die Beine, entlasten und Energie sparen.“
Mit Händen und Füßen
Diese physikalischen Effekte ausnutzend, wagen sich Kletterer/-innen an eine Vielzahl unterschiedlicher Situationen heran, die sie oft wie Rätsel behandeln. Kraft ist dabei nicht selten zweitrangig. Stattdessen geht es vor allem um geschickte Positionierung und Bewegung. „Ein einzelner Halt bringt meistens wenig. Man muss sich in eine Position bringen, in der man alle Griffe so effektiv wie möglich nutzen kann“, erklärt Catherine.
Dabei ist die Lösung nicht immer auf den ersten Blick ersichtlich, und was für Außenstehende wie eine waghalsige Verrenkung wirkt, kann manchmal besser sein als das Offensichtliche. In einem Überhang kann es zum Beispiel helfen, sich mit einem Fuß einzuhaken – auch wenn die so erzeugte Kraft (f1) eigentlich nichts dazu beiträgt, der Gravitation entgegenzuwirken. „Würde man frei hängen, könnte man nur mit der linken Hand gut greifen. Hält man sich aber – dank der Reibungskraft – mit dem Fuß fest, erreicht man auch mit der rechten Hand einen guten Griff und hat eine stabilere und kräfteschonendere Position.“
Gefühlssache
Verstehen muss man all das natürlich nicht, um gut zu klettern. „Währenddessen denkt man eigentlich nicht darüber nach, welche Form von Kraft wohin wirkt“, sagt Catherine. „Das spürt man.“ So klettern auch die beiden Physikerinnen, Jessy und Jakob vor allem intuitiv, auch wenn sie die Naturgesetze, derer sie sich bedienen, bestens kennen. „Klettern ist Gefühlssache“, bestätigt Lauriane. „Natürlich hilft es zu verstehen, was passiert. Voraussetzung ist das aber nicht.“
Lauriane Chomaz hat in Frankreich Physik studiert und während ihres Doktoratsstudiums Quantengase – sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat – erforscht. Seit 2015 lebt sie in Innsbruck und forscht am Institut für Experimentalphysik im Team von Francesca Ferlaino. Das Klettern hat sie bereits während ihrer Schulzeit in Frankeich für sich entdeckt und ist dem Sport bis heute treu, sowohl in der Natur als auch im Kletterzentrum Innsbruck.
Catherine Laflamme kam 2012 nach Innsbruck, um ihre Doktorarbeit in Physik abzuschließen. Seither ist sie in Peter Zollers Forschungsgruppe am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation tätig. Sie klettert seit 20 Jahren in- und outdoor als Ausgleichssport und holt sich so regelmäßig neue körperliche und mentale Herausforderungen abseits vom Forscheralltag.
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