人体游泳时的推进力简介

人体在游泳时的推进力主要来自人体肢体与游进方向相反的划水、蹬水、夹水动作,人体在动作过程中受到水对人体的反作用力,从而使人体获得前进的动力。以自由泳为例,游泳运动员靠上肢的划水动作和下肢的打水动作获得游泳的推进力,尤其是手划水动作是推进力的主要来源。游泳推进力主要是讨论升力和阻力在推进力中所占的比例及其作用、划水的合理路线,从理论上为游泳的技术训练提供依据。

(一)游泳时手的力学分析

游泳推进力的本质是依靠肢体动作产生的升力和阻力,其大小分别用下列两式表示为

式中,CL为升力系数;CD为阻力系数;ρ为水的密度;S为手的迎截面积(假设面积一定,为手的表面积);v为手在水中的划水速度。由上两式可知,游泳时受到的升力和阻力与手的升、阻系数及手的表面积成正比,而与手的划水速度的平方成正比,即划水速度对推进力起着重要的作用。如果划水速度是原来速度的两倍,则推进力是原来的4倍。同时,游泳运动的阻力也随之增加,会降低整个身体的游进速度。合理的划水路线,不能只考虑单纯利用阻力的直线划水技术,还要考虑既利用阻力,又利用升力的曲线划水技术。

若采用直臂划水技术,手只有在垂直于身体方向时划水效率最高,其余角度则效率低,且过长的划水力臂较为费力,较好的划水技术是屈肘划水以缩短力臂。由牛顿第二定律可知,手的质量不变,增大加速度可获得较大的划水力,划水时应加速划水,以获得较大的推进力;根据动量定理,手划水时间越长,获得的冲量越大,划水路线宜长,一般为S形划水。

假如在静水中划水,如果路线不变是直线划水的话,只能在划水之初划到静水得到推进力,在划水的后半段,因水与手一起向后移动,没有或少有推进力,较好的技术是屈肘由不同的深度、路线划水(如S形),以划到最多的静水,获得最大的推动力。

有研究证实,在水中直立时手掌的角度与手前进方向成40°时,向上的推举力最大,自由式的划水最有效的方式是,像螺旋桨一样地划水,且随时调整手掌角度,以获得最大的推进力。(www.xing528.com)

(二)游泳时打腿动作的力学分析

打腿(打水)在游泳整体配合技术中起重要的作用,也是游泳推进力的主要来源之一。其理论基础是莱特希尔的卡门涡街原理(在一定条件下的定常来流绕过某些物体时,物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡,经过非线性作用后,形成卡门涡街。如水流过桥墩,风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街),如图5-4所示。

图5-4　游泳打腿产生的反向卡门涡街

按照惯性思维,人体运动时要减少涡旋的产生,因为涡旋的产生会破坏流线,增加能耗。但打腿产生涡旋是推进力的来源。以自由泳为例,根据卡门涡街理论,当脚在最高位置时,向下击水,产生逆时针方向的涡旋,给蹼下方的水一个向后的冲量,水给人体一个向前的反作用力;而当脚蹼在最低位置时,向上击水,产生顺时针方向的涡旋,给蹼上方的水一个向后的冲量,则水给人体一个向前的反作用力,这就是游泳时的推进力。流体在流过物体时产生的卡门涡街是阻力,而游泳打腿产生的涡旋方向和卡门涡街产生的涡旋方向相反,因此,打腿时的产生的涡旋为动力。

游泳的鞭式打水要领是:当打水的小腿尚未达到身体中线时,大腿先抬起来,带动脚尖(绷紧)迅速向下鞭水,反之亦然,这与鲸、海豚和鱼类的尾鳍的摆动相同的道理,是为了产生所需要的涡旋。