游泳中常用力学原理的分析

从这里到那里，我们可以以自己的力量来存在的所有方式，游泳显然是效率最低的。确实，我们可以漂浮，踩水或相对悠闲地躺在水中玩耍，但是即使我们在水中非常缓慢地行走，我们也需要大量有效的能量。实际上，世界游泳冠军最快的游泳速度只有一个小时。但是，有5英里的路程可以以正确的动力达到每小时25英里。

这样做的主要原因是水的密度约为空气的1000倍。与跑步，骑自行车或其他常见的人类运动形式不同，将肌肉的大部分能量转化为前进运动，我们在游泳时消耗了几乎90％的能量以克服液体的抗性。

当然，水的密度也可以为我们提供一些握住头部的机会，这意味着我们可以漂浮在深水表面或浅水表面上，但这取决于身体的重量重量比和我们的大小肺容量。水的密度还使我们能够在水中保持水平体姿势，使我们至少像光滑的划船或鱼雷一样游泳，而不是高耸的雕像或倒塌的驳船。

是什么决定我们如何游泳？简而言之，游泳也是牛顿第三运动定律的另一种体现：当我们的手，手臂和腿推水时，水会以相等大小的反作用力推动我们向前推动。

但是，这个问题远非如此。许多科学家强调，我们人类在水中游泳，F-15在天空中飞行，摩托艇在水中爆发是相同的原理，但是水培养基对游泳的影响是如此之大，以至于我们感到很困难游泳。概念。

流体动力学告诉我们，游泳取决于两个基本因素：我们施加的推进力以及我们遇到的阻力或障碍物。无论我们如何保持自己的精简，都很难克服抵抗。这意味着完全在力量上游泳不会使您成为一个好的游泳者，但是知道某些物理知识迟早会派上用场。

奥运会上最好的游泳运动员只有9％的能量可以在四个竞争性游泳者中游泳最快，最有效的爬行或自由泳（除以平均速度和效率，然后是蝴蝶和仰泳。 ，对于我们其他大多数人来说，我们需要使用近98％的能量来克服水的抗性。

阻力是游泳效率低下的主要原因，这大大降低了我们在水中移动时体形的形状，我们向前迈进的动力。当我们向前移动时，水将在头部前形成水压，同时，在压力较小的情况下，在我们身后产生了更大的湍流。压力的这种不平衡产生了一种力，导致水从高压区流向低压区，并试图将我们向后推动。形状电阻通过速度的平方呈指数增长，并严格取决于移动对象的前部区域的大小。

这就是为什么船设计师使船体船体长而狭窄而不是厚而短的原因。这也有助于解释为什么世界上许多最快的游泳者看起来更像是职业篮球运动员，而不是举重运动员。

美国游泳运动员马特·比昂迪（Matt Biondi）和俄罗斯游泳运动员亚历山大（Alexander）。 Popov是一个完美的例子。他们是金牌得主，也是1亿自由式奥运会的世界纪录持有者。它们分别在6英尺7英寸和6英尺6英寸的6英尺高。为了最大程度地减少形状的阻力，竞争性的游泳者更加关注向下按下水中的躯干并抬起臀部，这将弥补上身缺乏浮力，并使他们水平从水中倾斜而不是腿部。 。在身体姿势中游泳，以减少对迎面或前端部分的阻力。

许多出色的自由泳和仰泳球员还掌握了将身体从一侧转向另一侧的游泳技术。每次划桨时，他们都会将肩膀从水中抬出，使身体形成更窄的轮廓，并尽可能伸展以增加身体的长度。 ，使身体尽可能细长，并更有效地滑动。 （如果您划过两个类似形状但长度不同的爱斯基摩人独木舟，则可能会注意到，尽管划船很重，但每次划船时都可以进一步滑动独木舟。）

此外，身体从一侧旋转到另一侧会产生扭矩，从而在游泳方向上增加旋转向量，这有助于向前推进游泳者，就像将螺钉拧入木头上并允许他们使用手臂，例如腿，使用臀部和躯干的肌肉群。

竞争性的游泳者还试图在水中移动时将物体的“粘性”最小化 - 抗摩擦的性能最小。松散的泳衣或过度的身体会使表面变得粗糙并增加抗摩擦的阻力，因此许多游泳者穿着紧身衣。泳衣大小相似，并且在比赛前经常剃光身体。

创建波是产生最有害的阻力形式 - 波浪阻力。与形状阻力不同，它拉动了我们的后腿，波浪阻力在我们面前产生的高压区中排斥了我们。当我们游泳时，溅水或在水中采取任何行动会产生波浪。

您推入游泳池的速度越快，在我们头部前产生的波浪越大，形成了水墙以限制我们的进度。波电阻与大多数其他形式的流体阻力不同，后者的速度方向增加，这是通过速度的立方指数增加的，因此，当您将水的速度加倍时，波浪阻力的减速力就会增加八个时代。

加利福尼亚州奥克斯纳（Oxner）的希代岛水上运动俱乐部的专业工程师和游泳教练泰德·伊莎贝尔（Ted Isabel）说：许多顶级游泳者发现，他们在转身并以非常快速的方式游泳后立即在水下殴打腿。长距离（而不是快速游泳）是由于水下消除了大多数波浪阻力的事实而引起的。

伊莎贝尔（Isabel）认为，与高大而瘦弱的参赛者相比，在水上有明显优势，短而强大的参赛者在水下进行了海豚风格的拍打，他们的腿一起进行波浪运动，也许他们的短表面积可能更有利。他说：因为在水下移动的物体主要受摩擦阻力的影响，因此减少物体的表面积可以降低遇到的阻力，因为短，较厚和短物体的表面积比高高和细长的物体更少，因此将潜艇设计为短而厚，圆形，而水面船则高又细长。

影响波电阻的另一个因素是物体在水上移动时的平滑度。由于波浪也可以携带能量，因此在水中进行任何不稳定或不必要运动的游泳者产生的波浪表明能量损失。 。这就是为什么一个肌肉发达的年轻人在邻近的车道游泳并试图加快速度时像风车一样挥舞着手臂的原因，但他似乎并没有像他应该拥有的那样快。

实际上，在1996年的奥运会上，科学家研究了运动员比赛，发现完成每个日程安排的游泳者实际上很可能会赢得比赛。当前的100米自由泳世界纪录持有者Popov非常关注保持完美的身体形状。在训练期间，他从不迅速游泳，并在游泳后每池的中风数量最小化。

因此，他将形状的阻力和波浪阻力降低到最低，这对于提高游戏速度将变得越来越重要。他的教练Ginadi Tulesky基于流体力学的基本原理以及将鱼游泳作为他的非传统训练方法的方法，他说，每种运动中的鱼类和其他动物都在较长的距离上增加速度，而不是增加速度，而不是增加动作的速度。在1992年的奥运会上，波波夫以50米的自由泳击败了比昂迪（Biondi）赢得了第一枚奥运会金牌时，他与比昂迪（Biondi）的完整锦标赛相比，使用了33次下划线。二流。

特里·鲁夫林（Terry Ruffling）是总部位于纽约新帕尔茨的完整水游泳俱乐部的创始人兼总监，其教学计划是在游泳时进行改进，他告诉游泳者，计算中风的数量最终将使他们学会消除不必要的运动并优化。效率。

他说：“计算笔触很重要，因为它是您如何使用能量的最清晰标记。” “在游泳比赛中，只有2％的人本能地以长长的笔触抚摸自己的手臂，对于我们其他人来说，一个有影响力的本能告诉我们，如果我们快速划船，我们可以迅速游泳。Popov和其他顶级游泳者可以与25码一起游泳25码鲁夫林说：“当我在当地的基督教青年会中游泳时，25或更多的平均频率是25次或更多的时间。”

在推水时什么时候施加力？如果加快频率，您会更快地游泳吗？如果您增加了中风的强度，会发生什么？还是像带有大桨一样将更多的水推在后面？

早在1960年代，当我开始与其他人一起游泳时，教练将游泳者视为向后推的桨船，他们告诉我们，游泳的最有效方法是用手。握住水，将水直接从头部推到臀部。

但是，当时竞争性最佳的游泳者表明，他们的手沿S形路线盘旋。然后在七十年代，印第安纳州立大学游泳教练詹姆斯。 Consilman博士以马克·斯皮兹（Mark Spitz）的教练而闻名，他发现，当他在黑暗的游泳池中戴着闪光灯的竞争游泳者拍摄竞争性游泳者时，大多数运动员的手脚都在上下上下。或左右，而不是前后。

这为科学家提供了论点，即游泳者主要通过升降机向前推动，这与飞机在空中的飞行相同。由于飞机机翼的上翼表面是弓形的，因此当空气直接在机翼下方流动时，中风远远超过翼下方的空气流。

18世纪瑞士科学家丹尼尔·伯诺利（Daniel Bernoulli）发现了一个原则，即流体速度越快，压力越低。在飞机上，机翼上方的气流快速流动使机翼低下的压力和机翼高的压力。最终的力量将导致飞机起飞或上升。

Bernoulli原理也适用于液体，但是对于游泳者来说，上升是水平的而不是垂直的，因为升降机将身体向前推向垂直于高压和低压差异产生的电阻的方向。这种阻力力还包含游泳者的推进。根据一些运动科学家的说法，该推进主要是由于手脚的向上和向下移动而产生的。

但是一些运动科学家也强调：当游泳者划在S形路线上时，他们的手和脚不断改变倾斜度，例如螺旋桨，以促进自己前进。他们确定自由泳大约80％的推进力来自手臂划桨，而20％来自腿部的拳头。像海豚的尾巴一样，向下的腿部冲刺将在脚上和下方产生压力差。当脚的水很大时，推进力就会增加，但这需要膝盖弯曲和增加踝关节的帮助。灵活性。

当手以一定角度倾斜水中时，水流过手指的速度比棕榈快，因此手的下划线会在手的背面上方产生一个低压区，在手掌下方的高压区。据科学家和亚利桑那州立大学游泳教练欧内斯特（Ernest）所说，当游泳者的手和脚改变划桨的方向和倾向时，周围的水流也会改变方向，因此它们的功能就像螺旋桨的叶片。

也许许多其他科学家不同意这种解释。他们说，手和脚的表面积或弯曲的形状不会产生足够的升降机以使游泳者以他们游泳的速度前进。此外，因为游泳者不能像轴线一样用肩关节旋转手臂，只能完成一半在一次划桨周期中，将划桨与螺旋桨进行比较是没有根据的。

当一些科学家回到推进只是武器向后运动的想法时，大多数人承认他们对此无能为力。伊莎贝尔承认：“坦率地说，我认为没有人知道这一点。”但是，无论使用哪种方法，游泳者都用手和脚推动自己。 Rufflin强调，在自由泳和仰泳中，我们必须通过“身体的核心推进”来帮助促进身体，而“身体的核心推进”是为了促进身体，而“身体的核心推动力” “每次笔触都是通过转动臀部和肩膀来完成的。

鲁夫林说：“游泳者是动态的，”“不是静态的”和“游泳中的身体旋转创造动力，就像打棒球，高尔夫球或网球（或投掷标枪，拳击）：生物发生机械链，腿部驱动着腿部的反应臀部，臀部驱动躯干，躯干驱动了动态链的最后一个连接 - 肩膀和手臂。”

“最有效的运动不会在任何连接点开始和结束；当我们使用精确的人类力学时，力就会触动整个身体，并最终用像鞭子那样的快照到达力的释放点。”与基于土地的游泳者相比，游泳者如何使用动态链是一个关键区别。

在陆地上，链反应是从身体的反向摆动开始的，从人体的反向秋千开始，这称为弹性载荷，就像拉伸橡皮筋一样。臀部的摆动就像鞭子的手柄一样，将能量向上扔到躯干上，增加了肩膀和手臂的速度和强度。

“由于游泳者无法在地面上支撑脚，所以臀部不能像鞭子的手柄一样行动，并且无法实现自己的力量和推动整个身体的实际目的。当我们以最大的效率游泳时，躯干是轴向的。将手臂移动并向后推动另一只手臂的前方。通过这种手段，暂时征用强壮的躯干肌肉将力量传递给手臂。”

但是，对于我们大多数人来说，当我们游泳时，我们不可能完美地采取一切行动，但是我们必须通过不断的练习来训练神经肌肉系统，最重要的是，找到一位好教练帮助我们。

“最好的游泳并不是一门艺术，而是世界上最好的游泳者，这对我们大多数人来说都表现出了令人难以置信的优雅，高效而光滑。”