Теория и методика плавания

меньше время вращения, тем больше расстояние между ними. Местонахождение центра тяжести и центра выталкиваю-

щих сил воды является одним из определяющих факторов при формировании стиля движений, т.е. индивидуальных особенностей техники в том или ином способе плавания. Так, например, если у пловца большое расстояние между центрами, это указывает либо на сильно развитые мышцы ног, имеющих в результате этого большой удельный вес, либо на большой объем грудной клетки, при котором верхняя половина тела имеет малый удельный вес. В первом случае техника кроля на груди, кроля на спине и дельфина должна иметь сильную работу ног, с выраженной подъемной функцией. Во втором случае при формировании техники не обязательно добиваться выраженной подъемной функции, а следует обратить внимание на движущую и уравновешивающую функции.

1.3. Гидростатическое давление

Основной закон гидростатики, открытый Паскалем, формулируется следующим образом: "Приложенное к поверхности жидкости внешнее давление передается жидкостью по всем направлениям одинаково". Если на поверхность воды не действует избыточное давление, т.е. давление на поверхности равно атмосферному давлению, то сила, с которой вода давит на помещенное в нее тело, равна весу столба воды, находящегося над ним.

Силы давления воды всегда направлены перпендикулярно к любой части погруженного тела и увеличиваются с глубиной его погружения. Поскольку удельный вес воды равен 1 г/см3, а величина гидростатической силы равна весу жидкости, действующей на поверхность тела, нетрудно определить ее величину, зная глубину погружения тела. Например, если грудная клетка тела человека имеет размеры по высоте 50 см, а

по окружности 100 см, то общая площадь ее будет равна 5000

см2.

Представим, что вы погрузились на глубину в 1 метр (или 100 см) по средней линии туловища. На такой глубине на каждый см2 поверхности грудной клетки будет действовать гидростатическая сила, равная весу столба воды высотой 100 см. Если удельный вес пресной воды равен 1 г/см3, то общий вес

10

столба воды, действующий на поверхность в 1 см2, равен 100 г. Таким образом, гидростатическая сила на глубине 1 метр будет равна 100 г на 1 см2. Для определения суммарного гидростатического давления на грудную клетку на глубине 1 метр необходимо умножить вес столба, действующего на поверхность площадью 1 см2, на количество квадратных сантиметров поверхности грудной клетки:

100 г х 5000 см2 = 500000 г, или 500 килограмм.

Такое давление уже не позволяет на глубине 1 метр сделать вдох через трубку. При погружении на 2 метра давление воды удвоится и станет равным 1000 кг или одной тонне, при погружении на 10 метров - 5 тонн и так далее.

Такие величины гидростатического давления легко переносятся человеком, так как большинство частей тела состоит на 70-80% из воды, не сжимаемой под действием давления. Однако грудная клетка, наполненная сжимаемым воздухом, слуховой анализатор, в среднем ухе которого также находится воздух, не безразличны к таким величинам гидростатического давления. Поэтому любому занимающемуся плаванием необходимо знать, что не всегда легочная ткань, барабанные перепонки способны выдерживать деформации от гидростатического давления, особенно если этими органами были ранее перенесены заболевания.

1.4. Сопротивление движению тел

Все силы, действующие на тело пловца при его движении в воде, можно разделить на внешние, возникающие вне тела при взаимодействии его с внешней средой, и внутренние, к которым относятся мышечные силы. Если при неподвижном положении тела в воде на него действуют такие внешние силы, как гидростатическая выталкивающая сила и сила тяжести, то при движении тела, кроме них, начинают действие и другие силы. К ним относятся сила лобового сопротивления, или ее называют полная сила сопротивления, подъемная сила, сила тяги, топящая сила. Все они возникают в результате движения тела пловца в воде и находятся в зависимости от ряда факторов, которые будут рассматриваться ниже.

Внутренние силы, к которым относятся мышечные силы,

11

определяют не только положение тела и конечностей, но и их перемещение. Однако для перемещения одних только внутренних сил недостаточно. Передвижение может осуществляться только при взаимодействии внутренних и внешних сил. Действуя конечностями и туловищем, человек встречает внешнее сопротивление, в результате которого возникают силы, воздействующие на тело и обеспечивающие возможность перемещения его в воде. Плотность и вязкость воды дают возможность, с одной стороны, использовать ее для опоры, с другой стороны, эти свойства воды затрудняют продвижение тела, создавая сопротивление.

Для определения сопротивления движению тела в технике пользуются специальными приборами и установками. Основным методом, с помощью которого определяют сопротивление, являются гидродинамические трубы. Применение гидродинамических труб вызвано сложностями, возникающими при изучении сопротивлений жидкости в подвижной системе координат, т.е. величины сопротивления, когда тело движется в неподвижной воде. Для расчета сил сопротивления в гидродинамических трубах широко используется принцип обращенного движения. При расчетах с помощью этого принципа всем частицам жидкости сообщают постоянные скорости, равные по величине и противоположные по направлению движения тела. Тело и связанная с ним система координат при этом становятся неподвижными. Течение жидкости, полученное при этом, называют обращенным или относительным. Однако при движении тел в жидкости с переменной скоростью, как по величине, так и по направлению, принцип обращения не используется, так как действующие в прямом и обращенном движении силы в этом случае не одинаковы.

Движение тела человека в воде как раз и относится к неравномерному движению. Перепады скоростей в цикле движения наиболее значительны в брассе и дельфине и менее выражены при плавании кролем на груди и на спине. Поэтому принцип обращенного движения для анализа сил сопротивления телу человека в воде не применим. Изучение их возможно лишь с применением устройств для перемещения тела с помощью лебе-

12

док. Такие исследования в науке о плавании имеют широкое распространение и дали возможность получить большой исследовательский материал о внешних силах, действующих на тело пловца.

1.5. Виды сопротивления

При движении тело сообщает ускорение прилегающей к нему массе воды, инерция которой рождает лобовое или общее сопротивление. Лобовое или общее сопротивление включает в себя: сопротивление формы "Rf", сопротивление трения "RT" и сопротивление волнообразования "Rv.

Сопротивление формы

Наибольшее сопротивление в воде возникает при движении пластины плоскостью вперед (рис. 5).

При движении пластины плоскостью вперед перед ней возникает повышенное давление воды, а за плоскостью пластины вода находится в разряженном состоянии. Разность давлений спереди пластины и сзади и энергия, расходуемая на образование вихревых потоков, будут определять величину

сопротивления.

			Величину сопротивления можно
			уменьшить,			если	улучшить
			условия	обтекания			пластины.
			Поместив перед ней полусферу,
			сопротивление снижается за счет
			уменьшения			давления		воды
			перед ней. Если полусферу
			поместить		за	пластиной, то
	Рис. 5
			сопротивления			будет		еще
			меньше	за	счет		уменьшения
			вихреобразования за пластиной.
			При двух полусферах или при
			форме цилиндра сопротивление
			пластины станет меньше, чем
			пластины без полусфер в 2,2 раза.
Наименьшим сопротивлением			обладают		формы		с овальной

13

передней поверхностью и плавно уменьшающиеся в диаметре задней поверхности тела.

Разница сопротивления пластины и цилиндра указывает на то, что кисть со сжатыми пальцами имеет большее сопротивление, чем кисть с разведенными пальцами, когда только половина плоскости кисти, ее ладонь, имеет сопротивление пластины, а вторая ее половина - пальцы работают как цилиндры. Поэтому пловцы, не обладающие достаточной силой гребковых мышц, часто выполняют гребок с разведенными пальцами, и, наоборот, у физически подготовленных пловцов вся кисть имеет форму пластины.

Сопротивление формы при оценке техники плавания представляет наибольший интерес, так как на его долю приходится около 70% от общего сопротивления. Несмотря на то, что тело пловца, с точки зрения гидромеханики, относится к телам неправильной формы, все же, при определенных положениях туловища и конечностей можно получить благоприятные условия для уменьшения сопротивления. Проведенные исследования показали, что наименьшее сопротивление движению тогда, когда тело пловца занимает горизонтальное положение с вытянутыми вперед руками ладонями внутрь и касающимися друг друга. Разведение рук до ширины плеч увеличивает силу сопротивления на 10%, скольжение, при котором руки располагаются вдоль тела и прижаты к туловищу, увеличивает силу сопротивления на 20%.

Сопротивление трения

В природе существуют несмачиваемые и смачиваемые жидкостью тела. К несмачиваемым можно отнести водоплавающих птиц, у которых слой жира на перьях препятствует промоканию. Толщина слоя воды, приводимого в движение, у таких тел намного меньше, чем у смачиваемых тел, и потеря энергии у них происходит в результате трения тонкого слоя молекул воды о поверхность тела. Сопротивление трения больше у тел, имеющих смачиваемую поверхность. При смачивании поверхности тела молекулы воды прилипают к нему и движутся со скоростью тела, увлекая за собой соседние слои. В результате этого вместе с телом перемещается значительная

14

толща окружающей воды. Она тем больше, чем больше скорость движения тела и вязкость окружающей жидкости. Слой воды, вовлекаемый в движение телом, носит название пограничного слоя. За толщину пограничного слоя принимается расстояние от смоченной поверхности движущегося тела до того слоя, скорость которого менее 1% от скорости тела. Внутри пограничного слоя могут иметь место ламинарный и турбулентный режимы перемещения жидкости. Каждому перемещению соответствуют свои законы распределения скоростей в слое.

Ламинарным называется перемещение, при котором частицы следуют по траекториям, представляющим собой плавные, лишь слегка изменяющиеся кривые. При уменьшении шероховатости поверхности тела с 2-х до 0,6 мм сопротивление трения снижается вдвое. Гидродинамические исследования твердых тел в воде показали, что при скорости 1-2 м/с доля сопротивления трением от общего сопротивления составляет около 10%.

Турбулентным называется вид движения с хаотически переплетенными и быстро изменяющимися во времени траекториями, с поперечными и даже попятными по отношению к общему движению перемещениями отдельных малых объемов воы. Поэтому при ламинарном обтекании сопротивление меньше, чем при турбулентном.

На величину силы трения влияют величина смоченной поверхности, степень шероховатости тела, скорость движения тела, вязкость жидкости и характер движения жидкости в пограничном слое.

В 1883 году Рейнольдс на основании большого числа систематических наблюдений за движениями воды в трубе заметил, что существует характерное для режима движения критическое число, при котором резко возрастает сопротивление из-за быстрого увеличения турбулентных или вихревых движений молекул воды. В дальнейшем была выведена формула числа Рейнольдса для движущегося тела человека в неподвижной жидкости.

Rе кр. = Vcp H/V,

где Re кр. - число Рейнольдса, Vcp - скорость движения тела, Н - рост человека, V - кинематический коэффициент

15

вязкости воды.

Из этой формулы видно, что чем больше рост пловца, тем при большей скорости движения возникает критическое состояние пограничного слоя, т.е. турбулентные движения воды у пловцов с большим ростом появляются при более высоких скоростях движения. Число Рейнольдса в плавании не рассчитывается, не потому, что условия движения тела человека таковы, что даже на очень малой скорости ламинарное обтекание отсутствует, а в связи с тем, что турбулентные потоки вокруг движущегося тела человека постоянно меняются. Однако зависимость этого показателя от роста пловца все-таки указывает на некоторые гидродинамические преимущества пловцов высокого роста.

Волновое сопротивление

Волна представляет собой процесс колебания водных масс. Энергия волны равна расходу кинетической энергии на ее образование, отнесенную на единицу пути ее движения. Интенсивность возбужденных телом колебаний уровня воды и характер волн, прежде всего, зависят от контуров тела и его скорости движения. Если тело движется вблизи бортов или над мелким местом, то на волнообразование может влиять и наложение отраженных волн. Волнообразование представляет собой сложный процесс, физическое объяснение которого обычно дается в форме описания наблюдаемой картины волн.

В жидкостях возникают гравитационные, капиллярные и упругие волны. Гравитационные волны возникают вследствие того, что внешние силы нарушают поверхность жидкости и порождают колебания ее частиц около вертикали. К гравитационным волнам относят волны, вызываемые движением тела в жидкости, ветром, водоразделом пресной и соленой воды и приливами, создаваемыми Луной и Солнцем. Капиллярные волны вызываются действием сил поверхностного натяжения. Они имеют вид ряби, вызываются ветром или движением тел и развиваются под действием капиллярных сил. Упругие волны охватывают всю массу жидкости, и их появление связано со свойствами несжимаемости жидкости. Упругие волны образуются при подводных и надводных

16

взрывах.

Рассмотрим подробнее гравитационные волны, на образование которых расходуется при плавании значительное количество энергии. Гравитационные волны бывают прогрессивные и стоячие. У стоячих, в отличие от прогрессивных волн, профиль не перемещается. Ветровые волны, а также волны, вызванные движением тел в жидкости или действием внезапно приложенного к поверхности жидкости импульса давления, называются вынужденными. Свободные волны - это волны, которые остаются в жидкости после того, как вызвавшая их причина перестала действовать, например, после прохождения судна. У ветровых волн наветренный склон более пологий, а подветренный - более крутой

(рис. 6) .

Рис. 6 Предельная высота гравитационных волн - до 30 метров,

длина - до 400 метров. Ветровые волны при одиннадцатибалльном шторме могут иметь скорость до 27 м/с, высоту - 14,5 метра, длину - 38 метров. При переходе на мелководный участок происходит трансформация профиля волны, возникают буруны, а у побережья - волны прибоя.

L - длина волны, h - высота волны, α - угол наветренного склона, - угол подветренного склона. При движении тела пловца в воде возникают гравитационные волны. По форме они бывают косыми или расходящимися, поперечными и круговыми.

Косые волны (рис. 7) возникают у передней частей тела пловца. Они расходятся по отношению к продольной оси тела под углом от 20 до 40°.

17

Рис. 7

Рис. 8 Поперечные волны зарождаются у линии плеч и головы.

Следующая волна поднимается за тазом, а при скорости тела 2 м/с - в районе стоп. При этом впадина между первой и второй волной располагается у поясницы (рис. 8).

Круговые волны возникают главным образом при падении на воду брызг от движений пловца и при ударах о воду.

Сопротивление волнообразования зависит от скорости движения тела пловца, его удельного веса и техники движений. Доля волнового сопротивления от общего сопротивления составляет около 10%.

1.6.Сила сопротивления движению тел в воде

Вгидромеханике, науке об обтекании тел, принято делить

движущиеся в воде тела на удобообтекаемые и плохообтекаемые. Удобообтекаемые тела обладают большими

18

радиусами своей поверхности, и при движении в воде в пограничном слое у них перемещение жидкости близки к ламинарному. У плохообтекаемых тел их поверхность имеет малые радиуса. У таких тел при движении в воде наблюдаются отрывы пограничного слоя от поверхности тела в связи с неудовлетворительной формой их обводов, при этом возникают вихревые потоки в пограничном слое и следовые движения воды в виде вихревых потоков.

Тело человека в связи с имеющимися у него криволинейными поверхностями с небольшими радиусами и непрямолинейными поверхностями относится, с точки зрения гидромеханики, к плохообтекаемым телам. На это указывает большое количество возникающих при движении турбулентных потоков и вихревых движений воды.

Общая сила сопротивления движению тела в воде равна сумме сил всех видов сопротивления и является результатом потери телом кинетической энергии на единицу пути движения. Точный теоретический расчет полного сопротивления является чрезвычайно сложным и громоздким, а количество различных переменных величин и математических уравнений настолько велико, что сам расчет оказывается неоправданным. Поэтому, для расчета полного сопротивления проводятся физические исследования в опытных бассейнах.

Известным ученым Фрудом в конце девятнадцатого века был изложен метод расчета полного сопротивления. По этому методу полное сопротивление условно делится на сопротивление трения и на остаточное сопротивление. К сопротивлению трения была отнесена та часть полного сопротивления, которая зависит только от величины и качества смоченной поверхности и ее длины. Это сопротивление рассчитывается по таблице, составленной по результатам испытания тел в потоке жидкости. Остаточное сопротивление, зависящее от формы и скорости тела, измеряется в опытных бассейнах на движущихся моделях и затем пересчитывается на натуральные размеры тела. Опыты показали, что с достаточной для практических целей точностью можно считать полное сопротивление тел правильной формы пропорциональным скорости на малых скоростях. При скорости свыше 0,5 м/с со-

19