Силы+плавание+Чертов

Силы, действующие при статическом и динамическом плавании. Понятие плавучести

Чертов Николай Викторович

кандидат педагогических наук, доцент кафедры спортивных дисциплин ЮФУ

Согласно закону движения существует 2 варианта плавания: статическое и динамическое.

Статическое плавание — физическое тело (тело человека) находится в покое на поверхности воды, т. е. без движения. Вариантами такого плавания могут быть также задания на учебных занятиях по демонстрации и удержанию фигур «звездочка», «поплавок» и др.

При статическом плавании действуют две противоположные силы: сила тяжести, которая направлена вниз, и выталкивающая (поддерживающая) сила, которая направлена вверх. Динамическое плавание — плавание с помощью разнообразных двигательных действий (с помощью энергии движения). При динамическом плавании к существующим силам тяжести и выталкивающей добавляются сила тяги и противополжно направленная ей сила сопротивления. Сила тяги, как правило, направлена по ходу движения и складывается из нескольких составляющих (работа рук, ног). Сила сопротивления всегда направлена против движения и состоит из нескольких видов сопротивлений (см. полное сопротивление).

Существование гидростатического давления приводит к тому, что на любое тело, находящееся в жидкости или газе, действует выталкивающая сила. Впервые значение этой силы в жидкостях определил на опыте Архимед. Закон Архимеда формулируется следующим образом: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу того количества жидкости или газа, которое вытеснено погруженной частью тела.

Рис. 1

Рассмотрим теоретический вывод закона Архимеда. В сосуд (рис. 1) налита жидкость и погружено тело, имеющее форму куба. Ребро куба равно l. Верхняя грань куба находится от поверхности жидкости на глубине h, а нижняя — на глубине h+l. На все грани куба жидкость оказывает давление. При этом силы давления, действующие на боковые грани куба, взаимно компенсируются. На верхнюю грань куба действует направленная вниз сила давления F1, модуль которой

F1=rжghS (1)

где rж — плотность жидкости; S — площадь грани куба. На нижнюю грань куба действует направленная вверх сила давления F2, модуль которой

F2=rжg(h+l)S (2)

Так как h<h+l, то F1<F2, т. е. равнодействующая этих двух сил направлена вертикально вверх и представляет собой выталкивающую (архимедову) силу:

FA=F2-F1 (3)

Подставив (1) и (2) в (3), найдем, что модуль архимедовой силы

FA =rжglS=rжgV=Pж, (4)

где V — объем куба (т. е. объем жидкости, вытесненной погруженным телом); Pж — вес вытесненной жидкости. Следовательно, выталкивающая сила по модулю равна весу жидкости, вытесненной погруженной частью тела.

Архимедова сила FA приложена к телу в центре масс вытесненной телом жидкости и направлена против силы тяжести, действующей на это тело. Необходимо помнить, что закон Архимеда справедлив только при наличии силы тяжести. В условиях невесомости он не выполняется.

Плавучесть — способность тела держаться на поверхности воды. Причем данную характеристику целесообразнее рассматривать именно при статическом плавании.

Поведение тела, находящегося в жидкости, зависит от соотношения между модулями силы тяжести Fт и архимедовой силы FA, которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая, характеризующие условие плавания тел:

a.Fт>FA — тело тонет;

b.Fт=FA — тело плавает;

c.Fт<FA — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

Условие плавания тел просто: выталкивающая сила должна быть не меньше силы тяжести, действующей на тело. Из закона Архимеда можно вывести, что тела, имеющие плотность меньшую, чем плотность жидкости, будут в ней плавать (положительная плавучесть). Другие – тонуть (отрицательная плавучесть). При равенстве плотностей наблюдается нулевая плавучесть: тело полностью погружено в жидкость, но не тонет.

плотность тела > плотность жидкости — тело тонет;

плотность тела = плотность жидкости — тело плавает или зависает (необязательно на поверхности);

плотность тела < плотность жидкости — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

Как уже отмечалось, при дыхании плавучесть изменяется. При вдохе будет иметь место положительная плавучесть, при выдохе (особенно полном) — отрицательная. В среднем женщины имеют большую плавучесть, чем мужчины, т. к. в их организме содержится больше жировых депо, а костно-мышечные ткани не такие плотные, как у последних. На плавучесть влияет также и объем легких.

Однако некоторые лица независимо от пола, но больше мужчины, имеют отрицательную плавучесть даже при полном вдохе (из-за достаточно большой мышечной массы и тяжелого скелета). Таким людям сложно удержаться на поверхности без движения (при статическом плавании), однако в спортивном плавании это обстоятельство имеет свои преимущества.

Существенное значение при плавании имеет равновесие в воде. Рассмотрим равновесие тел при статическом плавании. Чтобы его (равновесие) получить, необходимо, чтобы действующая со стороны жидкости выталкивающая сила, приложенная в центре тяжести вытесненной жидкости (центр давления), была не только равна топящей силе (силе тяжести), но и чтобы центр давления был на одной вертикали с центром тяжести. В противном случае выталкивающая и топящая силы создадут моменты пары сил, вращающих тело. Вращение будет наблюдаться до тех пор, пока тело не придет в положение, при котором будут выполнены указанные условия.

Равновесие может быть устойчивым и неустойчивым. Устойчивое статическое равновесие наблюдается, когда центр давления расположен выше центра тяжести (см. рис. 2а). В этом положении при нарушении равновесия под действием внешних сил создается восстанавливающий момент, который стремится вернуть тело в исходное положение. Неустойчивое статическое положение (см. рис. 2б) будет тогда, когда центр тяжести расположен выше центра давления. В данном случае при незначительном отклонении от положения равновесия создается момент сил, который будет вращать тело до достижения положения устойчивого равновесия.

а)

б)

Рис. 2

Рассмотрим расположение центра тяжести и центра давления при горизонтальном положении тела пловца (рис. 3). Оба центра будут находится в одной горизонтальной плоскости на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга, что объясняется неоднородным строением человеческого тела. Такое расположение центра тяжести и центра давления вызывает вращение тела вокруг поперечной оси, сопровождающееся опусканием ног.

Рис. 3

Если в горизонтальном положении пловец, лежащий в воде лицом вниз, сильно прогнется, то центр давления может оказаться ниже центра тяжести. В данном случае создастся неустойчивое положение, когда, помимо уже имеющего место вращения вокруг поперечной оси (когда наблюдается опускание ног), пловец может быть развернут вокруг продольной оси, т. е. лицом вверх.

Равновесие пловца напрямую связано с его индивидуальным анатомическим строением.

При динамическом плавании тело спортсмена, как правило, занимает положение близкое к горизонтальному, но отличное от него. Положение тела по отношению к обтекаемому потоку называется углом атаки тела. Угол атаки замеряется между продольной осью тела и направлением движения. Под продольной осью подразумевается воображаемая линия, соединяющая среднюю точку сечения грудной и тазовой части туловища. Угол атаки считается положительным, если ось тела отклоняется вверх от обтекающего потока, и отрицательным, если отклоняется вниз.

При плавании брассом наблюдаются углы атаки до 13–14°, а при плавании баттерфляем — до 25– 30°. При кроле — 2–6°. Очевидно, что угол атаки надо по возможности уменьшать.

Угол атаки кисти — угол между плоскостью кисти и направлением потока. Кисть во время гребка движется по криволинейной траектории, угол атаки кисти в основной части гребка изменяется, как правило, от 35–45° до 60–75°. В отдельные моменты гребка угол атаки кисти может составлять

15–30°.

При движении пловца под некоторым углом к потоку полная сила гидродинамического сопротивления направлена не строго назад, а отклоняется вверх или вниз в зависимости от того, положительный или отрицательный угол атаки имеет пловец. При разложении полной гидродинамической силы сопротивления по правилу параллелограмма получаем 2 силы: одну направленную параллельно обтекающего потока, другую — перпендикулярную к нему.

Сила, направленная параллельно встречному обтекающему потоку, называется силой лобового сопротивления.

Сила, действующая перпендикулярно вверх по отношению к направлению потока, называется подъемной силой, перпендикулярно вниз — топящей.

Скорость и энергетические расходы при плавании зависят от трех основных механических факторов: 1) величины подъемной (плавучей) силы, противодействующей весу тела, или обратной ей величины — потопляющей силы; 2) лобового сопротивления продвижению тела в воде и 3) движущей силы, возникающей в результате эффективных продвигающих (пропульсивных) усилий пловца.

Средняя чисто дистанционная скорость (в середине бассейна) при плавании на 100 м составляет максимально: в кроле — около 1,9 м/с, в баттерфляе — 1,8 м/с, на спине — 1,7 м/с, в брассе — 1,5 м/с. Таким образом, наибольшая скорость достигается при плавании кролем, наименьшая — брассом.

Способы плавания основаны на взаимодействии пловца с водой, при котором создаются силы, продвигающие его в воде и удерживающие на ее поверхности. Взаимодействие возникает вследствие погружения в воду и активных движений пловца. Специфические особенности биомеханики плавания связаны с тем, что силы, тормозящие продвижение, значительны, переменны и действуют непрерывно. Постоянной же опоры для отталкивания вперед у пловца нет, она создается во время гребковых движений и остается переменной по величине.

При всех гребковых движениях гребущие звенья движутся относительно остальных частей тела назад, а последние относительно гребущих звеньев — вперед. В начале гребкового движения спортсмен плывет по дистанции с некоторой начальной скоростью. Вследствие гребка туловище продвигается вперед со скоростью большей, чем начальная. Гребущие звенья движутся относительно туловища назад быстрее, чем относительно воды. Таким образом, механизм динамического взаимодействия пловца с водой основан на изменениях сопротивления воды, обусловленных в первую очередь скоростью движения частей тела относительно воды.

Рис.4

Рассмотрим рабочее движение пловца прямой рукой, стоя на дне (см. рис. 4). Данное движение будет выполняться за счет вращения по отношению к плечевому суставу. При движении руки по ее длине возникают силы гидродинамического давления как результат сопротивления воды. Для

удобства в данном рисунке не указывается сила давления на воду, которая равна силе сопротивления и направлена в противоположную сторону. Наибольшая величина сопротивления будет у кисти за счет ее большей скорости, площади и коэффициента обтекаемости. Величина сил сопротивления на руке постепенно падает от кисти к плечу (на рис. 5 это показано уменьшением длины стрелок). Равнодействующая этих сил приложена у запястья и направлена в сторону, противоположную прилагаемым усилиям. По правилу параллелограмма одна из составляющих направлена вперед (Рх — сила тяги). Другая составляющая (Рy), в зависимости от положения руки, будет направлена вверх (положение I) или вниз (положение Ш). Наиболее выгодно положение II, когда равнодействующая сила полностью направлена на продвижение пловца вперед.

По такому же правилу разложения сил рассмотрим и рабочее движение ногами способом кроль на груди (см. рис. 5) и плавании баттерфляем (рис. 6). Во время движения сверху вниз вследствие сопротивления воды возникает результирующая сила, направленная вперед и вверх. Ее можно разложить на две составляющие, одна из них будет направлена вперед — Рх, другая — вверх — Рy.

Рис. 5

В отличие от стационарного положения, во время плавания картина действия сил выглядит несколько сложнее, т. к. конечности пловца совершают не одно, а два движения. Сюда же можно добавить и одновременную работу рук и ног. Сам характер движения также различен. Если при движении ног кролем на груди при работе у бортика наблюдается положительное давление на всей длине ноги, то в движении у пловца такое давление наблюдается только на стопе и небольшой части голени. В отличие от движений руки, ноги кролиста не обретают скорости, превышающей скорость потока. В лучшем случае эта скорость сравнивается со скоростью обтекающего потока. Однако стопа во время движения имеет значительные вертикальные скорости. При наклонном положении стопы по отношению к направлению движения образуются силы, продвигающие пловца вперед.

Величина силы тяги рук пловца обычно находится в пределах 16–18 кг, а сила тяги ног при плавании кролем — 10–12 кг. Приложение сил у пловца по времени составляет 0,3–0,5сек.

Рис. 6

Движущая, или пропульсивная (продвигающая) сила. Эта сила возникает в результате активной мышечной деятельности пловца и представляет собой сумму действия двух сил — лобового сопротивления и подъемной силы, возникающей при плавательных движениях. Она определяет скорость и направление движения тела пловца. Прямо измерить пропульсивную силу не удается, ее определяют у спортсмена, привязанного к измерительному устройству. Наибольшая движущая сила зарегистрирована при «привязанном» плавании способом брасс — около 22 кг. При других способах плавания эта сила примерно одинакова — максимально 13–14 кг. В брассе наибольший вклад дает работа ног, а в кроле на груди и на спине —работа рук. В плавании способом баттерфляй движущая сила рук и ног примерно одинакова.

Лобовое сопротивление. При плавании основная мышечная работа затрачивается не на удержание тела на воде, а на преодоление силы сопротивления движению тела, которая называется лобовым сопротивлением. Ее величина зависит от вязкости воды, размеров и формы тела, а главное — от скорости продвижения его.

При высокой скорости продвижения в воде преодоление лобового сопротивления составляет главный компонент физической нагрузки для пловца. Если путем буксировки протягивать тело человека по воде, то лобовое сопротивление этому пассивному продвижению растет примерно пропорционально квадрату скорости буксировки. При активном плавании из-за движений головой, туловищем и конечностями лобовое сопротивление больше: при плавании кролем примерно в 1,5 раза, а при брассе — в 2 раза.

Силы лобового сопротивления доминируют, особенно на решающих участках гребковых траекторий в способах плавания кроль на груди, кроль на спине и баттерфляй. Величина сил лобового сопротивления, создаваемая на гребущих плоскостях (кисть и предплечье), значительно превышает величину подъемной силы.

В способе брасс как лобовое сопротивление, так и подъемная сила вносят вклад в создание результирующей продвигающей силы как во время разведения, так и сведения рук. Однако направление силы лобового сопротивления не совпадает с направлением вектора скорости тела. Таким образом, подъемная сила, образованная за счет движения кистей рук под углом атаки к потоку в плоскости, перпендикулярной направлению движения, является главным и почти единственным компонентом продвигающего усилия.

Общепризнано, что и подъемная сила (лифт), и лобовое сопротивление должны рассматриваться как компоненты пропульсивных сил в плавании. Пловцы должны максимизировать обе силы, создающие продвижение. В то время как пловец давит на воду в направлении назад, жидкость под рукой замедляется пропорционально углу атаки кисти и силам трения. Когда угол острый, замедление незначительное и возникающие силы лифта и лобового сопротивления малы по величине. Когда угол атаки больше, замедление потока относительно кисти более значительно, что ведет к возрастанию реакции опоры на кисти. Результирующая сила акции может быть разложена на подъемную силу и лобовое сопротивление. Замедление потока жидкости также дополняется сопротивлением трения поверхности кисти и предплечья и сопротивлением формы, обусловленным размером и формой руки.

При движении вперед вниз создается сила, тормозящая движение пловца, несмотря на то, что в это же время на руке создается лифт. В большинстве вариантов гребковых движений присутствует элемент поперечных движений.

Пловцы никогда не выполняют гребок прямолинейно спереди назад. В брассе движения, направленные в стороны, даже акцентированы.

Другая черта гребка — асимметрия в движениях рук. Сильная рука старается сбалансировать движение слабой руки. Поэтому весьма маловероятно, что можно найти идеальные варианты траектории гребка.

Измерение сил в плавании представляется весьма затруднительным, так как имеет место взаимодействие сегментов. Когда изолированно рассматривается только один сегмент, это может привести к ошибочным заключениям. Даже теперь, когда состояние развития методов измерения значительно лучше, чем ранее, оно все еще оставляет желать лучшего.

На ранних и заключительных стадиях гребковые движения имеют значительный вертикальный компонент. Чтобы развить продвигающее усилие, кисть-предплечье должны быть погружены на достаточную глубину и затем следовать в направлении, при котором создается максимальный горизонтальный компонент усилия. После того как были созданы максимальные продвигающие усилия, руку следует вынуть из воды для проноса. Выражается точки зрения, что ранний и поздний участки подводного движения руки должны считаться «переходными». Наблюдения и опрос пловцов показывают, что на этих переходных участках гребковых движений не создается продвигающего усилия, и пловцы не чувствуют, что они создают такие усилия. Термин «гребок» должен быть зарезервирован для тех фаз, где действительно создается продвижение (ускорение).

Путь, который преодолевают кисть и предплечье под водой, не всегда способствуют созданию продвижения. Некоторые участки траектории и движения скорее затрудняют продвижение, чем помогают ему. Например когда кисть входит в воду и продолжается выпрямление руки вперед под водой — трение, сопротивление формы и волновое сопротивление возрастают и затрудняют продвижение пловца. Эти вредные силы снижают эффективность гребковых движений.

Современная техника измерения силы для кисти во время переходной фазы после входа в воду и основной фазы гребка позволяет установить достаточно удовлетворительно, что делает кисть этих стадиях. В то же время для переходной стадии на выходе из воды удовлетворительных результатов получить не удалось. На переходной стадии входа руки в воду в кроле на груди и баттерфляе лифт и лобовое сопротивление создаются на дистальных звеньях. Поток как бы двигается со стороны пальцев вверх по руке. На переходной фазе выхода руки из воды локоть «ведет» за собой кисть. Это означает, что поток как бы стекает вниз по руке и отрывается от пальцев, т. е. движение потока относительно руки прямо противоположно тому, что наблюдается на входе. Также вероятно то, что значительная турбулентность возникает на тыльной поверхности кисти.

Когда гребковые движения могут быть выполнены преимущественно в горизонтальном направлении, кинематическая пара кисть–предплечье создает тем большую реакцию, чем более ее ориентация приближается к перпендикулярному по отношению к направлению движения. Может быть расположение пары кисть–предплечье точно под прямым углом и не является самым эффективным, так как траектория гребка должна способствовать не только созданию максимальных пропульсивных сил, но также выполняет функцию противодействия вращательным силам, действующим в нескольких направлениях.

Когда переходная фаза входа руки в воду выполняется слишком глубоко, траектория основной части гребка «скользит» вверх плавно или ступенчато. Благодаря значительному вертикальному компоненту при снижении горизонтального компонента сила лобового сопротивления снижается и часть полезной для продвижения вперед энергии теряется. Это может указывать на то, что нужно избегать чрезмерного погружения руки при входе в воду, чтобы эффективно использовать энергию гребка в направлении продвижения.

Соотношение вклада лобового сопротивления и подъемной силы в продвижение в заданном направлении зависит от нескольких факторов:

а) фазы гребка;

б) угла атаки пары кисть–предплечье по отношению к направлению гребка;

в) угла, образованного парой кисть–предплечье по отношению к направлению движения;

г) направления результирующей силы;

д) ориентацией пары кисть–предплечье в трехмерном пространстве;

е) вращения кисти и предплечья.

При оценке техники гребка следует принять во внимание:

—вариант гребка должен создавать значительный компонент лобового сопротивления и поддерживать его в течение столь длительного времени, сколько это позволят переходные фазы входа и выхода руки. Потенциальный прирост силы лобового сопротивления гораздо выше, чем приращение подъемной силы;

—когда гребок выполняется преимущественно в горизонтальном направлении при преимущественно перпендикулярной ориентации пары кисть–предплечье к направлению движения, отклонения кисти от прямого угла атаки имеют целью уравновесить боковые силы;

—следует пытаться ощутить давление на пару кисть–предплечье. Чем дольше это ощущение будет поддерживаться во время гребка, тем дольше будут поддерживаться силы лобового сопротивления;

—во время переходной фазы входа руки в воду, когда вертикальный компонент гребка значительный, необходимо ориентировать кисть–предплечье так, чтобы максимизировать подъемную силу и одновременно стараться быстрее пройти эту стадию гребка.

Варианты гребков. Наблюдаемая ориентация кисти у высококвалифицированных пловцов показывает, что углы атаки кисти у них такие, что способствуют больше образованию лобового сопротивления, чем подъемной силы. В то же время углы атаки кисти очень редко оказываются 90 градусов или около того. Ориентация кисти не только преследует цель создания максимальной продвигающей силы, но и должна способствовать компенсации вертикальных движений при проносе рук, дыхании, работе ног. Во всех способах плавания необходимы компромиссные положения, так как движения никогда не подчинены только созданию продвижения.

Считается, что главной силой, создающей продвижение в способах кроль на груди, на спине и в баттерфляе, является сила лобового сопротивления. Влияние подъемной силы является минимальным. В то же время оказывается, что никакая сила не является единственной, ответственной за создание продвижения.

В плавании кролем на груди, когда рука выходит из воды и начинает пронос вперед, тело испытывает вращательный эффект. Этот эффект частично компенсируется ударом ноги, но в то же время успевает оказать воздействие на гребок противоположной руки. При этом в начале гребка наблюдается движение кисти кнаружи. Это движение создает и подъемная сила, и сила лобового сопротивления.

Последующее движение назад внутрь может быть не столько результатом поиска стоячей воды, сколько движением, компенсирующим анатомические недостатки тела человека. Средний участок траектории гребка в кроле на груди характеризуется выраженным смещением руки внутрь вверх, компенсирующим вращение тела вокруг продольной оси, в то время как противоположная рука завершает выполнение проноса и входит в воду.

В кроле на спине характерный J-образный тип гребка, при котором кисть по мере выполнения гребка скользит вверх к поверхности, вызван просто сгибанием локтя. Это делается с тем, чтобы приложить большую продвигающую силу в оптимальном направлении и по мере того как локоть движется вниз, вектор реакции направляется вверх.

Боковые компоненты гребковых движений могут иметь очень простое объяснение. Они обусловлены анатомическими особенностями тела человека. Ротационные боковые силы развиваются:

—во время проноса рук над водой, выполняемого частично через стороны;

—кренами тела, достигающими в кроле на груди и на спине почти 90 градусов;

—приведением в плечевом суставе в середине гребка;

—когда необходимо вывести кисти из-под тела для выполнения переноса;

—силами, созданными поворотами головы для вдоха.

Эти поперечные силы должны быть уравновешены поперечными движениями ног или рук во время гребков. Когда они действительно имеют место в гребковых движениях, они создают силы