Текст книги "Основы техники спортивных способов плавания"

1.3. Основные закономерности гидродинамики

Основная особенность плавания заключается в том, что данный вид передвижения осуществляется в водной среде, которая по физическим свойствам отличается от воздушной. В частности, в воде сопротивление передвижению возрастает, так как ее плотность значительно больше плотности воздуха. При нахождении человека в воде в состоянии покоя тело своим весом давит на водную поверхность – действует сила собственной тяжести. Одновременно с этим, согласно закону Архимеда, на тело, погруженное в воду, действует выталкивающая сила, равная весу объема воды, вытесненной этим телом. Человек с плотностью или удельным весом меньше единицы обладает естественной плавучестью. Плотность может быть уменьшена за счет увеличения объема воздуха в легких, поскольку это увеличивает объем тела без заметного увеличения его массы.

Сила тяжести тела пловца по величине постоянная и приложена к общему центру тяжести (ОЦТ), находящемуся в области 1–5 крестцовых позвонков. Выталкивающая сила обусловлена разностью гидростатического давления воды на нижнюю часть тела и воздуха – на верхнюю, поэтому направлена вверх – в район общего центра давления (ОЦД). Обычно ОЦТ и ОЦД не совпадают, поэтому и создается момент вращения (устойчивость), ноги постепенно погружаются в воду до их выравнивания по вертикали – появляется отрицательная плавучесть. Совпадение ОЦТ и ОЦД ведет к уравновешиванию частей тела и наступает гидростатическое равновесие – положительная плавучесть. ОЦТ всегда стремится занять более низкое положение, поэтому величина момента вращения определяет устойчивость тела.

Плавучесть человека определяется как его удельным весом, так и воды. Объективными показателями плавучести являются: гидростатический вес, объем и плотность тела. Средняя величина удельного веса человека – 1,04–1,09 г/см³, а удельный вес воды в бассейне находится в пределах 1,0 г/см³, поэтому для поддержания в воде нейтральной плавучести необходимо переместить руки за голову в позе пловца. На сохранение гидростатического равновесия влияют поза человека и его дыхание, изменяющие объем тела: при полном вдохе большинство людей находится на плаву, а при выдохе погружаются ноги. Это положение следует учитывать в определении приоритета начала обучения плавания с движения ног, чтобы сохранить более устойчивое равновесие. И удобную позу для выполнения гребка. Изменение веса тела, погруженного в воду, характеризуется разными точками его взвешивания, расположенными: на уровне стоп, центра тяжести и зависит от объема воздуха.

Во время движения пловцу гораздо сложнее эффективно отталкиваться о воду, которая не имеет твердой опоры. Поэтому для того чтобы плыть быстро, нужно постоянно решать две главные задачи:

1. Приложить как можно больше силы.

2. Уменьшить сопротивление воды за счет принятия обтекаемого положения тела.

Для успешного решения первой задачи пловцу необходимо знать, в каком направлении и по какой траектории нужно выполнять гребковые движения.

К настоящему моменту существует очень важная закономерность, относящаяся к любым локомоторным движениям человека и животных (в том числе рыб),в воде а также к движению судов. Суть этой закономерности следующая: максимальная сила тяги возникает в том случае, когда отталкивание осуществляется от возможно большей массы воды с минимальным сдвигом ее назад.

Чтобы пояснить проявление этой закономерности, обратимся к случаю, который произошел в XIX веке с одним изобретателем. Этот человек долго ломал голову над вопросом, как повысить эффективность работы механизмов, приводящих речные суда в движение. Колесный пароход не оказался совершенством: большие лопатки гребного колеса отбрасывали воду назад лишь на очень небольшом участке своего рабочего движения (рис. 1 А).

Изобретатель решил установить на судне новый двигатель – гребную «гусеницу», лопасти которой в рабочем положении двигались в воде строго спереди назад на сравнительно большом отрезке пути (рис. 1 Б).

Рис. 1. Схема создания продвигающей силы: А – по типу колесного парохода; Б – по типу гребной «гусеницы»; В – по типу гребного винта

Исследователь полагал, что подобный двигатель, отбрасывая лопастями воду строго назад, будет с большим эффектом и более экономично продвигать судно вперед. Однако он ошибся. Оказалось, что судно почти не могло сдвинуться с места. Ошибка изобретателя заключалась в том, что он еще не знал ту закономерность, которая была выявлена ранее. Каждая лопасть его нового двигателя захватывала небольшую массу воды и отталкивала ее назад на сравнительно большом участке пути. Но как только вода, толкаемая лопастью, приходила в движение, лопасть уже не могла более опираться об эту возмущенную воду и создавать тяговое усилие (лопасть как бы пробуксовывала). Для того чтобы на лопасти возникала сила тяги, ей необходимо взаимодействовать с неподвижной массой воды или потоком, движущимся в обратном направлении. Оптимальным решение данной задачи явилось создание в дальнейшем гребного винта. Гребной винт судна всегда захватывает своими лопастями «невозмущенную» массу воды и никогда не отбрасывает ее строго назад (рис. 1 В). В каждый момент своего движения лопасть винта вступает в контакт с неподвижной водной средой, т. е. имеет относительно хорошую опору. Аналогично работает и воздушный винт самолета.

Продвижение при плавании хорошо иллюстрирует принцип действия гребного винта: хотя лопасти вращаются по круговой траектории, их изогнутая форма обеспечивает при прохождении воды от передних кромок к задним ее перемещение назад, а лодки – вперед. Движения рук пловца подобны вращениям лопастей гребного винта: в начальной части гребка, или при подтягивании, рука движется вовнутрь, вверх и назад, а в заключительной, или в фазе отталкивания, – наружу, вверх и назад.

В связи с этим можно сделать вывод о том, что для создания максимальных движущих сил во время гребка руками пловцу необходимо ответить на два вопроса:

1. По какой траектории выполнить гребок, чтобы кисть ру ки все время контактировала с неподвижной массой воды.

2. Как ориентировать кисть во время гребка, чтобы она взаимодействовала с водой подобно лопасти гребного винта.

Ответ на первый вопрос будет следующий – гребок в плавании выполняется по криволинейной траектории, напоминающей замочную скважину или форму песочных часов или перевернутый вопросительный знак (рис. 2).

Рис. 2. Траектория движения руки во время гребка при плавании: А – баттерфляем (вид снизу); Б – на спине (вид сбоку); В – брассом (вид снизу); Г – кролем на груди (вид снизу)

Что касается ответа на второй вопрос, то пловцу необходимо ориентировать кисть под оптимальным углом относительно траектории движения (как у лопасти гребного винта).

При изучении техники спортивного плавания также необходимо знать о воздействии сил, продвигающих тело в воде и препятствующих его движению (силы движения и торможения).

Рассмотрим причины возникновения продвигающей силы за счет правильной ориентировки кисти к набегающему потоку воды. Существуют две силы, за счет которых осуществляется продвижение. Это сила лобового сопротивления и подъёмная сила.

Примером использования силы лобового сопротивления как продвигающей силы является рабочие движения веслами при гребле на лодке. В этом случае сила, которая толкает лодку вперед, возникает в результате разницы давлений на обеих сторонах весла.

Согласно закону Бернулли, давление жидкости падает там, где скорость ее движения возрастает, а там, где скорость движения жидкости понижается, давление увеличивается (рис. 3 А). Таким образом, движущая сила действует в направлении меньшего давления.

Рис. 3. Схема создания продвигающей силы за счет силы лобового сопротивления воды (А) и подъёмной силы (Б)

Форма крыла самолета является примером продвижения за счет создания подъёмной силы (рис. 3 Б). Оно сконструировано таким образом и ориентировано к встречному потоку воздуха под таким углом атаки, что воздушный поток обтекает верхнюю поверхность крыла с более высокой скоростью, чем нижнюю. Разница в скоростях потока обусловливает и разницу в силе давления воздуха на нижнюю и верхнюю поверхности крыла, что, в свою очередь, является причиной возникновения аэродинамической подъёмной силы. Гребной винт судна создает движущую силу по такому же принципу, только здесь подъёмная сила, возникающая на лопастях винта, направлена горизонтально и толкает судно вперёд.

Сходную картину мы можем наблюдать и во время движения кисти пловца в воде, если она ориентирована под правильным углом к траектории своего движения (рис. 4). В этом случае кисть взаимодействует с потоком воды подобно лопасти винта, и на ней возникают силы, направленные в сторону продвижения пловца.

Рис. 4. Винтообразный гребок при плавании кролем

В зависимости от того, какая из составляющих сил сопротивления воды преимущественно используется для опоры при создании движущей силы, движители делятся на два типа: вёсельного (когда используется сила лобового сопротивления) и плавникового (когда используется подъемная сила). В движителях вёсельного типа рабочая плоскость располагается перпендикулярно направлению движения (весло или лопасть). В движителях плавникового типа рабочая плоскость располагается под углом 30° к направлению движения (хвостовые плавники рыб, гребные винты судов).

Рассматривая создание движущей силы пловцом, следует сказать, что при движении кисти пловца спереди назад и при движении ног брассом можно говорить о вёсельном принципе создания движущей силы. Рассматривая движения кисти вправовлево, вверх-вниз под соответствующим углом по направлению движения, а также движения ногами в кроле, дельфине и на спине, видно, что используется плавниковый принцип создания движущей силы. Основным движителем во всех способах плавания являются руки, за исключением брасса, где вклад рук и ног примерно равный.

Для того чтобы иметь хорошую опору, кисть должна постоянно взаимодействовать с «невозмущенной» массой воды. Такое взаимодействие может быть достигнуто только при движении кисти по криволинейной траектории [7]. При движении по криволинейной (эллиптической) траектории кисть легче поставить в оптимальное для опоры о воду положение, в частности придать оптимальный угол атаки, при котором на рабочей плоскости руки возникает подъемная сила.

Угол атаки образуется наклоном кисти или стопы относительно направления их движения. Чтобы создать подъемную силу, кисть должна быть ориентирована в потоке воды под острым углом (рис. 5) Вертикальная составляющая R_y равнодействующей силы реакции воды, которая возникает на кисти, представляет собой подъемную силу; ее величина изменяется в зависимости от изменения угла атаки кисти. Наибольшие величины подъемной силы наблюдаются при угле атаки, близком к критическому (рис. 5 Б). При больших или меньших углах атаки величина подъемной силы уменьшается. Например, когда угол атаки крыла самолета превышает критический, отмечается так называемый срыв плавного обтекания крыла. В аналогичных случаях при плавании кисть руки начинает взаимодействовать с водой не как лопасть гребного винта, а как весло каноэ (рис. 5 В). При слишком малом угле атаки и подъемная сила R_y и сила лобового сопротивления уменьшаются – кисть начинает скользить по потоку, эффективность гребка падает (рис. 5 А). Чтобы получить наибольшую величину подъемной силы, пловцу приходится тонко регулировать положение кисти в потоке воды.

Рис. 5. Зависимость соотношения подъемной силы (Ry) и силы лобового сопротивления (Rx) от угла атаки кисти

Горизонтальная составляющая R_x силы реакции воды представляет собой силу лобового сопротивления, ее величина непрерывно возрастает по мере увеличения угла атаки кисти. И сила лобового сопротивления, и подъемная сила являются лишь составляющими равнодействующей силы реакции воды. Последняя и обусловливает величину силы тяги пловца. Иными словами, сила тяги во время гребка образуется за счет движения кисти с различной скоростью и в различных направлениях, в том числе и в направлениях, значительно отличающихся от направления поступательного движения тела пловца вперед.

Таким образом, эффективность силы тяги гребка зависит от оптимального соотношения подъемной силы и силы лобового сопротивления. Это значит, что пловцу во время гребка необходимо непрерывно изменять ориентацию кисти в соответствии с изменением направления гребка. Величина угла атаки должна варьировать от 20 до 60 в зависимости от фазы гребка. На нерациональность угла атаки и направления движения указывает большое количество пузырьков, свидетельствующих о турбулентности и потере пловцом движущей силы [14].

Еще один признак, характеризующий рациональную технику движения рук, – это высокое положение локтя при выполнении движения. Одновременно со сгибанием руки в локтевом суставе в начале гребка плечо выполняет вращение внутрь, что позволяет удержать локоть в высоком положении во время первой половины гребка. Вращение плеча вовнутрь, совмещаемое со сгибанием руки в локте, позволяет кисти принять наиболее выгодное положение для отталкивания воды назад, опереться о воду кистью и предплечьем.

Все спортсмены при выполнении гребка сгибают руку в локтевом суставе. Начиная гребковое движение прямой или немного согнутой в локтевом суставе рукой, спортсмен, выполняя движение, сгибает руку в локтевом суставе до тех пор, пока кисть и предплечье не выйдут в вертикальное положение. К тому времени угол сгибания в локтевом суставе достигает своего максимума (от 90 до 105° в зависимости от способа плавания). Продолжая движение назад, рука разгибается в локтевом суставе и к концу грека оказывается почти полностью выпрямленной (за исключением брасса).

Рациональная техника характеризуется также оптимальной ориентацией кисти в момент входа руки в воду и выхода из воды. Во время входа в воду кисть должна быть ориентирована таким образом, чтобы она рассекала воду без брызг и не увлекала бы за собой под воду воздушные пузырьки, которые, создавая около кисти смесь воды и воздуха, снижают эффективность гребка (вследствие того, что уменьшается плотность среды и соответственно, качество опоры). Поэтому при плавании кролем на спине кисть входит в воду в вертикальном положении ладонью кнаружи. При плавании кролем на груди и дельфином кисть входит в воду под углом 35–45°, ладонь развернута несколько кнаружи. Выход руки из воды должен осуществляться с минимальным сопротивлением, чтобы не вызывать топящей силы. При плавании кролем на груди кисть повернута ладонью внутрь и мизинец выходит из воды первым. При плавании на спине кисть также повернута ладонью внутрь, первым выходит из воды большой палец. При выполнении гребка кисть никогда не должна быть развернута перпендикулярно к траектории своего движения [7].

Таким образом, можно сформулировать основные требования к движениям рук, характеризующие рациональную их работу:

1) движение рук по криволинейной траектории;

2) ориентация кисти под острым углом к траектории ее движения для создания рационального угла атаки гребущей поверхности;

3) сгибание рук в локтевых суставах при выполнении гребкового движения;

4) высокое положение локтя;

5) направление отбрасываемого в результате гребкового движения потока воды в направлении, позволяющем избежать его контакта с телом и ногами спортсмена;

6) ориентация кисти, обеспечивающая минимальное сопротивление при выходе ее из воды.

Существенную роль в создании движущих сил играет туловище. При плавании кролем на груди и на спине туловище выполняет крены вправо-влево, усиливая гребковые движения рук. Во время плавания брассом и баттерфляем происходят колебания плечевого пояса вверх-вниз, однако следует помнить, что движения туловищем отрицательно сказываются на обтекаемости спортсмена, так как приводят к повышению волнообразования и увеличению миделя. Поэтому следует избегать лишних движений туловищем, раскачиваний вверх-вниз, изгибов в стороны, чрезмерных прогибов в поясничной области.

1.4. Виды сопротивления воды

Вода оказывает сопротивление движущемуся в ней телу. Сила сопротивления воды действует навстречу телу и тормозит продвижение. При равномерном движении сопротивление пропорционально квадрату скорости и квадрату линейных размеров тела. При неравномерном движении – а именно таков характер движений внутри каждого цикла – приходится дополнительно преодолевать инерцию тела и инерцию окружающей его водной среды. Гидродинамическое сопротивление обусловлено действием на движущееся тело сил трения и давления. Сила трения направлена по касательной к поверхности тела, сила давления – перпендикулярна к ней.

Для уменьшения сопротивления воды пловцу необходимо иметь представления о силах, мешающих ему это сделать. Таких сил в плавании четыре: лобовое сопротивление, волнообразование, трение и завихрение (рис. 6).

Рис. 6. Действие воды на движущееся тело: а) лобовое сопротивление; б) волнообразование; в) трение; г) завихрение

Лобовое сопротивление может быть вычислено по следующей формуле:

где С_х – коэффициент лобового сопротивления (величина безразмерная), S – площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную к направлению движения тела, Р – плотность воды, V– скорость движения тела.

где Р – вес, L – рост, К – коэффициент размерности.

Величина коэффициента непостоянна. Она зависит от формы и размеров тела, его ориентации относительно набегающего потока и других факторов, поэтому вычисляется опытным путем в каждом конкретном случае. Чем больше коэффициент лобового сопротивления, тем сильнее тормозится телом набегающий поток.

C увеличением угла атаки коэффициент лобового сопротивления непрерывно повышается и достигает максимума, когда тело занимает положение, перпендикулярное к потоку ( = 90). Отклонение рабочей плоскости на 15–20 от перпендикулярного положения не оказывает существенного влияния на величину коэффициента.

По экспериментальным данным [12], полученным путем буксировки испытуемых в положении скольжения, средняя величина коэффициента сопротивления воды у женщин на 9 % меньше, чем у мужчин (С_жен= 0,366 ± 0,017; С_муж= 0,402 ± 0,024) (рис. 7).

Аналогично лобовому сопротивлению вычисляется и подъёмная сила:

где R_y – подъемная сила;

S – площадь рабочей поверхности тела;

Cy – безразмерный коэффициент подъёмной силы.

Рис. 7. Коэффициенты сопротивления воды для различных возрастных групп

Величина коэффициента подъёмной силы также зависит от формы и профиля тела, угла атаки и других факторов. Величина коэффициента резко возрастает при изменении угла атаки от нуля до 18–20. С дальнейшим увеличением угла атаки величина коэффициента резко падает. При угле атаки 90 она становится равной нулю.

Замена силы R двумя составляющими Ry и Ry является условной. В действительности имеется лишь одна сила – сила реакции воды. Направление её действия приближается к перпендикуляру, опущенному на поверхность тела или рабочих звеньев пловца, взаимодействующих с потоком.

Волновое сопротивление. При движении тела пловца вблизи свободной поверхности возникает волновое сопротивление. Оно появляется при давлении передней части тела на воду, вызывая подъем и спад воды с различным изменением формы ее поверхности, от которой образуются расходящиеся и поперечные волны.

Если посмотреть на пловца сбоку, то можно видеть, что у линии головы и плеч поднимается передняя волна. Следующая волна поднимается сзади. Впадина между передней и задней волнами расположена примерно у поясницы. Выделяют систему расходящихся волн и систему поперечных волн. Гребни расходящихся волн расположены по отношению к диаметральной плоскости под углом 40. Линии, проходящие через начало косых волн, составляют угол примерно 20 к диаметральной плоскости. При медленном плавании волны практически не видны. С увеличением скорости движения волны выделяются все более и более отчетливо.

Исследования показали, что доля волнового сопротивления в общем, гидродинамическом, сопротивлении возрастает с увеличением скорости. При скорости меньше 2 м/с доля волнового сопротивления составляет порядка 10–15 %, на скоростях более 2 м/с эта доля возрастает до 25 % и выше. При выполнении гребковых движений положение тела пловца непрерывно меняется, что также сказывается на волнообразовании, увеличивая его. Неблагоприятное влияние волнообразования проявляется еще и в том, что если скорость пловца по каким-то причинам меняется, например, замедляется, волны уходят вперед, отражаются от стенки бассейна и движутся навстречу, создавая дополнительное сопротивление. Аналогичная картина наблюдается, если два пловца плывут рядом с различной скоростью.

Ряд исследователей высказывают мнение, что именно волновое сопротивление является лимитирующим фактором, ограничивающим скорость плавания.

Сопротивление трения. Возникновение сопротивления трения обусловлено вязкостью воды и проявляется в слоях непосредственно прилегающих к телу. Этот прилегающий к телу слой воды получил название пограничного слоя (рис. 8). У поверхности тела частицы воды движутся с той же скоростью, что и тело. По мере удаления от тела скорость движения частиц воды снижается до 0 м/с. Если частицы воды движутся, не смешиваясь, без завихрений, то такой вид течения жидкости в пограничном слое называется ламинарным. Если слои воды смешиваются, то образуются завихрения – такой вид течения жидкости в пограничном слое называется турбулентным. В турбулентном слое тело испытывает большее сопротивление, чем в ламинарном.

Рис. 8. Схема обтекаемого сигарообразного тела в водном потоке

Все способы уменьшения сопротивления трения в спортивном плавании сводятся к возможно большей обтекаемости ламинарным потоком в пограничном слое:

• сглаживание выступов и неровностей на теле и в купальном костюме;

• использование купального костюма с минимальными показателями шероховатости;

• фиксация положения туловища, так как всякого рода качания тела способствуют возникновению поперечных течений и возмущений пограничного слоя [12].

В момент смены ламинарного потока турбулентным происходит скачкообразное увеличение сопротивления. Для различных тел скорость, при которой один вид течения жидкости вблизи тела сменяется другим, будет различна. Эта скорость получила название критической и зависит она от ряда факторов: формы, площади, поверхности, шероховатости и т. п.

Сопротивление вихреобразования. Сопротивление вихреобразования обусловливается вязкостью жидкости. Величина сопротивления вихреобразования во многом обусловлена формой тела. Поэтому сопротивление вихреобразования иногда называют сопротивлением формы.

При обтекании тела потоком на задней кромке возникают обратные течения. Отрываясь, течения образуют завихрения (гидродинамический след). В области завихрений давление существенно снижается, возникает разница давлений на передней и задней поверхности тела (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость величины сопротивления воды от формы тела. Цифры внутри контуров тел обозначают величину сопротивления в условных единицах

У хорошо обтекаемых тел доля сопротивления вихреобразования в общем, сопротивлении не велика. У каплевидных и веретенообразных тел – около 3–5 %, у плохо обтекаемых тел (пластина, опущенная перпендикулярно потоку) – может доходить до 100 %.

Одним из важных показателей, определяющих величину вихреобразования, является соотношение продольных и поперечных размеров тела, считается, что чем длиннее тело, тем меньше удельное сопротивление.

Тело человека, находящегося в горизонтальном положении, в целом имеет удачное соотношение продольных и поперечных размеров. Однако на теле человека имеется ряд бугристостей и выступов (за затылком, подбородком, коленями, пятками и т. п.), способствующих возникновению завихрений.

На величину сопротивления вихреобразования существенно влияет изменение угла атаки. Прирост сопротивления особенно заметен, если угол атаки превышает 8–10° (табл.1).

Таблица 1

Изменение величины сопротивления вихреобразования в зависимости от угла атаки

Исследования Б. И. Оноприенко [12] показали, что в положении скольжения преобладает влияние сопротивления трения, оно составляет 72–76 % от общего сопротивления, а волновое сопротивление достигает 1–3 % при скорости 1–1,6 м/с, сопротивление формы колеблется в пределах 17–21 %. Пловец испытывает меньшее сопротивление воды при равномерной скорости плавания. Величина встречного сопротивления воды при этом в значительной степени зависит от поперечных размеров тела и связана с весом тела, окружностью грудной клетки, шириной плеч, а максимальная скорость определяется соотношением между движущей силой тяги и преодолением встречного сопротивления.

В. Н. Платонов [14] указывает, что начиная с 1960-х годов пловцы для достижения более высокого результата перед соревнованиями сбривали волосы. Исследования показали, что после бритья существенно повышается экономичность работы и эффективность движений, значительно увеличивается длина скольжения. Улучшение результата при бритье преимущественно связано с уменьшением сопротивления трения.

В 1997 году были разработаны плавательные костюм (они покрывали тело пловца от шеи до щиколоток), позволяющие за счет особого материала уменьшить сопротивление при контакте с водой. На Олимпиаде 2000 года в Сиднее большинство спортсменов уже использовали гидрокостюмы. К Олимпиаде 2008 года в Пекине производители начали выпускать костюмы, на 80 % состоящие из полиуретана – материала, который существенно повышает эффект плавучести, а также усиливает жесткость конструкции тела, уменьшая таким образом его сопротивление в воде. То, что раньше считалось особым талантом (таким, например, отличался Александр Попов), с появлением комбинезонов стало доступно любому середняку. Только за 2008 год было установлено более 100 мировых рекордов. С 2010 года Международная федерация плавания (FINA) запретила использование гидрокостюмов [3].