Плавание

При плавании все части тела вовлекаются в движение. Пла­вание основано на взаимодействии пловца с водой, при котором создаются силы, продвигающие его в воде и удерживающие на ее поверхности.

Биомеханика плавания связана с тем, что силы, тормозящие продвижение, значительны, переменны и действуют непрерывно. «Опора» на воду создается во время гребковых движений и оста­ется переменной по величине.

Спортивное плавание включает четыре вида: вольный стиль (кроль), плавание на спине, брасс, баттерфляй.

Вольный стиль (рис. 15.30). Продвижение вперед происходит постоянно за счет смены работы рук и ног. Руки действуют под водой для продвижения вперед, а противоположное движение — вынос рук вперед — происходит над водой. Движение кисти под водой происходит без сильного отклонения в сторону при слегка согнутой руке. Оно заканчивается, когда рука выходит из воды у бедер. Затем без остановки рука переносится вперед и снова включается в эффективную работу перед плечом. Движения ног — вверх-вниз представляет собой малый тормозящий момент. Движение начинается от таза и продолжается через бедро, ко­ленный сустав, голень, голеностопный сустав вплоть до пальцев ног. При ударе вниз стопа поворачивается внутрь для повышения эффективности отталкивания.

Плавание на спине (рис. 15.31). Тело выпрямлено, плечевой по­яс лежит несколько выше таза, голова слегка подтянута к груди.

Рис. 15.30.Плавание вольным стилем (а, б, в). Старт в плавании вольным стилем (а): 1. Исходное положение: лицо пловца обра­щено вперед; плечи — над коленями, колени — над пальцами ног; положение рук вариативно. 2. Вылет со стартовой тумбочки. 3. Тело в полете вытянуто, голова ме­жду руками. 4. Тело под небольшим углом входит в воду. 5. Ноги начинают движе­ние в тот момент, когда достигнута максимальная скорость от прыжка. 6. Руки начинают гребковые движения, поддерживая максимальную скорость. 7. Через не­сколько гребков начинается дыхание. Движения ногами в кроле (б). На верхнем рисунке правая нога выполняет удар, а левая выходит в исходное положение для удара. На среднем рисунке удар выполняет левая нога. Сила отталкивания направ­лена, как показывают стрелки, не вниз, а назад. Нижний рисунок демонстрирует положение пловца при плавании с помощью ног с доской. Руки вытянуты вперед, пальцы положены на доску сверху, пловец лежит в воде, как при плавании кролем, что создает большую нагрузку для ног. в: Дыхание в кроле. На верхнем рисунке по­казано начало вдоха в тот момент, когда левая рука вошла в воду. Голова опущена и ее ось является продолжением оси тела. Средний рисунок иллюстрирует поло­жение головы в сочетании с движением правой руки. Нижний рисунок показывает, как быстро лицо поворачивается в воду после окончания вдоха

Движения рук. К началу подводного движения, продви­гающего тело пловца вперед, руки находятся на поверхности воды в выпрямленном положении над плечом. Кисть — в положении отталкивания. Руки начинают подтягивать, при этом они слегка согнуты в локтевом суставе. В конце движения под водой руки опять почти выпрямлены. Во время всей работы в воде кисть про­водится на глубине 20—30 см. Рука переносится над водой и, опус­каясь в нее, начинает новую рабочую фазу. Ритм смены рук здесь отличается от кроля. В то время как одна рука совершает движе­ние под водой, другая производит маховое движение над водой и затем погружается в воду.

Движения ног. Ноги совершают поочередно удары вверх и вниз. Здесь стопа по мере надобности разворачивается внутрь во время удара вверх с тем, чтобы повысить действенность оттал­кивания. Амплитуда движения составляет 30—50 см.

Брасс (рис. 15.32). Брасс — самый медленный стиль из четы­рех спортивных способов плавания. Это объясняется прежде всего тормозящими моментами, возникающими при вынесении рук впе­ред, а также слабо выраженным подводным движением.

Движения рук. Из вытянутого положения руки симмет­рично разводятся в стороны и несколько вниз; при этом внутрен­ние поверхности кистей, развернутые во внешнюю сторону и слегка закругленные, действуют как весла. Примерно на уровне плеч руки делают легкий мощный толчок внутрь, подводятся близко к груди и широко разводятся вперед.

зону выполнения гребка. Движения ногами при плавании на спине (б) — нога движется вверх в согнутом положении, вниз — выпрямленная. Ноги выполняют движения несколько глубже, чем при плавании кролем на груди. Вид спереди и сза­ди (в) — верхний рисунок показывает гребок левой рукой и пронос правой. Средний и нижний рисунки показывают согнутое положение руки в гребке; рука проводится близко к поверхности воды. Старт (д): 1 — наиболее распространенные исходные положения на старте: а) стопа одной ноги стоит выше другой; б) обе стопы нахо­дятся на одном уровне. Первое положение более удобно и надежно. 2. Отталкива­ние от стенки с активным движением головой. Руки выполняют мах через стороны или над головой. 3. В конце полета тело почти прямое, голова отклонена назад. 4. Голова слегка поднимается для регулирования глубины скольжения. 5. Ноги начинают движения, после чего включаются руки. Обычный скоростной поворот на спине (г): 1 — Правая рука касается стенки. 2. Голова опускается вниз; ноги сгиба­ются для повышения скорости поворота; правая рука касается стенки на глубине 50—60 см; левая поддерживает равновесие. 3. Пловец проносит ноги по воздуху к стенке. 4. Пловец готов к отталкиванию. 5. Спортсмен отталкивается, слегка на­правляя тело к поверхности воды

Движения ног. Из вытянутого положения голени одновре­менно и симметрично подводятся к тазу, при этом колени и пятки несколько разведены, ступни развернуты наружу и подтянуты к большой берцовой кости. Из этого положения, при котором пятки находятся на расстоянии 30—40 см от таза, производится широ­кий толчок разведенными ногами в стороны. При этом особенно сильно отталкиваются голенями и подошвами ступни. В затухаю­щей фазе движения ноги опять сводят вместе и выпрямляют.

Баттерфляй (рис. 15.33). Плавание баттерфляем выполняет­ся с помощью порхающих над водой рук одновременно с движе­ниями ног и корпуса, которые напоминают движения хвостовых плавников дельфина. К началу подводного движения обе руки на­ходятся впереди плеч; они подводятся под туловище одновременно. После того, как кисти обеих рук выносятся из воды в сторону от бедер, руки как можно более напряженно вновь выводятся вперед до очередного погружения.

Движение ног начинается в поясничной части. Для уве­личения силы отталкивания при ударе вниз стопы повернуты внутрь, а при ударе вверх опять становятся продолжением голени.

Плавучесть точно так же как сила, обусловленная весом тела, приложена к его центру тяжести (ЦТ), подъемная сила, обуслов­ленная весом вытесненной им жидкости, приложена к точке, на­зываемой центром плавучести.

гребок. Голова поднята для вдоха. 4. Руки закончили гребок. Голова в высоком поло­жении. Ноги готовы начать отталкивание. 5. Ноги заканчивают отталкивание. Руки вытянуты, голова опущена. Обратите внимание на высокое, близкое к поверхности воды положение ног. 6. И снова исходное положение. Движение руками в брассе (вид спереди) (б). На двух верхних рисунках — положение рук перед началом греб­ка. На следующих двух показан гребок с высоким положением локтя. Нижний рису­нок иллюстрирует положение рук перед их выведением вперед. Движения ногами в брассе (в): 1. Положение перед началом подтягивания ног. 2. Начинается подтя­гивание ног. Стопы все еще вместе, расстояние между коленями больше, чем меж­ду стопами. 3. Ноги подтянуты полностью. Стопы развернуты в стороны для того, чтобы увеличить площадь отталкивания. Начинается толчок назад. 4. Вид сбоку иллюстрирует фазу подтягивания ног. Обратите внимание на высокое положение коленей. Поворот в брассе (г): 1. Руки касаются стенки на уровне воды. 2. Тело раз­ворачивается. 3. Пловец готов к отталкиванию. 4. Отталкивание от стенки; тело вы­тянуто. 5 и 6. Руки выполняют длинный гребок до бедер. 7. Начинается выведение ног и рук в исходное для гребка положение. 8. После отталкивания ногами тело вы­ходит на поверхность воды. 9. Начинается гребок руками

При движении в жидкости твердого тела (например, шара) бли­жайший слой жидкости прилипает к нему и движется вместе с ним; остальные слои скользят друг относительно друга. Сила, действующая на твердое тело, движущееся внутри вязкой среды (жидкость), и на­правленная противоположно скорости тела, называется сопро­тивлением среды.

Если при движении тела за ним не возникает завихрения, то сопротивление среды пропорционально скорости тела v. В част­ном случае при движении шара радиусом R сопротивление среды

Число Рейнольдса удобно выражать как---- , где У = — — ве­
личина, называемая кинематической вязкостью.

Во многих случаях трудно измерять силы, которые действуют на тело, движущееся в жидкости. В этой связи для экспериментов используют аэродинамические и гидродинамические трубы.

Лобовое сопротивление. При движении какого-нибудь тела в жидкости, на него действует сила, задерживающая его движе­ние. Эту силу называют лобовым сопротивлением. Величина ее зависит от природы жидкости и от размеров, формы и скорости движущегося тела.

Как показали эксперименты в аэродинамических трубах, лобо­вое сопротивление тела или различных тел одной и той же формы

можно определить по формуле Д = - рц²АС_д, где Д — лобовое со-

противление, р — плотность жидкости, и — скорость движения жидкости относительно тела, А — характеристическая площадь и С_д — величина, называемая коэффициентом лобового сопротив­ления, которая зависит от формы тела и от числа Рейнольдса.

К сожалению, не существует единого определения А, которое было бы удобным при любой форме тела. Используются следую­щие площади:

1) лобовая площадь, т. е. площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярно направлению потока. В случае цилиндра, имею­щего высоту h и радиус г, лобовая площадь будет равна лг², если ось цилиндра параллельна потоку, и 2rh, если она перпендикуляр­на ему;

2) площадь наибольшей проекции, т. е. проекции по тому направ­лению, по которому площадь ее будет наибольшей; эту величину используют, когда имеют дело с обтеканием профиля крыла; по сравнению с лобовой площадью она имеет то преимущество, что не изменяется при наклоне профиля;

3) суммарная поверхность тела. Следует помнить, что в случае тонкой пластинки это будет суммарная площадь обеих ее сторон.

Если есть сомнения, то важно указать, какая именно из этих площадей была использована при вычислении коэффициента С_д.

На рис. 15.34 приведены кривые зависимости коэффициента лобо­вого сопротивления С_д от числа Рейнольдса для тел различной формы.

Все коэффициенты были вычислены на основе лобовой площади.

Число Рейнольдса для всех тел, кроме диска, определялось обычным способом по длине, измеренной в направлении потока; для диска же его определяли по диаметру, хотя он расположен пер­пендикулярно потоку.

В связи с отсутствием работы по лобовому сопротивлению у пловцов, мы приводим данные T.G. Lang, K.S. Norris (1966),R. Alexander (1968) полученные при изучении дельфинов. Было найдено, что при коротких «бросках» дельфин может развивать скорость до 830 см/с (около 16 узлов), а со скоростью 610см/с (около 12 узлов) способен плыть примерно в течение 1 мин. Дель­фин (Turbiopsgilli) имел длину 191 см, так что число Рейнольдса при первой из этих скоростей составляло 830-191/0,01= 1.610⁷.Профиль дельфина хорошо обтекаем. Кожа очень гладкая и ли­шена волос. Все указывает на малую величину лобового сопротив­ления.

Попробуем оценить величину лобового сопротивления для дель­фина, плывущего со скоростью 830 см/с и мощность, развивае­мую его мышцами. Лобовая площадь у дельфина длиной 191см,

вероятно, составляет около 1100 см². Коэффициенты лобового сопротивления для обтекаемых тел при числе Рейнольдса около 1,6-10⁷ близки к 0,055. Подставив эти величины в уравнение

Д = — ри²АС_д, мы найдем, что лобовое сопротивление у нашего

дельфина составляет примерно 1 /2 (830)²11000,055 = 2,0-Ю⁷ дин. Мощность равна сопротивлению, умноженному на скорость, т. е. в данном случае 8302,0-10⁷ эрг/с, или 1660 Вт. Однако от мышц требуется большая мощность, так как КПД дельфина при плава­нии не может достигать 100%; поэтому она едва ли могла быть меньше 2000 Вт. Дельфин весит 89 кг, из которых на долю участ­вующих в плавании мышц приходится, вероятно, около 15 кг. Таким образом, мощность мышц должна составлять примерно 130 Вт/кг. Это в 3 раза больше максимальной мощности, которую могут раз­вивать мышцы человека при работе на велоэргометре.

Лобовое сопротивление — не единственная гидродинамическая сила, действующая на тела, которые движутся в жидкости или нахо­дятся в потоке. По определению оно имеет то же направление, что и скорость движения жидкости относительно тела. Когда симметрич­ное тело движется вдоль своей оси симметрии, действующая на него гидродинамическая сила направлена прямо и представляет собой ло­бовое сопротивление. Но когда симметричное тело движется под не­которым углом к оси симметрии, гидродинамическая сила действует под углом к его пути. Ее можно разложить на две составляющие, одна из которых направлена назад и представляет собой лобовое сопро­тивление, а другая действует под прямым углом к первой.

Энергетика пловца. Когда человек плывет, он сообщает некото­рое количество энергии воде, чтобы продвинуться (проплыть) в ней. Это создает волну, которая в конечном счете потеряет всю сообщен­ную ей энергию в виде тепла, и поверхность воды снова станет спокой­ной. Затраченная таким образом при плавании энергия представляет собой совершенную работу плюс тепло, потерянное телом пловца.