ЖИЗНЕННО ВАЖНЫЙ НАВЫК 3 страница

Гидростатическое давление. Давлением (Р) называют отно­шение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности:

^F S '

Давление — величина скалярная. Единица давления (СИ): Н/м².

Н/м² = Па (Паскаль) = кг/(см/с²).

Внутри жидкости силы давления действуют повсюду. На од­ной и той же глубине давление одинаково во всех направлени­ях. Специфика свойств жидкости в отличие от твердых тел состоит в том, что давление в ней не зависит от ориентации пло­щадки, на которой это давление рассматривается.

Полное гидростатическое давление складывается из началь­ного давления на поверхность тела (атмосферного давления)

и давления столба жидкости в данной точке. Величина после­днего зависит от глубины погружения и прямо пропорциональ­на ей. Так, погружение тела на 1 см приводит к росту гидроста­тического давления на 1 г/см². Если вспомнить, что у человека только одна грудная клетка имеет площадь поверхности, рав­ную 6—10 тыс. см², то можно себе представить, сколь велико действие данной силы.

Поскольку гидростатическое давление на верхнюю и ниж­нюю части погруженного в воду тела различается и давление внизу значительно больше, на тело действует выталкивающая сила, равная в количественном отношении весу вытесненной телом жидкости. В этом заключена суть закона Архимеда. Фак­тически тело теряет в весе столько, сколько весит вытесненная жидкость, то есть вес человека в воде составляет лишь несколь­ко килограммов, его движения происходят в условиях гипогра-витации, что, в конечном итоге, накладывает глубокий отпеча­ток на характер плавательных локомоций.

Теплоемкость. Теплопроводность.Вода характеризуется теп­лоемкостью и теплопроводностью. При 20°С коэффициент удельной теплоемкости примерно в 4 раза выше, чем аналогич­ный показатель воздуха. Удельная теплопроводность воды бо­лее чем в 17 раз выше, чем удельная теплопроводность воздуха. Все это в конечном итоге приводит к значительным потерям теп­ла организмом человека. Не случайно говорят: плавание — это всегда охлаждение. В воде с температурой 25°—26°С обнажен­ный человек за одну минуту теряет тепла в два раза больше, чем в воздушной среде с такой же температурой. Правда, устойчи­вость к охлаждающему воздействию у людей совершенно раз­ная и колеблется в широких пределах. Она лучше у людей с выраженным подкожным жиром, а также специально трени­рованных к условиям плавания в холодной воде.

Преломление света.Водная среда снижает эффективность зрения. Человек, открыв глаза под водой, видит все предметы смутно и расплывчато, даже если вода прозрачна и освещен­ность хорошая. Причина этого заключается в том, что величи­на преломления (коэффициент преломления) световых лучей в воде близка к величине преломления их роговицей глаза.

Преломляющая сила глаза складывается в основном из пре­ломляющей силы роговицы и хрусталика. Показатели прелом­ления роговицы и находящейся за ней жидкости почти такие угСс у КЭ.К у обыкновенной воды, поэтому световые лучи, попада­ющие в глаз, проходят сквозь роговицу, ничуть не преломив­шись, а один хрусталик не в состоянии сфокусировать световой

поток на светочувствительных элементах, потому-то и нужна прослойка воздуха. Изображение при этом получается вполне отчетливым, только все элементы в воде кажутся на треть круп­нее, чем в действительности. Отсюда вытекает необходимость плавания в маске или в специальных плавательных очках, что усложняет организацию двигательных действий пловца.

Распространение звука. Звуковые волны распространяют­ся в воде значительно дальше, не затухая, и значительно быст­рее. Звуковые колебания в воде распространяются со скорос­тью примерно 1500 м/с, тогда как в воздухе — со скоростью 330 м/с. В силу такой большой разницы наш бинауральный слух не способен дифференцировать источник звука в воде. Кроме того, звуковые колебания воды возбуждают синхронные им колебания черепа. Возникает ощущение, что звук распрос­траняется со всех сторон. В силу отмеченных обстоятельств ориентация в воде является полностью функцией зрения. Плов­цу приходится ориентироваться по немногочисленным предме­там, находящимся в воде или на бортике бассейна, а также по берегу водоема.

Текучесть. Вода обладает текучестью. Текучесть — универ­сальное свойство любого материала любой природы. Это дефор­мационная характеристика. В механике деформацией (strain deformation) называют изменение взаимного расположения точек среды.

В физике изучением течений и деформаций занимается спе­циальный раздел реология. Реология — это наука о «деформа­ции течения» (Binghaen, 1929). По мнению Weiss (1962), — это раздел физики, исследующий деформацию и течение тел под влиянием сил, которые к ним приложены. Baylies (1962) писал, что реология исследует свойства веществ или систему веществ, оказывающих влияние на путь, по которому они движутся.

Таким образом, текучесть — это прежде всего способность материала к изменению положения его отдельных точек или в целом всего объема во времени и в пространстве под действи­ем каких-либо внешних сил (или причин).

Текучесть воды сравнительно высокая. Это дает возможность пловцу перемещаться в заданном направлении, раздвигая от­дельные слои жидкости. В то же время существует большая трудность для реализации двигательной задачи, поскольку опо­ра — подвижная. Значит, усилия нужно прикладывать строго определенно, чтобы создать опору, и это обстоятельство долж­но быть положено в основу элементарных требований к техни­ке плавания.

где: F —сила внутреннего трения; А — площадь соприкосновения; v — относительная скорость граничных плоскостей среды;

а — расстояние между граничными плоскостями; г] — динамическая вязкость, коэффициент внутреннего трения.

Единица СИ динамической вязкости: [rj] = паскаль-секунду (Па • с) = Н • с/м² = кг/(мс).

Соотношение между единицами динамической вязкости:

Кроме понятия «динамическая вязкость» применяются по­нятия «текучесть» и «кинематическая вязкость».

Текучестью (со) называется величина, обратная динамичес­кой вязкости:

где: г] — динамическая вязкость.

Единица текучести (СИ): [со] =м²/(Н • с)=1/(Па ■ с). Кинематической вязкостью v называется отношение ди­намической вязкости к плотности среды:

где: г\ — динамическая вязкость; р — плотность среды.

Единица кинематической вязкости (СИ): [v] = м²/с.

Соотношение между единицами кинематической вязкости:

1 стоке (Ст) = 10 ⁴ м²/с; 1 сСт = 10'⁶ м² /с.

Инертность. Частицы жидкости обладают инертностью. Это означает способность частиц сохранять состояние относитель­ного покоя или прямолинейного равномерного движения, пока какая-либо внешняя причина не нарушит этого состояния. В переносном смысле — это продолжающееся влияние причин, условий, сил. Это — пассивность, неподвижность, бездеятель­ность. Пассивность частиц жидкости создает трудности для ка­чественной мощной опоры в воде.

Поверхностное натяжение жидкости. Из всех удивительных свойств воды наименее известна ее способность образовывать чрезвычайно прочную пленку на поверхности. Поверхностное натяжение обусловлено силами притяжения между молекула-

ми. Внутри жидкости они взаимно компенсируются. На моле­кулы, находящиеся вблизи поверхности, действует некомпен-сируемая результирующая сила, направленная внутрь от по­верхности. Поэтому, чтобы переместить молекулу из глубины на поверхность жидкости, надо совершить работу против этой результирующей силы. В результате на поверхности жидкости молекулы обладают определенной потенциальной энергией.

Сила поверхностного натяжения воды настолько велика, что на поверхности удерживаются предметы, которые, казалось бы, плавать не должны. Если на поверхность воды осторожно положить стальную иголку или лезвие безопасной бритвы так, чтобы неловким движением не разорвать пленку, эти предме­ты не утонут.

Известно, что жизнь многих насекомых связана с поверхно­стной пленкой. Они не способны плавать, нырять и никогда не выходят на сушу, они скользят на широко расставленных ко­нечностях, как лыжники по поверхности снега. Надо заметить, что кончики их лапок покрыты множеством волосков.

Ученые давно заметили, что чем чище вода, тем больше нуж­но усилий, чтобы разорвать ее поверхность. Молекулы раство­ренных в воде веществ (в первую очередь, газов), вклиниваясь между молекулами воды, делают ее менее прочной. Очищенная вода (конечно, не абсолютно) обладает удивительной прочнос­тью. Чтобы разорвать столбик диаметром 2,5 см, нужно прило­жить силу около 900 кг! (B.C. Сергеев, 1969). Примерно такова прочность некоторых сортов стали. А чтобы разорвать столбик такой же абсолютно чистой воды, нужна сила, равная 95 тон­нам! Если бы на Земле где-нибудь были такие условия, по по­верхности воды можно было бы ходить или скользить на конь­ках, как по настоящему крепкому льду.

Сегодня трудно в полной мере оценить значение данного свой­ства воды для технй*ки плавания. Сведений в литературе, по крайней мере по плаванию, нет. Вместе с тем уместно было бы вспомнить, что движения пловца совершаются на поверхно­сти на границе двух сред — воды и воздуха.

Таким образом, рассмотрены некоторые свойства воды. Ра­зумеется, не все, а лишь некоторые — те из них, которые в наи­большей степени определяют технику плавания. Теперь есть возможность с этого базисного уровня более глубоко рассмот­реть то, что определяет взаимоотношения пловца с водой. Та­кой подход позволит наполнить отмеченное знание конкретным практическим содержанием и логически завершит переход от теории к практике.

Гидростатика

Знакомство с гидромеханикой естественно начать с ее наи­более простой части — гидростатики.

Рассмотрим частный конкретный случай: тело находится в воде неподвижно, при этом на него действуют силы тяжести и силы гидростатического давления.

Силы тяжести направлены вертикально вниз, силы гидро­статического давления — перпендикулярно к поверхности во всех ее точках. Сила тяжести постоянна по величине, прило­жена к точке, называемой «общий центр тяжести» (ОЦТ), рас­положенной, как правило, в пределах объема тела и, посколь­ку сила — векторная величина, есть направление вектора — вертикально вниз (рис. 3).

Разность гидростатического давления на верхнюю и нижнюю части тела обусловливает действие выталкивающей силы. Рав­нодействующая всех сил гидростатического давления приложе­на к точке, называемой «общий центр давления» (ОЦД). Вектор силы направлен вертикально вверх. В количественном отношении она равна весу вытесненной жидкости. Это находит свое отражение в известном законе Архимеда.

Таким образом, возникает ситуация, когда две силы действу­ют одновременно и противоположно направлены (см. рис. 3). Если предположить, что силы действуют в одной вертикальной плоскости, то возникает три разных следствия: а) сила тяжести превалирует над выталкивающей силой; б) одна сила уравнове­шивает другую; в) наоборот, выталкивающая сила превалиру­ет над силой тяжести. Соответственно, тело либо тонет, либо всплывает, либо находится во взвешенном состоянии; в этом случае плавучесть можно характеризовать как отрицательную, нейтральную или положительную.

Равновесие может быть устойчивым и неустойчивым.

Неустойчивым положение будет тогда, когда ОЦТ окажется
расположенным выше ОЦД. Силы приложены к разным точ­
кам и действуют в разных вертикальных плоскостях, при этом
возникает момент
вращения. Он бу­
дет продолжаться
до тех пор, пока
силы не будут дей­
ствовать в одной
вертикальной пло­
скости. Рис. 3. Действие сил в воде на неподвижное тело

Как выглядит картина относительно горизонтально распо­ложенного человеческого тела?

На рис. 3 видно, что ОЦТ расположен в области тазобедрен­ных суставов, а ОЦД — выше по позвоночному столбу (ближе к голове). Расстояние между этими точками — 8—10 см. У жен­щин оно меньше, чем у мужчин.

Чем меньше расстояние между ОЦТ и ОЦД, тем выше гори­зонтальная устойчивость в воде (плавучесть).

Можно ли сблизить эти точки? Можно. Для этого необходи­мо выполнить сгибание в тазобедренных и коленных суставах (подтянуть колени). Конечно же, это благоприятно для паузы, для отдыха, но не для движения.

Для того чтобы при движении тело пловца сохраняло поло­жение горизонтальной плавучести, нужно выполнять компен­саторные движения ногами.

Практика показывает, что у квалифицированных пловцов — хорошая горизонтальная плавучесть. Многие из них могут дос­таточно долго находиться неподвижно на поверхности воды в горизонтальном положении.

Если же взять обычного человека, то в условиях горизонталь­ного положения он долго находиться не может: его ноги тонут, вытянутое горизонтально тело постепенно переходит в положе­ние «вертикальной плавучести».

Плавучесть зависит от целого ряда различных факторов. Среди них: плотность воды, морфотип человека, поза пловца в воде, особенности расположения подкожного жира, степень заполнения легких воздухом и др.

Плотность воды зависит от содержания в ней солей. Именно поэтому плавучесть более высокая в морской воде, плотность которой, как правило, выше плотности человеческого тела. Ут­верждают, что в некоторых местах морского побережья можно свободно, без движений, лежать на воде и даже читать газету.

Средняя плотность тела человека определяется соотношени­ем костной, жировой и мышечной тканей. Плотность жировой ткани равна 0,92 — 0,94; мышечной — 1,04 — 1,05. Самая тя­желая — костная ткань, особенно трубчатых костей: величина ее плотности в среднем составляет 1,7 — 1,9. Во многих случа­ях высокая плотность связана с тяжелым костяком, большой мышечной массой и малой жировой прослойкой. Преобладание в этом соотношении жировой ткани способствует увеличению плавучести.

Жироотложение является для пловцов специфическим при­знаком, причем интерес представляет не только количествен-

ная характеристика подкожного жира, но и тип его распреде­ления. Пловцов отличает пониженное расположение жира на ногах и особый характер его распределения вообще.

Возрастная динамика величины подкожного жира у пловцов четко .указывает на присущие полу различия: девочкам свой­ственна более высокая степень его отложения. В 10—11 лет между пловцами — мальчиками и девочками — нет различий в средней величине кожно-жировых складок, а в 12 лет у маль­чиков уровень развития подкожного жира даже выше. Этот факт объясняется разной направленностью динамики гормо­нальных сдвигов и различиями сроков вступления в период пу­бертатного развития.

Наиболее интенсивное увеличение подкожного жира отме­чается у девочек при наступлении менструального цикла.

У юношей-пловцов изменение массы подкожного жира но­сит прямо противоположный характер: по мере вступления в пубертатный период отложение жира у них уменьшается.

Таким образом, динамика жироотложения отражает гормо­нальные изменения в организме и может служить критерием оценки степени физического развития пловцов.

Более стабильный признак — величина мышечного индекса пловцов. Несмотря на то что в возрастной динамике всегда есть его изменения, он четко отражает половой диморфизм: во всех возрастных группах у мальчиков и у юношей величина мышеч­ного индекса достоверно выше, чем у их сверстниц, причем с возрастом у мальчиков-пловцов он последовательно возраста­ет, особенно в 10—11 и 13—14 лет*.

Плавание предъявляет жесткие требования к специфическим для этого вида спорта качествам. В конечном итоге особеннос­ти строения тела женщин — рельеф тела и его покров, мень­ший удельный вес, свойственная женской конституции высо­кая чувствительность кожного анализатора, — способствуют лучшей биологической приспособленности к передвижению в водной среде, создают им преимущества в адаптации к специ­фическим условиям водной среды. У мужчин это находит свое проявление в развитии костяка и мускулатуры, пропорций тела и других особенностей конституции.

При анализе признаков телосложения и физической подго­товленности пловцов часто используется такой параметр, как активная масса (мышечная масса + масса костной ткани). Лю­бопытно, что в зависимости от плавательной специализации

* Т.С. Тимакова, 1985.

данный параметр имеет отличия. Так, у специализирующихся в кроле спринтеров активная масса составляет 72,3 % от общей массы тела, у средневиков — 72 %, у стайеров — 68,4 % (Н.Ж. Булгакова, 1986).

Показатель активной массы находится в высокой корреляци­онной связи с величиной относительной силы спортсмена и, кро­ме того, определяет характер его физической работоспособности.

Процентное содержание жировой ткани у спринтеров выше, чему стайеров.

У специализирующихся в кроле на спине относительный вес активной массы составляет 70,5 %, при этом он незначительно отличается от такового у представителей других способов пла­вания. Жировой ткани у них — 8,6 % . Вместе с тем относитель­ный вес костной ткани у них значительно меньше, чем у пред­ставителей других плавательных специализаций. По мнению Н.Ж. Булгаковой (1986), это имеет немаловажное значение для успеха при плавании на спине.

У специализирующихся в плавании способом дельфин актив­ная масса составляет 71,6 %. Они имеют наибольший относи­тельный вес жировой ткани (11 %) и почти такой же низкий процент костной ткани, как у «спинистов».

У мужчин, специализирующихся в комплексном плавании, активная масса составляет 71,4 % .

Пловцы, работа которых носит выраженный скоростно-си-ловой характер, имеют большие величины веса тела, обхватных размеров, мышечной массы. К ним относятся кролисты-сприн­теры, а также представители дельфина и брасса.

Успеха в плавании на спине добиваются спортсмены с силь­ными руками. Это довольно «легкие» пловцы, у которых по сравнению с представителями спринтерского кроля и дель­фина небольшие вес тела и масса мышечной ткани.

Специализирующиеся в комплексном плавании (по показа­телям обхватов, площадей сечений и составу тела) приближа­ются к специализирующимся в спринтерском кроле, дельфине и брассе.

У брассистов средние по величине обхваты пояса верхних конечностей, самые большие обхваты бедра и соответствующих площадей сечений, большие вес тела и масса мышечной ткани.

У женщин, специализирующихся в разных способах плава­ния и на разных дистанциях, разница в составе тела не столь значительна и статистически недостоверна (Н.Ж. Булгакова, 1986). К примеру, величина относительной мышечной и актив­ной тканей у представительниц спринтерских дистанций в кро-

ле не отличается от таковой у стайеров. Возможно, это признак недостаточной силовой подготовленности спринтеров.

Самый большой показатель абсолютной и относительной массы активной ткани имеют брассистки.

По таким показателям, как абсолютная масса жировой тка­ни, спортсменки высокого класса, специализирующиеся в раз­ных способах плавания, не отличаются друг от друга. Жиро­вые складки у них преобладают на задней поверхности плеча, животе, бедрах и голени, отражая тенденцию локализации жировой прослойки у женщин, не занимающихся спортом.

Плавучесть зависит от показателя жизненной емкости лег­ких (ЖЕЛ). У мужчин-пловцов высокого класса ЖЕЛ состав­ляет 6,0—7,0 л; у женщин — 5,0—5,5 л.

Чем больше ЖЕЛ, тем выше плавучесть.

Выделяют возраст наиболее интенсивного прироста показа­телей ЖЕЛ: 11—12 лет для девочек и 13—14 лет — для маль­чиков; соответственно возраст крайне низкой интенсивности прироста: 14—15 и 15—16 лет.

При полном глубоком вдохе плавучесть всегда выше, чем при полном глубоком выдохе. Это обусловлено тем, что масса тела при этом остается такой же, изменяется лишь объем тела: на вдохе, разумеется, он больше, соответственно меньше удель­ный вес, или плотность тела.

По средним данным удельный вес при полном вдохе дости­гает 0,976; при нормальном вдохе он равен 0,993; при полном выдохе — 1,038 г/см³.

Удельный вес мужчин-пловцов I спортивного разряда при полном вдохе равен в среднем 0,977, тогда как студентов ин­ститута физической культуры, не специализирующихся в спортивном плавании, достигает в среднем 0,990.

Удельный вес женщин при полном вдохе равен в среднем 0,965; при полном выдохе — 1,046.

Удельный вес пловцов-стайеров (0,967) меньше, чем пловцов-спринтеров (0,988) (данные Н.А. Бутовича, 1962).

Можно ли практическому работнику определить среднюю плотность тела пловца? Можно, если имеется специальная «шахта» (аквариум), где по объему вытесненной жидкости лег­ко рассчитать средний показатель плотности.

В лабораторных условиях используется метод биопсии: де­лается забор кусочка ткани, который в дальнейшем подверга­ется химическому расщеплению и анализу.

Однако наиболее прост тест на плавучесть (рис. 4). После вы­полнения испытуемым полного глубокого вдоха его фиксируют

В положении вертикальной плаву­чести, руки вверх. Дается каче­ственная оценка: если кисти рук (возможно, и часть предплечий) «вы­глядывают» изводы, плавучесть че­ловека положительная или относи­тельно хорошая; при отрицательной же плавучести человек полностью скрывается под водой. Если кончи­ки пальцев вытянутых вертикально вверх рук едва касаются поверхно­сти воды, — плавучесть нейтраль­ная. Практика показывает, что занимающиеся, предварительно объединенные в пары, с большим удо­вольствием выполняют это задание.

Исследования, проведенные на больших выборках, дают все основания сделать вывод о том, что 85 % людей имеют положи­тельную плавучесть.

Но, несмотря ни на что, есть один весьма принципиальный момент, заслуживающий самого пристального внимания: сред­няя плотность человеческого тела равна (±) единице. На вдохе она чуть меньше единицы, на выдохе — чуть больше. Если же вспомнить, что и средняя плотность воды также равна единице (±), то вывод напрашивается сам собой: утонуть в воде практи­чески невозможно!Организм человека предрасположен к воде!

Умение находиться в воде без движения и в плавучем состо­янии (еще лучше: при этом уметь беспрепятственно дышать) — крайне важно в решении проблемы непотопляемости. Именно статическое плавание дает возможность отдыха на воде, особен­но в минуты психогенной напряженности. Элементарными уп­ражнениями для овладения подобным навыком являются «по­плавок», «медуза», «звезда», «стрела».

Начинать разучивать позу отдыха целесообразно в положе­нии на спине при отсутствии волн. Чтобы обеспечить устойчи­вое равновесие в воде, достаточно завести прямые руки за голо­ву. При этом центр тяжести переместится чуть ближе к голове и окажется рядом с общим центром давления. Если этого ока­жется недостаточно (ноги все-таки продолжают опускаться), можно высунуть из воды пальцы или кисти рук. Ноги сразу всплывут и появятся над водой.

Бывает достаточно раскинуть руки чуть в стороны или ши­роко развести ноги. Наконец, можно просто согнуть ноги в ко­ленях и добиться того же эффекта равновесия.

Как видно из данных примеров, есть много возможностей поддерживать горизонтальное равновесие тела в воде. Важно «почувствовать» это положение и научиться долго находиться в такой позе.

И все же главное, о чем нужно всегда помнить: плавучесть невозможна без полного глубокого вдоха. Это — непременное условие. Особенно это нужно помнить преподавателю при обу­чении элементам начального плавания.

Позу отдыха на спине целесообразно начинать разучивать на суше. При этом необходимо добиться полного расслабления мышц.

Существуют и другие способы и приемы отдыха на воде, но отмеченный выше — наиболее прост.

Гидродинамика

Весь анализ движений пловца базируется на наиболее общих закономерностях гидродинамики. Он весьма сложен. Слож­ность прежде всего заключается в том, что движения происхо­дят в плоскости, пограничной между двумя средами: водой и воздухом. Если к этому добавить принципиальное отличие водной среды, несовершенную с точки зрения гидродинамики форму человеческого тела, задачи становятся еще более труд­ными. Кроме того, при движении тело пловца постоянно меня­ет свое положение. Таким образом, движения пловца характе­ризуются целым комплексом параметров.

В этой связи представляется целесообразным разобраться в основных причинно-следственных связях, определяющих эф­фективность движений.

На движущееся тело действуют силы тяжести, силы тяги, силы гидродинамического сопротивления, подъемные силы.

Единственно неизменными и постоянно действующими яв­ляются силы тяжести, остальные силы — переменны.

Сила, с которой вода действует на движущееся в ней тело,

складывается из сил тре­ния и сил давления. Ее называют силой реакции воды. Поскольку сила — векторная величина, по правилу параллелограмма ее можно разложить на две составляющие: гори-

зонтальную и вертикальную, а за основу принять направлен­ность потока воды; при этом горизонтальная составляющая есть не что иное, как сила лобового сопротивления, а верти­кальная составляющая — подъемная сила (рис. 5).

Лобовое сопротивление может быть вычислено по формуле:

где: р — плотность воды;

S — площадь проекции тела на плоскость, перпенди­кулярную направлению движения тела; v — скорость движения тела; С — коэффициент лобового сопротивления (величина безразмерная).

Величина коэффициента С_х непостоянна. Она зависит от фор­мы и размеров тела, его ориентации относительно набегающих потоков и других факторов.

Ориентация тела в потоке характеризуется углом атаки. Угол имеет две составляющие: продольную ось тела пловца и направ­ление его движения.

С увеличением угла атаки коэффициент С_х непрерывно повышается и достигает максимума, когда тело принимает по­ложение, перпендикулярное потоку воды (угол = 90°).