Плавание. Техника и методика обучения плаванию. Добро пожаловать!

Основные физические законы для водной среды


Основные физические законы для водной среды

Статическое плавание

Известно, что главным фактором, определяющим технику плавания, являются некоторые физические законы, в частности законы гидростатики и гидродинамики.

Под статическим плаванием следует понимать такое плавание, при котором на тело человека, находящегося в воде без движений, действуют две силы: сила тяжести (вес тела), направленная вниз, и подъемная сила воды, действующая кверху.

В зависимости от соотношения силы тяжести (FT) и подъемной силы воды (FB) могут быть три случая положения тела в воде: а) если FT больше, чем FB, то тело тонет; б) если FT равно FB, то тело находится в нейтральном положении (состояние равновесия); в) если FT меньше, чем FB, то тело всплывает на поверхность воды.

Плавучесть тела

Плавучесть тела - это его способность держаться на поверхности воды. Она определяется подъемной силой воды.

У человека различают вертикальную и горизонтальную плавучесть. При вертикальной плавучести силы FT и FB расположены вдоль продольной оси тела, а при горизонтальной они перпендикулярны к этой оси. Горизонтальная плавучесть оказывает положительное влияние на технику плавания.

Плавучесть зависит от удельного веса тела человека.

Тело человека состоит из неоднородных по своему составу тканей: костной, мышечной, жировой и др. Удельный вес костей равен 1,7-1,9, мышц - 1,04-1,05, жира - 0,92-0,94. На первый взгляд может показаться, что эти данные удельных весов не позволят человеку удержаться на поверхности воды. Для того чтобы человек не тонул, его средний удельный вес должен быть равен или меньше удельного веса воды. Удельный вес человека зависит от объема жировой ткани, от соотношения весов костей и других тканей, от объема легких и степени наполнения их воздухом.

Обычно удельный вес тела человека при полном вдохе составляет 0,97, при полном выдохе-1,2, а при нормальном вдохе соответствует удельному весу воды, т. е. не превышает 1,0.

У людей, регулярно занимающихся плаванием, удельный вес тела существенно уменьшается за счет увеличения жизнен ной емкости легких, которая в большинстве случаев составляет 5500-7000 см3. По данным Института физической культуры им. П. Ф. Лесгафта, пловцы имеют следующие показатели удельных весов: при полном вдохе -0,976, при нормальном вдохе- 0,993 и при полном выдохе - 1,038.

На плавучесть тела человека оказывает большое влияние степень погружения частей тела в воду. Наибольшая плавучесть наблюдается тогда, когда тело человека погружено в воду. В этом случае подъемная сила давления воды будет максимальной. Если пловец поднял из воды голову или руку, то он уменьшил подъемную силу воды на величину веса воды, объем которой равен объему головы или руки. Так как вес тела есть величина постоянная, не зависящая от степени погружения частей тела в воду, то вес руки или головы будет той силой, которая в данном случае уменьшит плавучесть и будет способствовать движению всего тела вниз.

Именно поэтому в спортивном плавании поворот или поднимание головы для вдоха, а также пронос рук над водой произ< водится с достаточной быстротой. Когда голова или рука находятся над водой продолжительное время, то для поддержания тела на поверхности воды надо увеличить подъемную силу давления воды за счет выполнения ногами и рукой, находящейся в воде, интенсивных движений.

Если человеку надо опуститься под воду с поверхности (например, при нырянии в глубину), он резко поднимает из воды руки и верхнюю часть туловища. Подъемная сила воды при этом значительно уменьшается и сила тяжести направляет тело пловца вниз.

Следует помнить о том, что почти каждый человек имеет вертикальную плавучесть, которая обеспечивает ему плавание на поверхности воды в вертикальном положении без всяких движений.

Плавучесть тела зависит от плотности среды. Если плотность жидкости увеличивается, то увеличивается и плавучесть тела. Обычно плотность морской воды на 15-25% больше, чем плотность дистиллированной воды при 4° С. Поэтому в морской воде тело пловца находится на поверхности в несколько приподнятом положении.

Горизонтальная плавучесть тела человека в большой степени зависит от взаимного расположения общего центра тяжести1 и общего центра плавучести2. На положение общего центра тяжести большое влияние оказывают конституция тела, соотношение объемов отдельных тканей человеческого тела и их удельных весов.

Равновесие тела

Плавание. Основные физические законы для водной средыПлавание. Равновесие тела Под равновесием понимается способность тела находиться в состоянии покоя В зависимости от положения тела существует горизонтальное и вертикальное равновесие. Вертикальное равновесие зависит от соотношения величин силы тяжести (FT) и подъемной силы воды (FB), а горизонтальное -как от соотношения этих сил, так и от их взаимного расположения.

Представим себе тело человека, находящегося в горизонтальном положении на поверхности воды (рис. 2). К общему центру тяжести (ОЦТ) тела приложена равнодействующая сил тяжести - FTt направленная вниз. Равнодействующая всех выталкивающих сил воды - FB приложена к общему центру плавучести (ОЦП) и направлена вверх.

Если между ОЦТ и ОЦП по горизонтали имеется расстояние, равное L, то при равенстве сил FT=FB=F на тело будет действовать момент пары сил M=>FL. Этот момент будет вращать тело человека до тех пор, пока оно не примет вертикального положения.

Этот пример показывает, что, когда тело находилось в горизонтальном положении, оно не было в состоянии равновесия. Когда же оно заняло вертикальное положение - состояние вертикального равновесия стало налицо; силы взаимно уравновесились, а момент пары сил обратился в нуль.

Значит, для того чтобы тело пловца находилось в состоянии горизонтального равновесия, необходимо, чтобы момент пары сил обращался в нуль при горизонтальном положении тела. Этого возможно достигнуть лишь в тех случаях, когда ОЦТ и ОЦП совпадут или будут находиться в непосредственной близости друг от друга (1-2 см). В последнем случае момент пары сил будет незначительным и им можно пренебречь.

Следует особо отметить, что искусственное сближение у пловца ОЦТ и ОЦП за счет изменения положений конечностей и перегруппировки мышечных напряжений не приводит к положительным результатам, так как в технике плавания воспользоваться указанными действиями для достижения равновесия тела под влиянием статических сил не представляется возможным. Поэтому пловцы с "тяжелыми" ногами могут сохранять горизонтальное положение тела на поверхности воды за счет дополнительных мышечных усилий, развиваемых ногами пловца при поступательном движении.

Таким образом, для спортивного плавания необходимо отбирать таких людей, у которых была бы ярко выражена горизонтальная устойчивость тела (постоянное или длительное равновесие).

Динамическое плавание

Динамическим плаванием называется поступательное движение пловца, при котором на его тело действуют четыре силы: силы тяжести (FT), подъемная сила (Р), сила тяги (FTяги) и сила встречного сопротивления (R). Сила тяжести является постоянной гидростатической силой. Величины остальных трех сил меняются в зависимости от различных причин, которые рассматриваются ниже. Подъемная сила является результирующей: она состоит из рассмотренной ранее гидростатической подъемной силы воды и некоторых гидродинамических подъемных сил. Гидродинамическая сила встречного сопротивления возникает в результате поступательного движения пловца в воде, которая имеет большую плотность и вязкость. Основным условием динамического плавания является реакция опоры (воды), которая возникает на гребущей поверхности в результате движения конечностей. Эта реактивная сила и будет гидродинамической силой тяги.

Общий закон сопротивления воды

Гидродинамическая сила встречного сопротивления воды не является постоянной. Она изменяется в зависимости от скорости продвижения пловца, его миделева сечения формы тела и плотности среды.

При движении пловца с равномерной скоростью общий закон сопротивления водной среды может быть выражен следующей формулой: R=1/2*CpSV2

где С - коэффициент обтекаемости, зависящий от формы тела человека и вязкости жидкости; р - плотность воды; S - миделево сечение; V - скорость пловца.

Формула показывает, что сопротивление воды возрастает, если ее плотность, т. е. масса частиц, заключенных в одной объемной единице, увеличивается. Такое сопротивление повышается по закону прямой пропорциональности: если плотность воды увеличить в 1,3 раза, то и сопротивление движению в ней человека увеличится в 1,3 раза. На величину встречного сопротивления оказывает большое влияние миделево сечение пловца, которое также изменяет сопротивление воды по правилу прямой пропорциональности: чем меньше величина миделева сечения, тем меньше величина встречного сопротивления. Это правило требует, чтобы тело пловца в любом способе плавания принимало горизонтальное положение, при котором миделево сечение будет минимальным. Однако, учитывая некоторые необходимые колебания тела пловца вокруг поперечной оси в пределах одного цикла движений, следует рекомендовать располагать тело на поверхности воды под определенными углами в зависимости от способов плавания, скорости движения пловца и его индивидуальных особенностей. Из формулы видно, что сопротивление воды изменяется пропорционально квадрату скорости движения пловца. Это значит, что если пловец увеличил скорость движения в 1,5 раза, то сопротивление воды возрастает в 2,25 раза. Известно также, что любое изменение скорости связано с появлением ускорения, которое приводит к возникновению дополнительной гидродинамической силы сопротивления (Рдоп=ma).

Указанная зависимость сопротивления от изменения скорости плавания приводит к выводу о том, что техника плавательных движений и методика подготовки пловца должна обеспечить ему проплывание всех отрезков дистанции с одинаковой скоростью и приблизить к равномерной скорость продвижения пловца внутри каждого цикла в любом способе плавания.

Рассмотренное выше гидродинамическое сопротивление воды возникает в результате действия двух видов сопротивлений: сопротивления трения и сопротивления нормального давления. Последнее слагается из вихревого и волнового сопротивления.

Сопротивление трения

Сопротивление трения возникает в результате взаимодействия поверхности тела с водой, обладающей свойством вязкости. Существует два вида трения: внешнее и внутреннее.

Внешнее трение - это трение тела о близлежащий (пограничный) слой воды. Шероховатая поверхность тела и вязкость воды вызывают действие такой силы трения, которая удерживает прилегающий к телу слой воды на его поверхности и обеспечивает движение этого слоя со скоростью пловца. Следовательно, внешнее трение не позволяет пограничному слою воды скользить по поверхности тела.

Внутренним трением называется трение частиц воды между собой.

Свойство вязкости воды таково, что оно позволяет соседним слоям скользить относительно друг друга. Наибольшую скорость движения имеют те слои воды, которые располагаются ближе

к пловцу: здесь скольжение одного слоя относительно другого минимальное. По мере удаления слоев воды от поверхности тела пловца скольжение увеличивается, а скорость движения воды падает. В результате трения пловец приводит в движение около одного кубометра воды, непроизводительно расходуя определенное количество своей энергии.

Трение можно уменьшить, если принять более высокое положение тела на поверхности воды. Этого можно достигнуть за счет повышения эффективности гребковых движений, которые в свою очередь повышают скорость плавания. Кроме этого, в целях уменьшения трения пловцы тренируются и выступают в соревнованиях в плавательных костюмах, изготовленных из материала, имеющего малый коэффициент трения (шелк, капрон, водоотталкивающая ткань и др.).

Сопротивление вихреобразования

Плавание. Сопротивление вихреобразованияПлавание. Сопротивление вихреобразования Вихревое сопротивление возникает в связи с разностью сил давления воды впереди и сзади пловца. Когда пловец перемещается в воде, то впереди него образуется область повышенного давления, в которой он приводит в движение частицы воды. На это затрачивается определенная часть его энергии. В это же время сзади пловца образуется область пониженного давления. Попав в область пониженного давления, частицы воды по закону трения "прилипают" на мгновение к нижней поверхности тела (ногам) и некоторое время движутся вперед. В следующий момент эта часть воды отрывается (отстает) от нижней поверхности тела и на ее место поступают новые порции воды, движущиеся непрерывно спереди назад. Далее они также изменяют направление движения на обратное и т. п. Для того чтобы непрерывно изменять направление движения этих частиц воды, т. е. преодолевать вихревое сопротивление, пловец должен затрачивать большое количество энергии.

Величина вихревого сопротивления зависит от скорости и формы тела. Проделаем следующий опыт. Возьмем неполный цилиндр (рис 3) и будем двигать его в воде с равномерной скоростью. Полученное сопротивление примем за единицу. Если закруглить передний конец у цилиндра и замерить его сопротивление при той же скорости, то оно уменьшится в 2,5 раза; если закруглить задний конец, то сопротивление будет в 3,5 раза меньше; если закруглить оба конца, то сопротивление уменьшится в 5 раз, а / если придать цилиндру сигарообразную форму, сохранив при этом миделево сечение, то сопротивление уменьшится в 25-30 раз.

Отсюда следует, что для уменьшения вихревого сопротивления необходимо улучшить обтекаемость тела пловца: определить оптимальные пределы положения тела на поверхности воды (углы "атаки"), правильный угол выноса рук вперед во время подготовительных движений, уменьшить выход ног из плоскости тела, найти оптимальный прогиб в пояснице и др.

Сопротивление волнообразования

Волны образуются под действием сил тяжести частиц воды в результате движения тела пловца, а также ударов по воде руками и ногами. В результате этих явлений частицы воды поднимаются выше обычного уровня ее поверхности и затем опускаются вниз. Для того чтобы поднять частицы воды выше уровня ее поверхности, пловец расходует часть своей энергии. Кроме того, он затрачивает энергию на преодоление волн и на удержание собственного равновесия в результате дополнительного раскачивания.

Таким образом, волновым сопротивлением называется та часть полного сопротивления воды, которая приходится на образование и преодоление волн.

При движении пловца образуются носовые, кормовые и поперечные волны. Как правило, величина этих волн зависит от уровня техники плавания: начинающий пловец всегда создает большие волны, у мастера спорта - волны незначительные.

При плавании под водой скорость движения возрастает: одна из причин этого явления - отсутствие волн.

Размеры волн зависят от формы тела, его колебаний, амплитуды движений руками и ногами, скорости движения тела, а также от глубины и размеров бассейна. Уменьшения волнового сопротивления можно достигнуть за счет создания наиболее устойчивого горизонтального положения тела, быстроты опускания рук в воду, уменьшения величины поднимания из воды ног, а также за счет нахождения оптимального темпа.

Подъемная сила и сила тяги

Плавание. Подъемная сила и сила тягиПлавание. >Подъемная сила и сила тяги Рассмотрим вопрос о возникновении подъемной силы и силы тяги при поступательном движении. Возьмем пластинку (рис. 4), которая имеет незначительную толщину (h->0), и поместим ее

в воду под некоторым углом (а), который носит название угла "атаки". В центре тяжести тела (О) приложим внешнюю силу тяги - Fтяги, которая будет передвигать тело в воде с постоянной поступательной скоростью. Движение тела вызовет возникновение гидродинамического сопротивления (R), направленного в противоположную сторону движения тела. Первоначально разложим силу R на два направления: ось тела (ОК) и линию, перпендикулярную оси (ОМ).

Получилось две силы: сила трения - Ftp и сила нормального давления Rj, которая состоит из вихревого и волнового сопротивлений. При дальнейшем разложении силы Rj на горизонтальное и вертикальное направление получим две силы: горизонтальную силу давления Fx и вертикальную силу давления Fy, которая и будет подъемной силой.

Итак, при поступательном движении пластинки в воде под некоторым углом "атаки", не равным нулю, на нее действует лишь одна положительная сила - подъемная.

Рассмотрим, как изменяются силы Rj, Fx, Fy и FTp при различных значениях угла а.

1. Если угол а равен нулю, то Rj = 0. Следовательно, Fx=0 и Fy=0, а сила FTP=R. В этом случае отсутствует вихревое и волновое сопротивление.

2. Если угол а равен 45°, то Rj = FTp=0,7R. Силы Fx=Fy= R/2

В этом случае наблюдается действие всех видов сопротивления: общее сопротивление значительно превышает его величину при угле а=0.

3. Если угол а равен 90°, то Rj=R, но так как Fy=0, то FX=R. В этом случае действует сила горизонтального давления, есть вихри и волны, а общее сопротивление является наибольшим.

Сопоставляя все три варианта положения пластинки, можно сделать вывод о том, что наилучшее положение ее при движении в воде будет такое, при котором она приближается к горизонтальному положению (угол а=3-5°), так как в этом случае будут действовать необходимая поддерживающая гидродинамическая сила, малая сила горизонтального давления и почти максимальная сила трения.

Теперь представим себе, что вместо пластинки в воде с помощью внешней силы тяги Fтяги с равномерной скоростью движется человек. Тогда при горизонтальном положении на него, кроме силы трения, будет действовать отрицательная сила горизонтального давления Fx, которая возникает в связи с наличием у человека миделева сечения.

Теоретически горизонтальное положение пловца в воде будет наилучшим, так как сопротивление будет наименьшим, а плавучесть обеспечивается действием гидростатической подъемной силы. Однако в связи с наличием миделева сечения и наклоном нижней поверхности тела положение пловца в воде определяется положительными (а в отдельных случаях и отрицательными) углами "атаки", которые колеблются в пределах от 0 до 12° и обеспечивают постоянное действие гидродинамической подъемной силы.

Плавание. >Сила тяги при гребке прямой рукойПлавание. Сила тяги при гребке прямой рукой Мы рассмотрели силы сопротивления, возникающие при движениях пластинки и пловца в результате действия внешней силы тяги. Однако пловец в воде передвигается за счет движений конечностей, работу которых обеспечивают мышечные силы. При движении конечностей в воде на их поверхностях появляются реактивные силы, действующие в противоположном направлении движению конечностей и продвигающие тело пловца вперед.

Рассмотрим, как возникает сила тяги при гребке прямой рукой (рис. 5). Наибольшее сопротивление при движении руки в воде испытывает кисть, так как она по отношению к плечевому суставу движется с наибольшей скоростью. Если учесть при этом, что сопротивление возрастает в квадрате к изменению скорости движения кисти, то станет ясно, почему кисть является основной гребущей поверхностью.

При вращательном движении руки в начале гребка спереди назад с постоянной скоростью в соответствии с законом сопротивления среды на тыльной поверхности кисти перпендикулярно к ее продольной оси возникает реактивная сила R, равная силе давления руки на воду - Rg. Эту силу можно разложить по правилу параллелограмма на вертикальное и горизонтальное направления. Сила, действующая по горизонтали и направленная вперед по отношению к пловцу, и будет силой тяги Fтяги, продвигающей пловца вперед. Сила, направленная вверх, будет подъемной силой Fп.

В середине гребка вся реактивная сила становится равной силе тяги Fтяги. В конце гребка реактивная сила R состоит из силы тяги и топящей силы (К).

Поскольку пловец постоянно испытывает действие подъемных сил, возникающих на основании закона Архимеда, а также в связи с действием встречного сопротивления (при положительном угле "атаки"), ему следует во время гребков обеспечить увеличение силы тяги (Ттяги) и уменьшить действие подъемной и топящей сил. Такая задача решается путем сгибания руки в локтевом и лучезапястном суставах. В этом случае кисть руки движется в воде поступательно на более длинном участке гребка, обеспечивая на этом отрезке пути действие лишь одной силы тяги.

 

Россия • To-swim.ru • 2010 - 2015
  Разделы:
 
  To-swim.ru:


 



Комментарии читателей на сайте

Комментарии