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1 游泳流体力学分析 1. 1 游泳与波浪阻力 游泳运动员的水下蝶泳打腿技术是指没有借助自身的手臂动作获得推进力却在水下可以进行较长距 离的游进, 而在水面上游进时因身体有上下起伏产生了较大的波浪阻力, 因此较水下游进距离短, 那么应 该怎样解释水下蝶泳打腿技术的优点呢? Videler 于1993 年提出在水面游泳时由于波浪的产生而导致附加阻力的增加, 流线型的身体在接触 空气和水的界面时所遇到的阻力和相同情况在水下的阻力比较, 后者所遇到的阻力比相同的身体在3 倍 于他的宽度或身体横截面的深度时的阻力要多5 倍多. 他认为小波浪的产生和速度与身体的长度有关, 速 度越低、身体越长, 损失的能量就越小. 把这个理论运用到游泳中就可以得出如下结论: 个子高的游泳者比 身高矮的在很大意义上是有优势的, 在游进时可以减少粘附在身体上的水的质量, 从而克服了这部分水的 重力. Voro nt so v 给出了一个方程, 从而发现了身体滑动或游进时的最小深度, 即在此深度上水面上没有 波浪产生: h= v/ 2g # c, 这里h 表示身体滑动或游进时的最小深度, v 表示身体速度, g 表示重力加速度, c 是一个无量纲的波动系数. 研究表明深度在0. 3~ 0. 7 m 的地方波浪阻力可以忽略不计, 因为出发和转身 之后的滑行速度比比赛的平均速度要高, 同时在水面下滑行时不产生波浪, 因此仅仅通过打腿就可以达到 和保持高速滑行速度, 从而对整个游泳是很有利的. Lytt lle 通过使用牵引机器在不同滑行速度和深度上来测量静态阻力. 研究结果表明在水深为0. 4 m 和0. 6 m 游进时阻力比在水面上滑行时减少了10%~ 20% , 而在水深0. 2 m 滑行时其阻力会减少7% ~ 14%. 当把蹬腿动作作为一个新的因素引入到阻力测量过程中时, 人们发现当游泳者作蹬腿动作并以1. 6 m/ s 或 1. 9 m/ s被牵引时总的身体阻力会减少, 而当测试者以2. 2~ 2. 5 m/ s 被牵引时并没有明显的差别. 但是当测试者以3. 1 m/ s 被牵引且身体呈流线型无蹬腿动作时, 身体阻力减小. 15 m 出水时间和水下游进距离呈显著的负相关关系. 女子100 m 仰泳、2 00 m 蝶泳、2 00 m 蛙泳和200 m自由泳决赛也呈现同样的负相关关系, 表明出发后的水下游进距离对比赛出发时间有很大的影响.Maso n 分析了转身时间的影响. 他发现转身动作最重要的方面就是水下阶段, 其中包括蹬离池壁阶段. 对于男女运动员来说, 水下游进距离与时间对于整个转身时间都有很大的关系. 在水下游进距离越长、时间越长, 整个转身阶段成绩耗时越少.Toussaint 发现, 水面上的游进速度受到水面波浪形式的限制, 而正是其导致了波浪阻力. 当一个游泳 者在水面游泳时, 水被劈开一条游进路线, 由于在游泳者身边水流速度的不同而产生了压力, 从而导致波 浪的产生. 当速度增加时, 产生的弓形波浪的大小和惯性都会增大, 导致波浪不能迅速散去, 从而阻碍了游 泳者速度的提高. 2. 2 游泳的动力学分析 几乎各种大小的水生动物最有效的游泳运动从头到尾都有一种横波, 当身体产生波运动和向前的动 力时, 推进力把水向后推, 并保持总能量守恒, 方向和运动方向相反, 与此同时由于横波包围着身体, 身体 的摩擦力引起了液体向前的动量. 由于粘滞性阻力, 液体推开身体向后的流射可以与动量平衡. 当一个躯 体以一定的速度向前游时, 向前和向后的动量是完全平衡的, 不过它们仍然可以单独计算. 当一条鱼波动游泳时, 产生的波非常特殊, 它的形式是一系列改变旋转方向的漩涡. 当鱼的尾巴摆到 一边时, 产生顺时针漩涡, 摆到另一边时又产生逆时针漩涡. 而波动游泳中每个产生推进力的身体部位甚 至包括身体的其他部位都在做相对于头部的侧向摆动. 身体的弯曲变形、鱼尾摆动、胸鳍和背鳍的摆动都 将产生推进效果. 专家通过粒子成像技术显示并测量了鳗鱼的身体在波动游泳时产生的旋涡的大小、形状和速度, 结果 发现, 鳗鱼的身体后面将产生向后运动的两排旋涡对, 鳗鱼在身体中前部平面产生的半圆形式的波在身体 摆动过程中向后传播. 流动速度从头部向后呈线性增加, 到达尾部达到最大值. 两侧的半圆流动具有相同 的旋转方向, 这种结构称为原型涡. 鱼类通过侧面的波动增加尾部的击打频率来提高游泳速度, 通过研究金枪鱼的尾部路径的振幅发现 振幅在0. 17 到0. 20 倍身体长度之间. 在滑行弦的切线和滑行路径的轴之间的角度被称为攻角, 动物的滑 行轴和平移运动方向之间的角度称为倾角. 海豚身上的衰减分析表明, 在攻角、倾角和速度之间角度和速 度呈现负相关性. 在慢速游泳时, 海豚身体倾斜角度将近40b; 在全速游泳时, 倾角减少到20b, 当攻角大约 是20b时表现为慢速游泳, 而当攻角减小为10b时游速将提高6 倍. 在过去的10 年里, 对鱼和哺乳动物游泳的运动学研究十分深入, 分析内容广泛, 涉及领域包括: 鳍路 径尾部的观察、滑行的频率、身体路径的中线、身体的速度、波动形式和振幅、斜度和攻击的角度等. 随着研 究的不断深入, 鱼类的流体力学逐渐被人们所注意, 粒子成像技术的应用开始了一个认识鱼类和水交互作 用的新知识时代. 3 水下蝶泳打腿的人体运动学 3. 1 水下蝶泳打腿技术的动力学和人体运动 体育训练表明在水下游泳只有打腿动作时, 速度并不会比在水面用配合游速度慢. 最近国际泳联做出 了竞技游泳比赛某些规则的变化, 缘于在国际性比赛中由于运动员使用了过多的水下蝶泳打腿技术, 新规 则对出发和转身后使用水下蝶泳打腿动作的距离进行了限制, 距离为15 m, 但是这个距离还是被一些选 手充分利用, 以提高在水中进行的出发和转身后的速度. 2005 年7 月国际泳联技术委员会再次对游泳规则进行了修改, 其中对蛙泳改动比较大. 新规则称: 在 出发和转身的时候, 如果游泳选手完全在水下, 那么使用一次向下的海豚式打腿是允许的. 这一新规则的 颁布肯定了水下蝶泳打腿技术的理论意义和应用价值. 目前, 水下蝶泳打腿技术即UU S 还没有在人类游泳中得到充分研究, 早先的研究主要集中在蹼泳的 项目上. 有人对使用单片脚蹼的蹼泳技术进行了二维分析, 结果用狭窄的垂直振幅和每一个振动的周期来 表示大量的波动位移. 在1984 年的欧洲青年蹼泳锦标赛的水下录像中, 通过对决赛选手水下不同角度动 作的分析发现, 取得较好成绩的选手的动作有许多共性, 如开始向下打腿时膝关节弯曲较小, 整个水下打 腿动作中躯干和腿的摆动幅度较小. 最近的研究试着对UU S 技术进行分析, 并得到了可视技术的帮助, 通过对水中生物包括身体和四肢 的研究来分析UU S 技术. Ungerecht s 比较了蝶泳选手和海豚的游泳数据, 在运动员和海豚之间比较了相 应周期期间的上踢和下踢, 发现在相同的运动频率中海豚的上踢比较快. 他认为: / 人类的游泳者不会有效 地将水如海豚那样进行旋转是因为他们的脚踩的形状和弯曲范围的限制, 这个不足可以通过运动员加强 下踢动作来解决, 尽可能多使用像鞭打一样的动作0. 有人还对同一受试者在最大速度条件下有脚蹼和无脚蹼水下蝶泳打腿游泳技术进行了分析, 他们试着使用可视系统对游泳者的身体和腿的周围运动通过染色水进行观察. 在向上踢的第一个阶段, 仅仅膝关节的弯曲允许脚几乎垂直地移动和使大量的水处于旋转状态. 有效率的游泳者产生了一个大的静态旋涡,在向上的踢腿结束的时候, 同时在向下踢结束时会有一个小的旋涡. 无效率的游泳者在向下踢结束时则产生比较小的和翻转旋涡, 与此同时在向上踢结束时候则不产生旋涡. 3. 2 水中的波动游泳: 人体运动 运动学的研究目的是评估不同水平的游泳运动员完成水下蝶泳打腿技术时的差别. 专家分析了两组 选手) ) ) 国际级青少年选手和国家级选手. 运动员的年龄和游泳水平决定了其组别的不同, 大部分运动员 之前没有进行专门的水下蝶泳打腿技术训练. 用U US 技术进行15 m 的二次试验, 摄像机记录的区域从 池边出发并超过了7. 5 m 处, 这个距离将保证所获得推进的速度是由腿和身体完成的, 要求运动员进行 试验时水深要超过0. 5 m. 为了确定实验组之间的差别, 在进行分析之后要计算许多变量. 通过分析将打腿周期分为3 个阶段: ( 1) 向下踢; ( 2) 第一次向上踢; ( 3) 第二次向上踢. 第二和第三阶段最大的不同是脚的轨迹突然改变方向, 从一个比较垂直的方向变到较水平的方向, 这一变化是由于上踢过程中膝关节开始弯曲所致. 把该阶段和 重心的水平及垂直速度结合起来可以发现, 腿向下踢时水平速度增加, 下踢结束时其值达到最大. 有时速 度的二次峰值和前面第一次的类似, 通常出现在由上踢垂直阶段向其水平阶段过渡处. 在下踢动作时垂直 速度增加, 当脚到达这个状态之前垂直速度达到最高值, 在脚垂直运动变化之前获得最大垂直速度. 在此 情况下, 绝对垂直速度值是不同的, 下踢是上踢时的两倍. 在研究中发现了令人惊讶的数据: 重心的水平速度在打腿周期中非常一致. 只有在膝关节弯曲结束 时, 水平的速度减少到1. 6 m/ s, 在整个打腿周期的75% 时间内其水平速度都超过2 m/ s, 这表明运动员 在打腿周期中的显著表现并没有借助池壁的推进力. 当分析国际组青少年组数据时, 我们发现重心平均速度的重要相关性: ( 1) 重心水平平均速度; ( 2) 髋 部平均速度、髋部水平速度和垂直速度; ( 3) 在下踢时重心的平均速度; ( 4) 第一次上踢时重心的平均速度; ( 5) 第二次上踢时重心的平均速度; ( 6) 重心速度的最大值( 但与重心速度的最小值显著性更大) ; ( 7) 脚趾尖的平均速度; ( 8) 踢蹬动作水平位移; ( 9) 膝关节弯曲程度最大时的角度. 研究同时发现重心的平均速度 和下列两个因素之间相关性较低或没有明显的相关性, 即重心的平均垂直速度和打腿的幅度. 进行性别分 析时, 国际组表明了所有的变量值均相似. 身体角度仅仅在打腿动作的开始和结束时在水平的参考系中有 所区别. 男子的身体位置容易倾向水平方向而女子几乎对称性地在水平线上下振荡. 在竞技水平方面, 当比较国际组和国家组游泳队队员时, 发现在重心和髋部的速度、重心及髋部的水 平速度以及脚趾的速度等方面, 国际组比国家组要显著高一些, 在重心的垂直速度方面则没有什么区别, 两组之间打腿的幅度也没有什么不同, 但是国际组的身高稍高一些, 国际组相对身高的振幅百分比是34. 31% , 而国家组的百分比是36. 58%, 在水生动物中例如海豚的百分比是20%. 在两个组一个打腿动作周 期期间观察重心速度变化, 我们发现了周期中类似的速度变化, 尽管两组的速度是不同的, 髋部和脚趾的 速度变化具有类似的结果. 4 结论 ( 1) 水下蝶泳打腿技术是一套非常有效的游泳技术. 接受水下蝶泳打腿技术训练的运动员要比那些没 有采取此项技术的选手在出发阶段所花费的时间更少. ( 2) 运动员转身到15 m 出水时间与水下蝶泳打腿游进距离呈负相关关系, 单位时间内水下蝶泳打腿 游进距离越长, 转身阶段的耗时越少. ( 3) 出发或转身阶段采用水下蝶泳打腿动作游进速度快于运动员手脚配合游进速度. ( 4) 运动员水下蝶泳打腿游进过程中身体重心、髋部速度及脚趾速度值越高, 游进速度越快.
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