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奥运物理:物理学家怎么看待游泳专项力量
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奥运物理:物理学家怎么看待游泳专项力量
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fenderlee
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fenderlee
fenderlee
发表于 2012-8-16 22:22:42
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在奥运会上想要获得一块金牌是很不容易的,而要打破记录更是难上加难。那么一个物理学家是怎么看待这个问题的呢?
罗马,FINA
游泳
世锦赛,2009年7月31日,男子50m
自由泳
半决赛,在水下拍摄到的巴西游泳运动员Cesar Cielo;拍摄:Francois Xavier Marit//法新社/盖蒂图片社
要成为冠军难,要打破纪录难上加难。不妨来看看50m自由泳比赛的情况。
在该项比赛中,运动员游一个游泳池的长度。他们只是跳入水中游到头,不需转身,而在长25m的游泳池中游50m则需转身。转身与不转身之间的差别在于,在长50m游泳池中,男子纪录为20.91秒,而在长25m游泳池中,男子纪录为20.30秒。显然,运动员滚翻转身用脚蹬池壁时速度得到提高。
使用2009年巴西运动员Cesar Cielo在50m游泳池中创造的世界纪录可得出平均速度:
换种单位,这一速度也可表为5.3mph(每小时英里)。当然,这一速度包括开始跳入水中时的较高速度。因此把奥林匹克50m自由泳运动员在水中的速度定为2.2m/s并不不靠谱。
但是运动员个个想争冠军,怎样才能游得更快?试看下面运动员的受力图。
Fthrust=推力;Fdrag=阻力;Fup=向上力;mg=重力
在该图中,运动员作匀速运动,这就是说,合力必须为0(在这里,力为矢量)。在这里,虽然垂直方向上的力无关紧要,但不妨指出,向上的力为浮力与运动员运动造成的“升力”的合力。
在其它的力中,阻力是由运动员与水的碰撞造成的,该力使得运动员在整个比赛过程中无法不断加速。该力以某种方式决定于速度,不过目前我们只须知道它与运动员的运动方向相反即可。推力是运动员使用手臂和腿部在水中划水的结果。
重要的是,推力是运动员使劲的结果,或是运动员使用能量在水中前进的结果。这些都与功率有关。看待功率的一种方式是把功率看做在多少时间内做了多少功。在这里,功等于施加的力(推力)与游过的距离的乘积。当然,功要比上述定义稍复杂些,但在这里这一定义足够用了(我是说这一定义在这里足够用了,懂我的意思吗?)
结合功率和功的定义,可得:
其中,距离只是某一段距离,时间为游过该段距离的时间。啊哈!这不就是平均速度吗。正是,这使得游泳所需的功率与距离无关。
此外,由于运动员作匀速运动,因此推力的大小必须与阻力的大小相等。阻力以某种方式决定于运动员的速度。但如何推算这一与速度有关的阻力?最好用某种实验方法测量阻力。在这里,设阻力与速度成线性正比关系,因此在水中匀速游泳所需推力可表为:
其中,b为决定于运动员身材和形状(以及所穿的是什么样的游泳衣)的常数。从而可知,运动员的功率与速度平方成正比。
其中的一些值多大?首先,运动员在短时内可生成什么样的功率。这个问题很难回答,因为这决定于运动员是怎么游的。此外,功率的测量可不是一件容易的事。《最大强度练习中运动员动力输出的实验室测量》一文提出,短时内的最大功率约为1200瓦。如使用这一功率和Cielo的世界纪录,可得出阻力系数(b)的值:
如要打破Cielo的纪录,游泳的平均速度得是2.21m/s而不是2.2m/s,所需功率如下:
速度从2.2m/s提高到2.21m/s相当于速度提高了0.5%。这需要功率提高0.8%,在教练看来,这也许算不了什么,但对在水中想突破体能极限的运动员来说,这0.8%可是大了去了。
物理
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