摘要
游泳降落伞常作为阻力训练设备使用，但其附加负荷及前方游泳者的水动力影响尚未明确。本研究探讨了 4 种不同尺寸商用降落伞在 3 种条件下的阻力系数（k）：(a) 无前方游泳者拖曳时（k_para），(b) 由被动（流线型）游泳者牵引时（k_Ppara），(c) 由主动推进游泳者牵引时（k_Apara）。通过机电装置测量 k_para 和 k_Ppara（拖曳力与拖曳速度平方的比值，不同速度下进行 5 次试验），采用剩余推力法通过全系留和半系留力测量 k_Apara。结果显示，表面积分别为 400、529、900 和 1600 cm² 的降落伞，其 k_para 值分别为 15.4±0.1、19.7±0.1、37.2±0.1 和 73.9±2.8 N・s²・m⁻²。被动游泳者牵引时，降落伞阻力降低约 21%；主动游泳者牵引时，阻力增加约 15%。差异可能与 drafting 效应（跟游效应）和附加质量效应有关。本研究数据可帮助教练仅通过降落伞尺寸和游泳速度量化训练中的附加负荷。

关键词：拖曳；系留；游泳者；水上运动；爬泳；水动力阻力

引言

陆地力量训练常被纳入游泳运动员的训练计划，因其对推进力有积极影响（1,14,24）。尽管部分研究发现陆地力量训练可提升游泳表现（9），但另一些研究未支持该结论（16,21），指出动作特异性不足（21）和力在水环境中的传递有限。由于对最有效的陆地力量训练方法尚无共识（6），近几十年来游泳教练转向使用水中力量 / 功率增强方法。研究发现，使用阻力带（8,9）、水碗（10,11）或游泳降落伞（12,17,23）等阻力设备进行水中力量训练，可产生与陆地训练相似的提升效果。与阻力带的可变负荷不同，水碗和游泳降落伞因负荷恒定而更受教练青睐（12）。此外，阻力设备对运动表现有积极影响，且不影响游泳技术、协调性和生物力学参数（10,11,17,23）。
与陆地运动相比，量化和监测水环境中的机械负荷具有挑战性。因此，游泳教练在日常训练中常使用阻力设备而不监测实际施加的负荷。迄今为止，关于游泳阻力设备附加负荷的科学研究有限（3,19），这些研究探讨了不同尺寸和形状降落伞的阻力与速度的关系，但未考虑降落伞前方游泳者的水动力影响。
因此，本研究旨在评估三种条件下降落伞的阻力系数：(a) 无前方游泳者，(b) 被动（流线型）游泳者后方，(c) 主动推进游泳者后方，以量化该设备的附加负荷及其对游泳表现的影响。此外，为考察降落伞表面积对阻力产生的影响（3），对不同尺寸的降落伞进行了分析。

方法

问题的实验方法

本观察性研究探讨了不同商用游泳降落伞在三种条件下的水动力阻力：使用被动拖曳法（7），研究无前方游泳者时降落伞的阻力（k_para，方案 1），以及被动流线型游泳者后方 1.5 米处降落伞的阻力（k_Ppara，方案 2）；使用剩余推力法（阻力游泳测试，4），研究主动游泳者后方 1.5 米处降落伞的阻力（k_Apara，方案 3）。被动拖曳测试中使用同一机电装置（Swim-Spektro；Talamonti Spa，意大利）控制游泳者速度（v_TOW）以测定 k_para 和 k_Ppara，半系留测试中控制外部负荷（F_ST）并测量游泳者速度（v_ST）以测定 k_Apara（见图 1）。测试了四种不同表面积的扁平方形降落伞：(a) P20（400 cm²；Nabaiji，法国），(b) P23（529 cm²；Nabaiji），(c) P30（900 cm²；Finis, Inc.，美国），(d) P40（1600 cm²；Stretchcordz，美国）。
测试前，所有游泳者通过多次训练熟悉实验流程，随后进行 1000 米中低强度热身。全系留测试始终先进行，其他方案和降落伞条件在两个测试日随机进行（间隔至少 2 天）。每次测试持续少于 8 秒，随后进行 4 分钟主动休息以恢复并减轻疲劳影响。测试在 25 米泳池中进行，水温 27°C。

受试者

14 名训练有素的游泳者（12 男 / 2 女）参与本研究（均值 ± 标准差；年龄 25.1±6.8 岁；身高 180.1±5.6 cm；体重 76.0±6.7 kg；短距离 50 米爬泳成绩 FINA 积分 581.6±84.8）。游泳者平均训练经验 10±3 年，前一年每日游泳至少 5 公里。测试前向参与者充分解释流程，并告知研究的风险与益处，获得个人书面知情同意。本研究符合《赫尔辛基宣言》，并经博洛尼亚大学伦理委员会批准（批准号：0335732）。

程序

Swim-Spektro 装置通过非弹性线连接，用于评估不同恒定速度（1.0、1.3、1.6、1.9 和 2.2 m・s⁻¹）和拖曳条件下的被动阻力（D_P）（即无降落伞 nP、P20、P23、P30、P40；见图 1 上半部分方案 1 和 2）。利用二次关系 D_P = k・v_TOW² 计算阻力系数（k；18）：(a) 无前方游泳者时的降落伞阻力系数（k_para；方案 1）；(b) 被动流线型游泳者的阻力系数（k_Psw；方案 2a）；(c) 被动流线型游泳者通过腰带连接降落伞时的阻力系数（k_Psw+para；方案 2b）。k_Ppara 通过 k_Psw+para 与 k_Psw 的差值计算。Swim-Spektro 速度校准程序详见 Cortesi 等人（4）。
随后进行 1 次全系留和 25 次最大强度半系留游泳测试以完成方案 3（见图 1 下半部分）。所有测试采用爬泳（不呼吸）进行，以评估游泳者的主动阻力系数（k_Asw；方案 3a）和带降落伞的主动阻力系数（k_Asw+para；方案 3b）。通过连接负荷传感器（Globus，意大利）的不可伸长绳索记录 8 个最大划水周期的数据，计算全系留游泳时的最大力（F_T）。随后，对每种游泳条件（nP、P20、P23、P30、P40），记录 5 次不同恒定负荷（0 至 80% F_T）半系留游泳中 8 个划水周期的数据，使用 Swim-Spektro 装置记录相应游泳速度（v_ST）。
如 Cortesi 等人（4）所述，主动阻力系数 k_A 可通过 v_ST 和 F_ST 值拟合方程 F_ST = F_P - k_A・v_ST² 估算，其中 F_P（估算的全系留力）和 k_A 为输出参数，F_ST 和 v_ST 为输入参数（补充数字内容 1，http://links.lww.com/JSCR/A601）。最后，k_Apara 通过 k_Asw+para 与 k_Asw 的差值确定，主动条件下的阻力计算为 D_a = k_A・v²。使用置于手腕的惯性测量单元（Movella dot，美国）分析 0% F_T 测试中的划水频率（SR），通过划水周期持续时间的倒数计算（5），以验证不同条件下游泳技术的一致性（15,22）。所有数据分析使用 Excel（Microsoft Excel 2020）和 Matlab（MathWorks，美国）。被动和主动游泳程序详情见补充数字内容 2（http://links.lww.com/JSCR/A602）。

统计分析

k_para、k_Ppara 和 k_Apara 以均值 ± 标准差表示。采用双因素重复测量方差分析（ANOVA）统计分析 k_Ppara 和 k_Apara 的差异：第一因素为降落伞类型（P20、P23、P30、P40），第二因素为游泳条件（k_Ppara 和 k_Apara）。若主因素显著，采用 Holm 事后分析定位差异。对所有降落伞，采用单样本 t 检验比较 k_Ppara 和 k_Apara 与 k_para 的差异。划水频率采用单因素重复测量 ANOVA 分析，降落伞条件为单一因素（nP、P20、P23、P30、P40），并进行 Holm 事后分析。最后，进行回归分析以获得基于降落伞尺寸估算 k_Apara 的预测方程。显著性水平设为 p≤0.05，通过 Shapiro–Wilk 检验确认样本分布正态性。

结果

表 1 报告了每种降落伞类型的所有阻力系数均值 ± 标准差。ANOVA 分析显示主因素（降落伞类型和游泳条件）及其交互作用均显著（p 均 < 0.001）。降落伞类型的事后分析表明，表面积越大的降落伞，k_Ppara 和 k_Apara 值越高（p 均 < 0.001）。游泳条件的事后分析显示，k_Apara 显著高于 k_Ppara（P20 和 P23，p≤0.05；P30 和 P40，p≤0.001）。
单样本 t 检验显示，所有降落伞的 k_Ppara 显著低于 k_para（p≤0.001），而 P30 和 P40 的 k_Apara 显著高于 k_para（p≤0.001），P20 和 P23 无显著差异（p=0.686 和 p=0.199）。各降落伞阻力系数（k_para、k_Ppara、k_Apara）的阻力与速度的二次关系见图 2。
划水频率存在显著主效应（p=0.030），但事后分析显示仅 P40 与 nP 条件存在显著差异（p=0.025）。

讨论

为量化降落伞的附加负荷及其对游泳表现的影响，本研究探讨了不同尺寸游泳降落伞产生的水动力阻力，比较了无前方游泳者拖曳、被动流线型游泳者后方拖曳和主动游泳者后方拖曳三种条件。
研究的关键发现是不同游泳条件对降落伞阻力系数的影响。被动流线型游泳者后方拖曳时降落伞阻力低于单独拖曳，可通过 “跟游效应” 解释，该效应已在人体实验（2）和计算（20）中得到验证。本实验条件下观察到的阻力降低与 Chatard 研究（2）中降落伞与游泳者脚趾保持相同跟游距离时的平均约 21% 降幅一致。相反，主动游泳者牵引时未观察到降落伞阻力降低，此时阻力高于无游泳者情况（平均约 15%）。一种可能解释是两种水动力效应的综合作用：游泳者踢腿引起的流向跟随者（此处为降落伞）的水流加速（13），以及游泳者的划水周期内速度变化，两者均可能导致更高的阻力峰值（3）。根据附加质量理论，最大降落伞的更大表面积可能放大该效应：事实上，P30 和 P40 的阻力系数在主动游泳者条件下显著高于其他降落伞。
本研究的实际发现是量化了市售不同降落伞的附加阻力。与 Cortesi 等人（3）仅研究无游泳者拖曳降落伞的结果一致，本研究表明即使在主动游泳条件下，表面积仍影响降落伞的阻力系数。

实际应用

本研究中不同尺寸降落伞与其阻力系数的强相关性使我们能够提出估算任意尺寸降落伞阻力的方程（图 3）。因此，游泳教练只需输入降落伞尺寸和给定游泳速度，即可通过图 3 中的方程估算设备产生的附加负荷（补充数字内容 5 中的计算器，http://links.lww.com/JSCR/A605）。如图 3 标准差所示，参与者间降落伞阻力差异不可忽视（平均变异系数 14.7%），可能影响个体估算。然而，该预测可帮助教练在训练中量化降落伞产生的附加阻力。此外，应用该方法时需注意通过划水频率监测游泳动作，因大尺寸降落伞已被证明会影响划水频率（11）。这一教练最易控制的生物力学参数可通过置于泳帽下的节拍器设定。