游泳技术的流体力学理论

水静力学主要是研究物体的平衡规律，即游泳时的压力、重力和浮力问题。

1、压力：指人体入水受水压力的总称，在同一层水中压力相等，身体每下降1米增加0.01大气压，对在水中呼气和水上吸气均有影响，但通过训练能够适应。

2、重力和浮力：重力系指身体受地心引力作用，形成向下的力，即体重。

浮力系根据阿基米德定理，物体入水后必排开等量的水，由于水的难以压缩特性，以体积换取等量容积得到水的支撑力是向上的，故称浮力。

游泳时身体入水后，其重力被浮力平衡，故漂浮在水中，只有当身体出水时才受重力影响。浮力大时即使身体出水也会延缓下沉速度。

3、身体在水中的沉浮：身体在水中沉浮取决于身体密度与同体积水在4℃时的密度之比例关系，称为“比重”。

比重大的如钢铁（1:7.85）即因重力大于浮力而下沉。比重小的如木材（1：0.4-0.8）会因重力小于浮力而上浮。人体的比重能受年龄、性别、呼吸差别的影响。因身体结构、成分变化、各时间均有差异。

人体骨骼与水的比重相比，骨骼重于水，约1:1.39-1.94，男子骨骼成分总体的比例稍大于女子；肌肉、皮肤、内脏稍重于水，它占男子总体45%，女子约35%；脂肪轻于水，约1:0.914，它占男子18%，女子25%。因此女子比重轻于男子。

儿童少年时期身体结构和质量上与成年不同，儿童肌肉成分中水分较多，骨尚未骨化完全，如10岁时男孩比重为0.967,女孩为0.97；15岁男孩0.933，女孩0.988；20岁时均为1.03。

同一个人在同一时期因呼吸形成体积差会直接影响在水中的沉浮。吸气后胸腔扩大，比重相对减小，呼气后胸缩小，比重相对加大，其变化范围约从0.96-1.05之间。

4、身体的平衡现象：在水中静止时，影响平衡的因素即浮力和重力。静力的平衡即依此二力的相互作用。

水对身体各部产生浮力的合力点叫“浮心”。其位置在入水部分的几何中心。身体各部重量的合力点叫重心，由于人体各部密度不均匀，其位置在密度较大的一侧。平卧时腿的比重大，故重心靠近下肢，如重心和浮心能处在一条垂线上即达平衡。

当身体平卧两臂靠体侧时，头和胸腔比重小，腿比重大，故重心与浮心不在一条垂线上，头要上浮，腿要下沉（见图一之A）。

人体的平衡属不随遇平衡中的不稳定平衡，即原有平衡被破坏后可通姿势调整，使浮心和重心位置处在一条垂线上，如两臂平伸，使重心前移即可达到新的平衡条件（见图一之B）。

游泳时由于技术要求臂腿动作相互配合，并不停的转换，所以重心和浮心位置也在不停的变化，故平衡必希在不停的受到破坏和维持过程之间。当技术配合时机和程度适当时，其平衡受破坏的程度会小，加之调整及时，身体即会呈现较平稳的运动状态。相反如技术配合不适当，平衡受破坏程度较大，调整又不及时，必然会出现过大的起伏和扭动。故动力性平衡能力是评价技术的重要标志。

（二）水动力学原理

水动力学是研究流体动力的规律，在游泳中主要是运动要素“阻力”的应用。

1、阻力：物体运动于环境中，受到与运动方向相反的环境力影响，即物体运动的阻力。游泳时由于水的粘滞性关系，水分子间的内聚力对运动力的递减过程，即水对运动的阻力过程。

运动与阻力是同时产生的，由于阻力存在使肢体通过动作获得支撑力，又因阻力存在使身体已获的推动力消失。游泳技术即是应用阻力的技术。

例如身体向前游进，或准备动作如向前伸臂、收腿等动作的姿势应力求受阻力小。逆身体前进方向的动作如划水、蹬腿及身体摆浪动作，应力求受阻程度不断加大，不断取得水的支撑，制造推动力。在应用阻力上，改进身体姿势与加强动力同等重要，如在一定动力下，改进身体姿势减小受阻程度，即会加快速度。

2、构成阻力的因素：

（1）形状：指物体在速度方向上或相对水流方向上形成的水绕流形状，根据物体前后形成的压力和流速变化形成的阻力，同一物体因姿势改变运动时其阻值能产生几十倍的差异。所以就成为阻力的主要因素。表示式中以C为代表符号。

（2）截面：指运动时在速度方向垂面上的投影面积，即物体使相对流动水流分开的挡水面积，表示式中以S为代表符号。

（3）速度：一般情况下阴力与速度的平方成正比，近似流线型体的要小于平方比，近似非流线型体的要大于平方比。在运动中速度变化对阻力变化起重要作用，式中以V²代表。

（4）水的密度：水的密度随温度升高而降低，当水温升高后对物体的浮力和阻力均会减小，游泳池用水规定为26℃，故研究中可视为常数忽略不计。式中以 表示。

综合以上内容，物体运动时的阻力可用下式表示：

式中由于动能与势能的倍数平衡关系，须在式前加1/2符号，使单位一致。由于表示水的阻力，式前要加负号。

（三）游泳时人体受到的阻力

1、摩擦阻力：物体相互接触并相对运动，或有运动趋势时，即产生的相对作用力称为摩擦阻力。

游泳时人体表面为非光滑面，与水接触时会有部分水分子附着于皮肤纹隙中，运动时由于水的内聚力作用即与相邻水层产生摩擦现象，水对人产生拉力，人对水产生吸力，此种现象称为外界力。

摩擦程度取决于皮肤粗糙程度与运动速度的关系。表面越粗糙被带动的水流越多，运动速度越快引起水层相互摩擦越激烈，阻力越大。靠近皮肤的水层与身体运动同速，又拉临近一层流动，依次拉引逐渐降低拉引速度，直至静止的水层，这个由动到静的水层称为“附面层”，这种现象称为内在力。其厚度和激烈程度表示阻力的大小，对流线型体来说摩擦阻力是主要的阻力成分。

人游泳时为了减小摩擦阻力影响，除保持身体流线外，要穿戴薄而光滑、吸水少的紧身衣裤和帽子，光洁皮肤，减小摩擦力。

2、压差阻力：物体运动与阻力同时产生，同时停止。物体呈静止状态时周围压力平衡，粘滞力不显示作用。运动时在物体前后方形成的压力差引起的阻力，称为压差阻力，其形成过程如图二。

图二

手掌静止时前后压力平衡，手掌因运动掌面推动相邻水流而改变方向，而手背因划动与原邻近水流产生分离趋势，掌面压力增大，背面失去原有压力成负压区，水流由掌面高压区流向背面低压区，形成压力差（见图二之B）。

由于手掌背面不流线，必吸引各方面水流填充负压区，因为的内聚力作用产生水流杂乱质点交换现象，从而形成涡旋。

根据达尼尔·伯努利定律解释不同形状物体运动时产生几十倍阻值差异的依据如下：

“在理想流体中作稳定流动时，其动能、势能和压强的总合不变”。定律的实质即能量守恒定律在液体中的应用，简化公式如下：

式中mV代表动能；gh代表势能；P代表压强；C为常数。

由于游泳时身体基本姿势是平卧，以水平运动为基本方向。其重力为浮力平衡，运动时不需要产生倾倒力矩，故对势能可忽略。上式可简化为：

1/2V+P=C

解释水的阻力，即流速大时压强小；流速小时压强即大。不同形状物体运动时的阻值差异即来自如上的因素的相互变换所形成的压力差。尤其是尾部形状更为重要（见下表及图三）。

图中数据为沃洛普林科（苏）试验材料，开关规格横径相同，仅在不同速度下阻值有差异，幂指数说明速度与阻力的关系。A-D指数小于平方比，E-I指数大于平方比。

图方平板型体（I），运动时前后压力差最大，尾部形成涡旋，正象游泳时手划水的姿势，可获最大支撑效果。

图中圆球型体（H），运动时前后压力差取决于表面曲度对水流的影响，其尾部亦产生涡旋，此种绕流形状正象高肘划水时前臂的水流切割形状，是前臂划水时最佳阻力形状。如前臂不能保证垂直划水方向，如溜肘时此水流切割即会使纵轴加长，使首尾挡水效果降低，表面曲度减小，阻值下降。

图三

图中两对运动方向相反的椎型体（D、E或F、G）在等速条件运动下，椎尖在前姿势的阻力要小于椎尖在后的姿势，因椎底在后时会因等速度运动时，伴流填充尾部分离区并起推的作用，而尖在后时水对物体尾部起拉的作用。但在加速运动条件下其效果正相反。此种形状正象脚打水时或蹬水时的水流切割形状。应充分利用脚的有利形状加速运动。

图中长短径比值更大的型体（A、B），当物体对应轴两侧形状对称，长轴与运动方向一致时，称为流线型体，这种形状前后挡水程度极小，表面曲度平缓，运动时受阻最小，其程度取决长短径比。这种形状正象游泳时身体平卧伸展的姿势，是身体在水中受阻最小的形状。

3、波浪阻力：游泳时是在水和空气两种流体间运动，由于水的密度比空气大800余倍。当身体运动时必因水的流动性关系被身体推动，使部分水拥向空气中而高出水面，形成波峰，又因水的重力作用而压回水面，形成波谷。峰、谷在水面依次传递，在水粘滞力作用下逐渐削弱直至停止。

由于运动引起的浪必然消耗人的动能，同时加大水分子的动量，增加身体的阻力。所以游泳时应尽量减小身体前面的波浪影响。

在水下运动，由于动作推动水层也要向各方向扩散生般速度下可扩至30厘米，因而作出发和转身后滑行时，身体应在水下30厘米处可防止水扩散至水面形成波浪，因而增加人的能量消耗，使滑行速度降低。同样道理手划水时也应距身体30厘米距离，可避免臂手合力推动水流冲击身体。

4、不同运动速度下三种阻值比重的变化：中山大学用人体模型在水槽中按不同速度测得阻力，并分析其成分变化数据（见表二）。

游泳时如上三种阻力是难以避免的，它们随运动速度增长而提高。速度增长较慢时阻值增加较为平稳，当速度超过1.6米/秒时，浪的增长会大大超过其他阻力增长的幅度。总阻值中三种阻力比重变化与各阻值变化正相反，摩擦阻力和压差阻力所占比重随速度加快而下降，而浪的比重随速度加快而增加。由低速至中速增加幅度最大，由中速至高速幅度相对减小。

因此提高游泳速度时，改进身体姿势减小浪的影响是极其重要的。