流体力学原理在游泳中的应用(连载)

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游泳时的阻力

人在水中活动时，无论是作花样游泳的动作造型或是游泳，都依赖身体的动作与水环境对动作的反作用力。而产生反作用力的水是一无形、流动的介质媒体。游泳者既需要利用水的浮力对活动时的身体的支撑，又需要利用水的力量推动身体前进，而水所特有的物理性质又阻碍人的前进。左右并影响人在水中活动的力被划分为两个范畴，它们是：各种阻碍人体在水中前进的力，统称为游进阻力；另一类是为使身体前进，由人肢体动作与水相互作用所形成的力，统称为推进动力。只要人在水中运动，无一例外地会遇到水的阻力。阻力的方向总是完全与身体和肢体动作的方向相对，这种阻力称为流体动力学阻力。与空气相比，水是一种密度更大的介质媒体。所以，就人在水中活动而言，水可产生比空气大许多倍的阻力。理解这两种力的物理性质的目的在于对游进阻力与推进动力这两大范畴，既对立又统一的力是如何影响作用于游泳技术有一理性的认识，从而科学地加以应用。
人体与水的相对运动决定了游进阻力的产生。经多年在该
领域研究的知识积累，人们归纳并抽象出三种阻力对人在水中的运动有决定性影响。在近一个世纪的探索过程中，研究者对它们的名称也各有解释和称谓。
一、 体表磨擦阻力
体表磨擦阻力，或称表面阻力或磨擦阻力，是当人体在水中向前运动时，身体周边的水沿着身体表面轮廓向身体运动方向相反的方向流动时所产生的一种阻力。所谓的体表磨擦，表现在水以平行的片流，依各片流不同速度，沿着相对运动的人体或物体的边界面向人体或物体运动方向相反的方向流动。由于流体粘滞性的客观存在，当流体流经人体或物体时，会产生液体分子在物体表面的浸润与粘着，使靠近物体或人体表面的片流分子与物体表面上的水分子微粒相互作用而发生磨擦，片流与其波及的外层片流的磨擦层层波及构成边界层水流，流体受粘滞性所引起的切应力制动作用的总和就是流体施加在物体或人体表面上的体表磨擦力。它的规律用下例表达式表示：
体表磨擦阻力Ffr=-Cfr。At2ρV∞2
其中Cfr：体表磨擦阻力系数（与物体表面的粗糙等因素有关）
At：物体浸水表面和总和
ρ：流体密度
V∞：相对水流速度
式中的负号表示阻力的方向与人体运动速度方向相反。
在游进阻力中，体表磨擦阻力所占的比例是3种阻力中最小的。对人游进阻力影响最大的是外形姿态阻力与波浪阻力。但游泳比赛常以百分之一秒定胜负，故减少体表磨擦阻力也很重要。选择薄而光滑的料子做成紧身游泳衣裤和帽子，或采用涂减阻油以及刮体毛等，都可减少磨擦阻力。在2000年悉尼奥运会上有部分游泳运动员穿“鲨鱼装”泳衣参赛。据报道，这种泳衣可减少阻力和增加浮力。在游进中，尽量保持高的身体位置，减少水的湿浸面积，也能减少体表磨擦阻力。

二、外形姿态阻力

外形姿态阻力，或称为形状阻力，或压差阻力。游泳时，人所感受到最明显的障碍是在水中游动过程中被排开的水对身体的压力。换言之，人在水中游动时，必须用身体将水挤开才得以前行。身体的外形姿态阻力的大小取决于游泳者身材、体型、游进时的速度，以及肢体是以什么样的变换动作姿态相对水流的运动方向。由以上这些因素的相互关系作用，决定了外形姿态阻力的大小。其关系表达式为：
FD=-1/2CDAρV2
表达公式中 FD：外形姿态阻力
CD：瞬时姿态阻力系数（与挡水的截面大小
等因素有关）
A是体表面积
ρ是水的密度
之所以将这种阻力称为外形姿态阻力，是因为阻力的变化受到与水流方向相对的肢体瞬间动态姿势的速度与形状面积变化的影响。也就是沿人体纵轴迎面相对流体所冲击到的动态轮廓面积。相对水流方向的瞬时人体轮廓面积变化越大，外形姿态阻力也就相应变化得越大，结果是身体的相对水流方向的瞬时轮廓表面形成水流冲击的高压区，而身体的后半部分表面也由于相对应的低压区的瞬时变化形成，造成水流速度的非衡定变化并伴生湍流，随身体位移速度的变化，湍流演化形成涡流，即涡旋，由此产生非衡定的负压所特有的紊乱反向的抽吸作用效果。这种作用效果是负压力净值的外在表现形式，它的作用力的方向与身体前进的方向相反。由于外形姿态阻力是由身体前后水流变化的压力差所引起的，所以过去习惯将这种阻力称为压差阻力或形状阻力。
图2-5直观的显示出相对运动物体的水流状态，由于物体前面和后面压力区域不同，所以形成的水流状态的特征也有所不同。当物体的速度增加（也就是相对物体的水流速度增加），依阻力与速度的平方成正比的定律，物体前后的高低压区域的压力差成平方级数增加。

由于人体瞬时的形态变化对流经人体的水流有直接的影响。相对水流的人体形状变化决定了人体外形姿态的阻力系数相对应的也在发生变化，在这里是指人体在姿态变化过程中相对水流时的非流线型的阻力系数。举例如物体的外形轮廓的流线型保持如图示2-5-b成水滴状，那么，与图示2-5-c的物体相比，2-5-b的阻力就要小得多。而图2-5-c的物体由于柔体性质特点，其不规则的、持续变化着的外形轮廓使流经其变化着的表面的水流速度发生快慢不一的现象，在物体持续变化的低凹处表面产生紊流和低压区，在流速加快时，就会产生相应变化的负压区。由此，阻力成平方级数增大。所谓流线型物体指相对该物体的水在流经该物体时流线平滑地流经该物体表面。除在该物体尾部末端出现少许紊流外，其余部位表面几乎无紊流现象发生，鱼类的外形轮廓就是典型的流线型物体。
理论上的流线型在人体相对水流方向游进时是不存在的。但Clary在1978年所作实验的结论表明，游泳时，人体所产生的阻力是水槽中拖拽人体游进时的两倍。实验表明人体在游进时身体保持相对的流线型姿态非常重要。图2-6表现了两种蹬离池壁后的人体滑行姿态，哪种外形姿态阻力小是一目了然的。在考虑到外形姿态阻力的同时，如能再联想到速度增加时的平方效应对阻力意味着的是什么，就不会对这一类的细节上的错误掉以轻心了。根据前苏联勃?依?沃洛普林科的试验材料（表2-1）表明：游泳时，身体纵轴与水平面夹角越少阻力也越少。

表2-1 倾斜角与阻力测定表
滑行姿势 速度 阻力（千克） 身体倾斜度增加时阻力平均值的变化
流线型平卧 2米/秒 12.8
倾斜5度内 2米/秒 14.7 0~5度时每增加一度，阻力增加0.38千克
倾斜18度内 2米/秒 19.2 5~18度时每增加一度，阻力增加0.63千克
倾斜36度内 2米/秒 30.4 18~36度时每增加一度，阻力增加0.63千克
在游进中减少外形姿态阻力的另一侧重点,就是在各泳姿动作周期的准备阶段,应尽可能地弱化外形轮廓阻力系数的突然性增加对游速产生负面影响。爬泳、仰泳和蝶泳的臂入水阶段均处在这一能使游速下降的阶段，最为典型的是蛙泳的动作周期的准备阶段，即蛙泳时人在水中向前快速伸臂和收腿（如图2-7）。假设蛙泳时躯干以1.5m/s的速度向前游进，划臂结束过渡转向伸臂的速度相对躯干为1 m/s，此时，流经双臂的速度就达到2.5 m/s，如此高速流经双臂的水流，依阻力与速度的平方成正比的定律，即可知快速伸臂时外形姿态阻力的增加变化不仅是巨大的，而且具有突然性。更有甚者，如蛙泳运动员以不规范的、非流线型的手臂姿势来完成向前快速的伸臂动作时，无疑会形成更大的外形姿态阻力。图2-7相对水流方向的肢体快速移动和体表面积增大导致外形姿态阻力急剧加大

综上所述，在游泳时，减少外形姿势阻力的办法，一是身体平直，保持流线型姿势；二是凡在水中做与身体运动方向一致的动作，应尽可能地减少挡水截面，前移速度相对减慢；三是直线游进，游进中保持稳定平衡，防止上下起伏和左右扭摆。

三、波浪阻力

波浪阻力是指当一物体通过水面，或在水下接近水面的位置，沿水平面以较快的速度巡航时所产生的一种阻力。表现在物体前部分是因物体的向前运动而在水面上掀起的波浪。由巡航的物体对水面所施加的力而形成的波浪相对于产生它的物体并形成一种阻力，它的方向与巡航的物体方向相对，阻碍巡航物体的前进。巡航物体的速度越快，波浪所造成的阻力就越大。即使巡航的物体或人的身体是完全潜没在水面之下约0.9m的深度沿水平方向以较高速度巡航时，由巡航物体或身体所产生的波浪阻力依然不会完全消除。以波动理论的有关知识解释，因物体在水中运动时，因自身形状使流线不均匀，使运动物体周围的压力呈不均匀的分布，由于游泳者的肢体动作产生涡旋，波动理论将这一切理解为水弹性介质有了产生推动的振源，水介质振动的结果即产生波，波向四处传播，因振源不是一个而是许多个，因而产生水波的重迭和干涉，使水面起伏不定，并产生波浪和涡旋。波浪阻力在人游进速度不快时阻力作用不大，但在高水平游泳比赛时，运动员快速游进的最大障碍就是波浪阻力。当运动员游速很快时，头部和肩部前面形成的波浪就会变得很大，掀起像“墙”一样的波浪压向运动员。这种像“墙”一样的波浪有个名称叫“艏波”，也称弓形波或梯形扩散波。因为它是在高速巡航的船头吃水线以上的船艏部位前与水面相互运动所生成的而得此名。其实，凡是在水一空气界面之间相对水流位移物体的前部，都会形成这种波形。它的大小区别仅在于位移物体的大小、形状和速度不同而已。
图示2-8-a表现了蛙泳运动员在划臂结束欲转入伸臂的瞬间，在该运动员胸前、肩部和面前部位形成的艏波。这种做吸气动作所造成的波浪阻力极大地阻碍了蛙泳前进的速度，如没有由运动员腰腹浪状用力和蛙泳腿强有力的蹬鞭水所获得的推进力的补尝，身体的位移速度就会丧失殆尽。图2-8为四种泳式所形成波浪的现象。

图2-8 4种泳式在高速游进时所形成的波浪现象
在游泳时减少波浪阻力的方法是，游进时身体呈流线型状态，避免抬头挺胸两脚左右分开；注意身体的稳定平衡，用力自然，游速均衡；手臂入水时尽量减少拍打动作，应顺势插入水中，以免造成波浪；转身后的滑行不要过浅。身体在水下30厘米深处可有效减少波浪的形成。

四、对游进阻力的总结和概括

游泳者都想保持相对均衡的游速，而这一理想化的均衡速度受到游进阻力的制约与障碍。由以上三种阻力所构成的游泳阻力中对人体匀速游进妨碍最为显著的是外型姿态阻力和波浪阻力。中山大学等单位科研人员采用人体模型在水槽中按不同速度测得阻力，并分析其成份变化数据如表2-2。在游泳者游进过程的每一周期里，游进阻力与推进力的相互制衡始终都在起作用。表现在游泳者的每一个动作的实际速度都是由起动――加速――降速这种非匀速的位移所构成的。而且个体的重力与浮力的差异，对外形姿态阻力和波浪阻力的系数变化的影响作用，也以隐蔽的方式参与了游进阻力与推进力相互作用和相互制衡的全过程。由于在水中游泳者身体无固定支点是相对人体在地面的各种动作均有固定支撑点而言，在水中，人的身体与水有无数个可流动支点，由于这个特点，决定了人的肢体的任何微小动作，均可招致水给予人体动作的反作用力，这些综合在一起的反作用力的方向、大小和量的积累变化均对人体的游进构成阻碍与影响，就某一瞬时人体受到重力、浮力、肢体动作的反作用力与外形姿态阻力、波浪阻力、体表磨擦阻力构成的诸多因素影响作用，其合力值决定了人体在这一瞬时的运动状态的效果。如不清楚游进阻力、重力、浮力对人游进的影响与作用的机理，就可能在学习游泳理论时对其主要的理论概念产生混淆。

四、对游进阻力的总结和概括

游泳者都想保持相对均衡的游速，而这一理想化的均衡速度受到游进阻力的制约与障碍。由以上三种阻力所构成的游泳阻力中对人体匀速游进妨碍最为显著的是外型姿态阻力和波浪阻力。中山大学等单位科研人员采用人体模型在水槽中按不同速度测得阻力，并分析其成份变化数据如表2-2。在游泳者游进过程的每一周期里，游进阻力与推进力的相互制衡始终都在起作用。表现在游泳者的每一个动作的实际速度都是由起动――加速――降速这种非匀速的位移所构成的。而且个体的重力与浮力的差异，对外形姿态阻力和波浪阻力的系数变化的影响作用，也以隐蔽的方式参与了游进阻力与推进力相互作用和相互制衡的全过程。由于在水中游泳者身体无固定支点是相对人体在地面的各种动作均有固定支撑点而言，在水中，人的身体与水有无数个可流动支点，由于这个特点，决定了人的肢体的任何微小动作，均可招致水给予人体动作的反作用力，这些综合在一起的反作用力的方向、大小和量的积累变化均对人体的游进构成阻碍与影响，就某一瞬时人体受到重力、浮力、肢体动作的反作用力与外形姿态阻力、波浪阻力、体表磨擦阻力构成的诸多因素影响作用，其合力值决定了人体在这一瞬时的运动状态的效果。如不清楚游进阻力、重力、浮力对人游进的影响与作用的机理，就可能在学习游泳理论时对其主要的理论概念产生混淆。

二、升力推进力
游泳时，由于手或脚划水、打（蹬）水动作的方向路线不是直线，而是在一条三维曲线上运动。这样，相对人肢体流动的水不仅为人体提供了向前运动的阻力推进力，而且由此也生成了第二种力――升力推进力。升力推进力，即利用升力的原理获得推动人体向前运动的一种推进力。升力这个名词给人第一印象，它是一种向上的力。但是，在游泳时，它所起到的作用并不是总向上的。翼状物体在沿旋转轨迹运动时，可产生推动物体向前运动的水平升力。直升飞机的桨叶、船舶的螺旋桨、飞机的喷气涡轮发动机里的叶片都是依升力原理来做功的。
想理解流体升力是如何产生使身体向前的推动力，就必须了解肢体动作是如何与相对的水流相互作用的。当水在流经一桨叶状物体的表面时，比如流经手掌时，产生升力的因素关键在于手掌的攻角度和手臂的运动轨迹与速度。攻角，即手掌与流经手掌的水流方向所成的倾斜角，也称为迎角。当手与相对水流方向处于一合适的攻角时，水流经划动的手的掌心面与手背面的速度是不一样的。由此，手掌与手背两个面的压强就出现了差别。依伯努利原理来解释流速与压强之间的关系，当流经一物体表面的液体的流速快时，这一物体表面的压强就会降低；当液体流经一物体表面时的流速慢时，这一物体表面的压强就会升高。划水时，手在一定攻角状态下，流经手掌两面的水流速度的不同，形成手掌两面不同的压强，使得手掌面高压区的压强向手背面低压区传导，就可使手掌获得升力（图2-10）。
攻角的手掌与相对水流的相互作用关系

升力的形成有其限定的前提条件，即物体或生物的形状，以及这一物体或生物相对水流运动的角度和方向。比如飞机的机翼，船舶的螺旋桨；又比如海洋动物，像海龟、海豹、企鹅的前鳍，鲸、海豚的胸鳍和尾巴，淡水鱼的鳍和尾以及人的手和脚。需指出的是，升力的方向与相对水流方向的划手轨迹的位点成直角关系。由此可知，升力与阻力总是以成直角关系存在的升力方向与相对气流方向呈直角关系，从高压区指向
低压区
如想获得最大升力，关键在于一是手掌的对水倾斜攻角的角度，二是手掌的形状与面积，三是相对于手掌的水流速度。高水平游泳者获得升力的途径是经过长期水中训练的结果，在每一划臂过程中保持最佳的手掌对水流方向的倾斜攻角，以获得对身体产生推进作用的最大升力。
升力表达式：FL=1/2CLAρV²
FL：流体动力学的升力
CL：手掌和前臂在划水轨迹的某一位点时的攻角升力系数
ρ：水的密度
A：手掌和前臂对水作用的单位表面积
V：相对水流速度
升力的增或减，与相对水流速度密切有关。在手掌保持一有效的攻角前提下，相对水流速度越快，获得的升力就越大。由于升力的方向与水流和阻力方向成直角的关系，所以当手臂的位置处于手指向池底横向成攻角旋转前臂向内向外转腕划动时，手臂划动所产生的升力方向就会指向身体的前方（如图2-12）。

与小臂作摇橹状拨水产生的升力推动身体向前位移
在手掌划水产生升力时，阻力同时也对手掌起作用（如图2-13）。在手掌相对水流的攻角增加度数过大时，经手掌的水流开始由层流状态变为紊流状态，此时阻力相应增加，而升力随流体紊乱而相应减少至消失。

三、手划水时的升力与阻力
由于人体肩关节与手臂的解剖关系限制原因，所以手臂划水动作所产生的力的方向不是直接指向游进方向，而是与游进方向之间有一定的夹角。有效的游泳推进力只是水对手作用力F在游进方向上的分力FZ，实际上游泳的推进力是由升力和阻力在游进方向上的分量构成的。如图2-14所示，OZ表示运动员游进方向，手掌沿V的方向划水，阻力D在游进方向分量DZ和升力L在游进方向分量LZ合成为游泳的推进力FZ。
游泳推进力的本质就是靠肢体动作产生的升力和阻力。为了能计算游泳运动员划水时的推进力大小，必须先测定游泳运动员的手的升阻系数。美国纽约哥伦比亚大学的Schileihauf采用水槽试验手段，用1：1的人手掌模型测定人手的升阻力系数，测定结果表明，所采集数据可以解释划水过程中升力与阻力的变化问题。他的试验是将手模型对水流的方向分成8个方位，即8个对水流方向的角度ψ（如图2-15-1），在每个对水流角度的情况下，手的攻角a从0°变化到90°（如图2-15-2）。在水槽中逐一测定各对水流方向角度下，手掌的攻角0°变化到90°时手模型的升力系数与阻力系数，测定结果如图2-15-3至图2-15-6所示。从左图曲线可见，升力系数随攻角a的增大趋向上升，中间在40°至50°之间为升力系数最大值，然后随攻角a的继续增加开始下降。右图曲线所表示的阻力系数是随攻角a的增加而加大，至攻角为90°时达到阻力系数的最高值。

决定划水过程中升力与阻力的大小的另一因素是手掌面积的大小，以及它在相对水流运动时的姿态。Remmonds和Bartlett曾对手掌的姿态和攻角作过风洞试验。试验结果发现：当手掌并拢，攻角相对气流50°时，手掌可获得的最大升力为12N。此时，手掌的大拇指与其余四指为同一方向。但大拇指与其余并拢的四指之间有一较宽的空隙。试验结果认为大拇指处于这一位置有助于调节气流，使手掌获得的稳定的升力姿态，并认为大拇指收展与否，与手掌攻角的稳定保持相关，其功能如同飞机的襟翼作用。试验证明，在手掌以相同姿态与气流方向成90°直角时阻力最大。手指之间开合变化对阻力有明显影响：手指完全并拢时，手掌的阻力为11.9N ；在手指充分展开时，阻力可增至13.4N。试验段气流速度代入雷诺数换算为水流速度2.1m/s。试验发现，当气流速度下降时，升力与阻力值均下降。试验结论证明阻力推进力与升力推进力均可使身体位移获得推进力。虽然用模型的测试与活动人体的数据不完全一样，但数据可作参考。
手在水下的划水动作方向由向外、向里、向下、向上、向前、向后的六个基本运动面构成，前四个运动面都在人体横截面上，后两个在人体的矢状面上。为简述手划水升力和阻力之间的关系，将手的向上、向下运动方向舍弃不作解释，那么，手的划水动作过程可简化为平面曲线的划水路线，如图2-16所示。以游进方向和人体横轴座标间的夹角来描述：当夹角为b=90°，就是直线向后的划水；b=0°就是全横向划水，b在0°―90°之间时，既有纵向又有横向的划水。所以可以看出升力和阻力共同对推进力起作用，如图2-14所示，升力L和阻力D在游进方向的分力LZ和DZ为游进推进力。
推进力中升阻力的比值随手的划水路线所处的三维座标的夹角b变化而变化。利用手模型升力系数CL、阻力系数CD的测定结果进行分析表明，在手处于划水攻角的姿态条件下，当0°≤b≤25°时，推进力中升力占60%以上，阻力占40%以下，处于划水路线这一瞬间时段为升力型路线时段。在25°≤b≤40°时，推进力中升力和阻力的比值成份大致在40―60%之间，这一瞬间时段的划水路线称为升阻型划水路线时段。当40°≤b≤90°时，推进力中阻力成份占60%以上，升力成份占40%以下，这一瞬间时段的划水路线称为阻力型划水路线时段。
实践表明，在一个划水过程的各个时段上，推进力的升阻属性的类型不是纯单一性的，图2-17为施皮茨爬泳右臂划水动作轨迹俯视图。数字表示各个间隔段的序列，1―24为入水阶段，25以后为划水。表2-3表示施皮茨划水各段升阻百分比。在整个划水过程中手也不会保持单一的手掌攻角不变。
表2-3 划水过程各时段的升、阻力百分比值。
n 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37
L/F（%）推进力类型 76L 76L 70L 65L 60LD 60LD 42LD 0D 11D 44LD 44LD 60LD 60LD
n 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49
L/F（%）推进力类型 36D 16D 10D 6D 8D 46LD 60LD 70L 76L 83L 94L 94L
L：升力型 LD：升阻型 D：阻力型

四、推动身体游进的肢体动作机理
了解肢体动作与水相互作用的机理对理解身体是如何在水中位移有直接的关系。因为游泳者是以手臂和腿脚的肢体运动与水相互作用以达到推动身体在水中前进的目的。由于手臂与腿脚在形态、关节、相对身体的解剖位置、动作的方向、幅度和功能上截然不同，所以，对它们推动身体前进的动作技术和作用分开评述。