游泳速度中的力學(xué)因素分析探索

楊梅

摘? 要：游泳運(yùn)動(dòng)作為深受人們喜愛(ài)的一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)可以強(qiáng)身塑體，同時(shí)它也是我國(guó)的優(yōu)勢(shì)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。涉及到水環(huán)境的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目均需關(guān)注水體力學(xué)因素，通過(guò)利用水體力學(xué)原理、優(yōu)化運(yùn)動(dòng)技巧等方式，可更好地實(shí)現(xiàn)在水中自如活動(dòng)的目標(biāo)?；诖?，本文就游泳速度中的力學(xué)因素進(jìn)行分析，旨在充分發(fā)揮出力學(xué)因素在提高游泳成績(jī)中的積極作用，以供相關(guān)人士參考。

關(guān)鍵詞：游泳速度? 力學(xué)因素? 受力作用

中圖分類號(hào)：G80? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2813（2019）06（b）-0019-02

在物理學(xué)中，對(duì)水體力學(xué)因素的研究主要?jiǎng)澐譃榱黧w靜態(tài)學(xué)及流體動(dòng)態(tài)學(xué)兩部分。游泳作為常見(jiàn)涉水運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目之一，與水體環(huán)境及流體動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。因此提升游泳速度，運(yùn)動(dòng)員需了解水體中的各項(xiàng)力學(xué)因素，明確最佳游泳方式及技巧，充分發(fā)揮出流體力學(xué)在游泳運(yùn)動(dòng)中的積極作用，獲得優(yōu)異的游泳成績(jī)。

1? 水的自然屬性

1.1 壓力

通常情況下，水深超過(guò)正常人胸部位置時(shí)，會(huì)讓人體感受到明顯的壓力，導(dǎo)致呼吸受到一定阻礙，吸氣難度加大[1]，造成此種現(xiàn)象的原因多與水的壓力有關(guān)。在實(shí)際游泳過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)員可基于水壓作用下調(diào)解呼吸或姿態(tài)，通過(guò)壓力及壓強(qiáng)的作用，為其提供在水中漂浮的條件。

1.2 流動(dòng)性

運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的力是相對(duì)。以運(yùn)動(dòng)員作為研究對(duì)象，其在游泳過(guò)程中的劃臂與蹬腿動(dòng)作會(huì)與水產(chǎn)生相對(duì)的作用力，給人體在水中前進(jìn)或翻滾等動(dòng)作帶來(lái)反作用力。水流速度與水中的壓強(qiáng)密切相關(guān)，水體壓強(qiáng)受到反作用力的影響會(huì)產(chǎn)生一定壓強(qiáng)差。

1.3 密度

密度是物質(zhì)質(zhì)量與其體積之間的比值。由于水的密度與人體密度基本相似，因此依據(jù)浮力公式，人體浮力與重力也基本相近。在因游泳動(dòng)作產(chǎn)生的力作用下，運(yùn)動(dòng)員可以將頭部露出水面，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的換氣。在換氣期間，身體露出部位面積可直接影響到人體的受力情況。在運(yùn)動(dòng)員吸氣時(shí)，因運(yùn)動(dòng)員手腳配合劃水動(dòng)作，會(huì)改變水的受力平衡性[2]。不僅如此，吸氣也會(huì)導(dǎo)致胸腔體積增大，人體浮力提升，使得重力與浮力重新達(dá)到平衡。

2? 游泳速度力學(xué)因素分析

2.1 流體力學(xué)原理

在物理流體力學(xué)中，物體受力作用情況較為復(fù)雜，為更好簡(jiǎn)化受力作用分析過(guò)程，需采用伽利略變換原理。具體而言，在人體軀干與手臂協(xié)同產(chǎn)生內(nèi)力期間，此些內(nèi)力與水體發(fā)生力的作用。在將伽利略變換原理應(yīng)用在游泳項(xiàng)目中時(shí)，人體與水之間力進(jìn)行不斷變換。人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不可僅從人體軀干及手臂等進(jìn)行分析，而應(yīng)更從游泳技術(shù)及參照物角度方面來(lái)看。

2.2 參考物的確定

明確參照物及坐標(biāo)系也是游泳力學(xué)分析的必要前提。就目前來(lái)看，大部分游泳研究均是將游泳手臂劃水的受力狀態(tài)作為研究重點(diǎn)，將人體設(shè)定為基本參照物。在人體為力學(xué)分析參照物的過(guò)程中，手臂運(yùn)動(dòng)會(huì)以肩關(guān)節(jié)為基本軸，向后以半圓弧形運(yùn)動(dòng)，手臂所有部位如上臂、手等均會(huì)受到水阻力的影響，產(chǎn)生向前的推動(dòng)力[3]。因此只有在手臂得到固定支撐時(shí)，此種作用力才會(huì)出現(xiàn)，與當(dāng)前流體力學(xué)規(guī)律嚴(yán)重不符;以游泳池作為參照物，游泳運(yùn)動(dòng)方式及其他運(yùn)動(dòng)方式存在極大的差異性。運(yùn)動(dòng)員在水中劃水的過(guò)程中，手臂無(wú)法得到固定支撐，因此向前運(yùn)動(dòng)的主要是軀干，而手臂是向后運(yùn)動(dòng)的。此種參照物的選擇可明確體現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)規(guī)律及人體無(wú)法在水體中得到固定支撐的理論，有效反映出人體在水中的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。參照物是游泳力學(xué)因素研究分析的關(guān)鍵所在，需相關(guān)研究人員找準(zhǔn)參照物，還原最真實(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3? 游泳動(dòng)作受力作用分析

3.1 手臂受力

在當(dāng)前關(guān)于游泳運(yùn)動(dòng)的書籍及教材中，均認(rèn)為手臂劃水期間，水壓中心位于前臂上，整個(gè)手臂均可受到力的作用產(chǎn)生推動(dòng)力。此觀點(diǎn)在游泳技術(shù)力學(xué)角度上來(lái)看，存在一定誤區(qū)。依舊以游泳池作為參照物，手臂是以肩關(guān)節(jié)帶動(dòng)軀干向前運(yùn)動(dòng)，手臂下部向后運(yùn)動(dòng)[4]。此時(shí)手臂受力情況為：人體做出劃水動(dòng)作時(shí)，手臂前端會(huì)產(chǎn)生力，而手臂在遇到水的阻力后，因阻力小于手臂運(yùn)動(dòng)力，會(huì)使手臂向后移動(dòng)。阻力在動(dòng)量瞬間會(huì)將力傳遞到肩關(guān)節(jié)部位。因阻力大于手臂運(yùn)動(dòng)力，會(huì)使肩關(guān)節(jié)部位向前運(yùn)動(dòng)。因整個(gè)手臂之間的力相反，且具有極大的力矩，手臂以某一點(diǎn)作為轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)，從而帶動(dòng)身體身體向前運(yùn)動(dòng)。

3.2 手臂轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)

在以游泳池為參照物的過(guò)程中，手臂劃水的轉(zhuǎn)動(dòng)位置不在肩關(guān)節(jié)，而是在手臂保持的某一點(diǎn)上[5]。轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的位置是固定不變的，在運(yùn)動(dòng)員劃水期間，轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)會(huì)因手臂長(zhǎng)短及推進(jìn)力的變化而變化，當(dāng)推進(jìn)力增大的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置越接近手掌。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究表明，運(yùn)動(dòng)員在劃水過(guò)程中，開(kāi)始點(diǎn)與推水結(jié)束點(diǎn)的距離會(huì)發(fā)生明顯改變。而游泳速度與此距離長(zhǎng)短密切相關(guān)，當(dāng)開(kāi)始點(diǎn)與推水結(jié)束點(diǎn)距離相近時(shí)，游泳速度更快，反之手臂開(kāi)始點(diǎn)與推水電結(jié)束位置越遠(yuǎn)，游泳速度越慢。

因運(yùn)動(dòng)員的游泳水平存在明顯差異，手臂上轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置也各有不同，轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)變化更可直接影響到運(yùn)動(dòng)員手臂推進(jìn)阻力面積的大小[6]。如運(yùn)動(dòng)員手臂轉(zhuǎn)動(dòng)位置與腕關(guān)節(jié)處接近，則產(chǎn)生阻力的面積僅有手掌，游泳受到的正面阻力增強(qiáng)。因此在實(shí)際游泳過(guò)程中，需使用屈臂高肘的游泳姿勢(shì)，增大推進(jìn)力面積，提升游泳速度。

3.3 壓力中心

從手臂推進(jìn)作用力角度來(lái)看，壓力中心位于前臂上，因此在為提升游泳速度，需增加及改善前臂形狀阻力與水角度。通過(guò)手臂轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，游泳水平較高的運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)明顯下移，并不只局限在前臂上，而是多集中在手掌中。同時(shí)，依據(jù)游泳速度要求，運(yùn)動(dòng)員游泳動(dòng)作也應(yīng)做出相應(yīng)的調(diào)整。如在快速游項(xiàng)目中，運(yùn)動(dòng)員應(yīng)適當(dāng)彎曲手臂，將手掌與水面之間保持垂直的狀態(tài)，更好控制水體中的壓力中心。

3.4 阻力增長(zhǎng)

通過(guò)阻力作用可知，當(dāng)游泳速度提升時(shí)，阻力會(huì)相應(yīng)增大。但事實(shí)上游泳運(yùn)動(dòng)員游泳速度的提升會(huì)導(dǎo)致手臂上轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置下降，推進(jìn)阻力面積與正面阻力面積之間的比值發(fā)生明顯變化。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)在肘部位置時(shí)，推進(jìn)力面積與正面阻力面積的比例為1︰3。當(dāng)手臂轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置移動(dòng)到腕部以上位置時(shí)，推進(jìn)力面積與正面阻力面積之間的比例為1︰7。由此可見(jiàn)，在游泳速度提高時(shí)，推進(jìn)力面積增長(zhǎng)明顯，而運(yùn)動(dòng)員手臂上的推進(jìn)力也會(huì)進(jìn)一步提高。為更好提升游泳速度，需游泳運(yùn)動(dòng)員從增強(qiáng)手臂力量練習(xí)等方面入手，不斷增長(zhǎng)手臂推進(jìn)力。

3.5 手臂動(dòng)作

依據(jù)現(xiàn)代游泳理論來(lái)看，直臂劃水的動(dòng)作具有一定局限性，需采用屈臂高肘動(dòng)作來(lái)提升游泳速度。而就手臂轉(zhuǎn)動(dòng)位置理論分析結(jié)果來(lái)看，運(yùn)動(dòng)員劃水期間的手臂轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)與壓力中心向下移動(dòng)，前臂推進(jìn)阻力減弱，屈臂高肘動(dòng)作難在優(yōu)秀游泳運(yùn)動(dòng)員中發(fā)揮出更大作用。同時(shí)，將人體軀干作為參照物，對(duì)手臂動(dòng)作狀態(tài)進(jìn)行分析，當(dāng)手臂劃水角度速度相同時(shí)，推水動(dòng)作及肘部達(dá)到相同位置，直臂劃水的速度會(huì)比曲臂劃水速度更快。

屈臂高肘會(huì)時(shí)手掌劃水的線速度降低，導(dǎo)致劃水實(shí)效性不明顯，需在原有基礎(chǔ)上加入屈腕技術(shù)，確保劃水期間的手掌以最大面積接觸到水體，切實(shí)提升劃水速度。同時(shí)，直臂劃水會(huì)使手掌線速度及劃水路徑延長(zhǎng)，增加劃動(dòng)幅度。而采用屈腕方式可保障手掌以最大面積劃水，但也會(huì)引發(fā)劃頻下降等問(wèn)題出現(xiàn)。因此為切實(shí)提升游泳速度，還需將劃幅與劃頻進(jìn)行統(tǒng)一，確保游泳速度的最大化。雖然運(yùn)動(dòng)員手臂長(zhǎng)度存在一定差異性，但通過(guò)改變游泳期間曲臂角度，可對(duì)劃幅與劃頻進(jìn)行更好控制。具體而言，手臂較短運(yùn)動(dòng)員可采用直臂劃水的方式，增加手臂長(zhǎng)度，獲得更高游泳速度;手臂較長(zhǎng)的運(yùn)行員可采用微曲臂劃水方式在，在保障力量達(dá)到極限的前提下，將手臂進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s短，更好控制劃幅與劃頻。

4? 游泳速度與力學(xué)因素的影響

4.1 阻力

游泳因受到空氣與水體阻力的影響，運(yùn)動(dòng)難度更大，消耗能量更高。由于水的密度遠(yuǎn)大于空氣密度，因此游泳需耗費(fèi)人體大約90%的能量去及抵抗水體中的阻力。水阻力及密度同時(shí)也為人體在水面上漂浮提供了必要條件。人體自身重量、肺活量的大小可直接影響到游泳速度。當(dāng)同一物體依照同樣速度下水運(yùn)動(dòng)時(shí)，水的阻力要比空氣阻力大800倍左右。深入分析水體阻力差，通過(guò)變換手掌位置來(lái)控制水體比例，是提高游泳速度的關(guān)鍵技巧。

在游泳運(yùn)動(dòng)中，人體會(huì)受到兩種不同的阻力：第一，迎面阻力，游泳前進(jìn)排開(kāi)身體前方的水而產(chǎn)生的阻力被稱之為迎面阻力，為降低迎面阻力對(duì)游泳速度造成的不利印象，需將身體盡量保持流線型的狀態(tài);第二，摩擦阻力，當(dāng)水流過(guò)人體后，水體與人體表面摩擦產(chǎn)生的力被稱之為摩擦阻力，對(duì)于游泳此種低速運(yùn)動(dòng)而言，為降低摩擦阻力大小，需從游泳設(shè)備，如泳褲設(shè)計(jì)等方面入手。

4.2 推進(jìn)力

水體中推進(jìn)力主要就是推動(dòng)人體前進(jìn)的力。在實(shí)際游泳過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)員為提升前進(jìn)速度，需針對(duì)推動(dòng)力原理對(duì)游泳動(dòng)作進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。眾所周知，作用力與反作用力大小相等，方向相反。當(dāng)運(yùn)動(dòng)向后劃臂時(shí)，產(chǎn)生力可推動(dòng)人體向前。不同游泳姿勢(shì)的推進(jìn)力大小具有一定差異性，需運(yùn)動(dòng)員對(duì)傳統(tǒng)曲臂作用與幅度進(jìn)行調(diào)整，對(duì)水體給予一定的作用力，得到更多反支撐作用力，切實(shí)提升推進(jìn)力及實(shí)際游泳速度。

5? 結(jié)語(yǔ)

總而言之，力學(xué)因素可直接影響到游泳速度，對(duì)運(yùn)動(dòng)員游泳成績(jī)至關(guān)重要。因此需對(duì)游泳力學(xué)因素進(jìn)行深入研究，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作達(dá)到節(jié)省體力、減小阻力、增加推動(dòng)力的目的。同時(shí)，在游泳期間，運(yùn)動(dòng)員還關(guān)注水環(huán)境，針對(duì)水環(huán)境特征，選擇最佳游泳姿勢(shì)。

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