游泳減阻與推進(jìn)力技術(shù)優(yōu)化研究進(jìn)展

陳潔星，溫宇紅，沈思佳，彭 義，張 騰

（1.北京體育大學(xué) 中國游泳運(yùn)動(dòng)學(xué)院，北京 100084；2.福建師范大學(xué) 體育科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350117；3.北京體育大學(xué) 體育休閑與旅游學(xué)院，北京 100084；4.杭州師范大學(xué) 體育學(xué)院，浙江 杭州 311121）

運(yùn)動(dòng)員主要通過在水中增加推進(jìn)力、減少阻力或同時(shí)改進(jìn)兩者提高游泳速度（Riewald et al.，2015）。增加推進(jìn)力能夠直接提升游泳運(yùn)動(dòng)員的游速，而減阻由于不必耗費(fèi)額外的體能，被認(rèn)為是提升游泳表現(xiàn)最具效率的方法之一（Barbosa et al.，2010），因此，圍繞游泳減阻與增加推進(jìn)力的研究一直是游泳訓(xùn)練和科研領(lǐng)域的熱點(diǎn)。近20年，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)游泳減阻和推進(jìn)力的基本理論問題研究（許琦，2002；Maglischo，2016）、測量工具和方法的研究（李天贈(zèng) 等，2019；閆衛(wèi)星 等，2005；仰紅慧 等，2004；張曉俠等，2013；仲宇 等，2005；Scurati et al.，2019），以及基于訓(xùn)練與比賽監(jiān)測系統(tǒng)的減阻與增推技術(shù)優(yōu)化和訓(xùn)練研究已較為全面（林洪，2000；溫宇紅 等，2005；周曉東 等，2008），整體呈現(xiàn)基礎(chǔ)理論與實(shí)踐應(yīng)用研究不斷完善的發(fā)展態(tài)勢?；诖?，本研究對(duì)近20年游泳減阻與增加推進(jìn)力的相關(guān)研究進(jìn)行梳理，旨在總結(jié)游泳運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)過程中減阻與增加推進(jìn)力的技術(shù)優(yōu)化研究進(jìn)展，從而為我國游泳科研和訓(xùn)練提供科學(xué)依據(jù)，助力我國競技游泳的發(fā)展。

1 研究方法

本研究以發(fā)表時(shí)間在2000—2019年的文章為研究對(duì)象。中文文獻(xiàn)在中國知網(wǎng)核心期刊中檢索獲得，以“游泳”“阻力”“推進(jìn)力”為主題搜索詞，共查得48篇期刊論文和38篇學(xué)位論文，通過題目和摘要剔除了17篇期刊論文和37篇學(xué)位論文，最后納入31篇期刊論文和1篇學(xué)位論文。英文文獻(xiàn)在Ebsco、Web of Science和ProQuest等數(shù)據(jù)庫中檢索獲得，以“swimmer”“drag”為主題詞，共查得234篇期刊論文和3篇學(xué)位論文；以“swimmer”“propulsion”為主題，共查得303篇期刊論文和1篇學(xué)位論文。經(jīng)人工篩選排除非游泳運(yùn)動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的文獻(xiàn)，最后得到114篇期刊論文和4篇博士學(xué)位論文。本研究根據(jù)研究的主題和內(nèi)容對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行分類，將從減阻和增加推進(jìn)力兩個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)和梳理。

2 游泳減阻技術(shù)優(yōu)化研究

2.1 水下滑行動(dòng)作減阻研究

2.1.1 滑行深度與減阻

適宜的水下滑行深度和速度有利于滑行動(dòng)量的保持，且有助于提高出水后第一次劃水動(dòng)作的初速度（Li et al.，2017；Lyttle et al.，1998）。首先，不同深度的滑行阻力不同。運(yùn)動(dòng)員在離水面0～0.25 m時(shí)的阻力值達(dá)到最高（Novais et al.，2012；Vr Mantha，2014）。波浪阻力在水下0.6 m時(shí)接近可忽略的狀態(tài)，水下1.0 m位置時(shí)運(yùn)動(dòng)員基本不受波浪阻力的影響（Vennella et al.，2006；Zhan et al.，2017）。其次，不同速度和深度的水下滑行距離不同。一項(xiàng)模擬運(yùn)動(dòng)員水下蹬邊起始速度的研究發(fā)現(xiàn)，在滑行速度從3.1 m/s下降至1.6 m/s的過程中，在水深0.6 m位置的滑行時(shí)間比在水面滑行（離水面0 cm）多0.18 s，而第1 s時(shí)間內(nèi)在水深0.6 m位置的滑行距離比在水面滑行多約0.31 m（Lyttle et al.，1998）（圖1）。同時(shí)，另一項(xiàng)研究顯示，當(dāng)水下滑行的初速度從3.1～3.5 m/s下降至1.75～2.2 m/s時(shí)，即速度降至與水下腿速度接近時(shí)（Elipot et al.，2009；Lyttle et al.，2000），可認(rèn)為是運(yùn)動(dòng)員第一次劃水或打腿動(dòng)作的最佳啟動(dòng)時(shí)間。值得注意的是，運(yùn)動(dòng)員跳臺(tái)出發(fā)后的入水最大深度在0.92～1.03 m，其速度優(yōu)勢體現(xiàn)在出發(fā)后的7.5～15.0 m（Tor et al.，2015）。由于水下滑行受到第一次打腿時(shí)間、深度、距離、出水時(shí)間等因素的影響，應(yīng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的能力進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整。再者，不同速度和深度的水下滑行阻力不同。當(dāng)水中牽引速度在1.9～2.5 m/s時(shí)，與水面位置滑行相比，水下0.4～0.6 m位置的牽引滑行能夠降低10.7%～19.9%的阻力值（Lyttle et al.，1998）；當(dāng)運(yùn)動(dòng)員在離水面0.5～1.0 m的距離時(shí)，運(yùn)動(dòng)員的阻力值能夠降低8%～24%（Elaine et al.，2015）。運(yùn)動(dòng)員的滑行速度在1.6 m/s時(shí)，不同深度滑行產(chǎn)生的阻力值變化不大，但在速度超過1.9～2.0 m時(shí)阻力值的變化顯著增大（Lyttle et al.，1998）。最后，在不同水深的泳池（1 m、1.5 m、2 m和3 m）中，運(yùn)動(dòng)員水下滑行的阻力系數(shù)（CD）同樣隨著滑行深度的加大而減小，但是在靠近池底（約0.25 m）時(shí)阻力值略微升高（Vr Mantha，2014）。

圖1 不同深度情況下的滑行速度與距離（Lyttle et al.，1998）Figure 1.Gliding Speed and Distance in Different Depth（Lyttle et al.，1998）

2.1.2 滑行姿態(tài)與減阻

滑行過程中的身體姿態(tài)與形狀阻力關(guān)系緊密。水中滑行時(shí)的身體姿態(tài)一般包括4種：1）俯臥流線型姿勢，兩臂前伸；2）俯臥流線型姿勢，兩臂置于體側(cè)；3）側(cè)臥流線型姿勢，兩臂前伸；4）仰臥流線型姿勢，兩臂前伸。二維仿真研究結(jié)果表明，兩臂前伸流線型姿勢的阻力值顯著低于兩臂置于體側(cè)；兩臂前伸時(shí)，俯臥和仰臥流線型姿勢的CD值無顯著差異，但側(cè)臥流線型姿勢的CD值顯著低于其他3種姿勢（Marinho et al.，2011a）（圖 2）。水中側(cè)臥流線型的滑行阻力較小，可能是由于仿真模擬狀態(tài)下身體側(cè)臥狀態(tài)呈“水滴”形狀，而“水滴”形狀可以提供更好的流體動(dòng)力學(xué)特性，但也有研究指出側(cè)臥狀態(tài)的阻力值無優(yōu)勢（Marinho et al.，2011a）。此外，在水下滑行過程中，流線型姿勢使雙臂在頭部前方上下重疊，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員在蹬邊后身體重心發(fā)生輕微側(cè)向偏移，且初始速度越高，在縱軸發(fā)生偏差越明顯（Li et al.，2017），由此可見在滑行過程中要注意保持姿態(tài)平衡。

圖2 不同速度下不同身體形態(tài)的滑行CD值Figure 2.Gliding CDValue of Different Body Shapes at Different Speeds

2.1.3 呼吸方式與減阻

呼吸是影響人體沉浮的關(guān)鍵因素之一。研究發(fā)現(xiàn)，高水平運(yùn)動(dòng)員的呼吸-平衡比率（BB比率）高于初學(xué)者（Watanabe et al.，2017）。呼吸分為胸式呼吸（擴(kuò)張胸廓）和腹式呼吸（擴(kuò)張腹部）。胸式呼吸又稱肋式呼吸法或淺表呼吸，吸氣量較少，主要靠肋骨的側(cè)向擴(kuò)張來吸氣；腹式呼吸又稱膈肌呼吸，吸氣量較大，吸氣時(shí)橫膈膜會(huì)下降，把臟器擠到下方（Maruyama et al.，2015）。研究表明，水下滑行前采用腹式呼吸優(yōu)于胸式呼吸，在滑行期間（受試者雙臂置于體側(cè)的水下滑行）的前2 s和4 s內(nèi)，采用腹式呼吸能夠比胸式呼吸時(shí)多滑行0.07 m和0.12 m，同時(shí)CD下降5%。相比胸式呼吸，一方面，腹式呼吸能夠?qū)⑷梭w的浮心后移，使浮心靠近重心；另一方面，腹式呼吸能夠在減少胸廓面積的同時(shí)使腹部凸起，使軀干部位的凹凸深度減小，減少了產(chǎn)生于胸部和腹部的渦流，從而降低阻力（Pacholak et al.，2014）。

2.1.4 頭部姿態(tài)與減阻

水下滑行時(shí)頭部的位置會(huì)對(duì)阻力產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)手臂和頭部位置可以將俯臥滑行姿勢分為6種：1）兩臂置于體側(cè)，頭部微抬（雙眼目視前方）；2）兩臂置于體側(cè)，頭部保持平直（雙眼目視下方）；3）兩臂置于體側(cè)，頭部微低（雙眼目視后方）；4）兩臂前伸，頭部微抬（雙眼目視前下方，耳部置于兩臂上方）；5）兩臂前伸，頭部保持平直（雙眼目視下方，耳部夾在兩臂中間）；6）兩臂前伸，頭部微低（雙眼目視后方，耳部置于兩臂下方）。兩臂置于體側(cè)為蛙泳水下長劃臂后的滑行姿勢，該姿勢產(chǎn)生的阻力值大于兩臂前伸（Vilas-boas et al.，2010）。研究發(fā)現(xiàn)，相比于兩臂前伸時(shí)頭部上抬姿勢，兩臂前伸時(shí)頭部保持平直和頭部微低這兩個(gè)滑行姿勢的阻力值更?。–ortesi et al.，2015）；且頭部保持平直姿勢時(shí)優(yōu)于頭部微低姿勢，平直的頭部姿勢能夠降低4%的總阻力（Zaidi et al.，2008）。

2.1.5 身體形態(tài)與減阻

不同體型的運(yùn)動(dòng)員在滑行時(shí)的阻力值不同。研究發(fā)現(xiàn)，在2.2 m/s流速數(shù)值模擬下，倒三角體型的總阻力值（81.88 N）＜倒梯形（84.76 N）＜矩形（93.49 N）＜橢圓形（103.862 N）（圖3），這是由于倒三角體形與水滴形狀相似，而“水滴”體形具有更好的減阻形態(tài)（Li et al.，2015）。Naemi等（2012）揭示了倒三角身體形態(tài)在水下滑行的優(yōu)勢，研究發(fā)現(xiàn)，男運(yùn)動(dòng)員的上身細(xì)度比（fineness ratio of upper body，r＞-0.788）、胸-腰部錐度指數(shù)（chest to waist taper index，r＞0.808）、腰-臀部錐度指標(biāo)（waist to hip taper index，r＞-0.759）等指標(biāo)，女運(yùn)動(dòng)員的胸-腰部錐度指數(shù)（r＞0.732）、腰-臀錐度指數(shù)（r＞0.718）等指標(biāo)與水下滑行效率的相關(guān)度較高，研究提示較好的流線型姿勢的重要性，即滑行效率更多地取決于游泳運(yùn)動(dòng)員的形態(tài)特征（包括適當(dāng)?shù)淖藙萁嵌龋?。此外，身體形態(tài)與自身體重會(huì)同時(shí)影響游泳的附加重量（added mass），即游泳時(shí)周圍水流對(duì)人體的反作用力。體重是附加重量的主要影響因素（r2=0.84），在水下滑行時(shí)，人體會(huì)受到約1/4體重的附加重量，由此，體重也是被動(dòng)阻力（FD）的重要預(yù)測指標(biāo)之一（Benjanuvatra et al.，2001）。女運(yùn)動(dòng)員的附加重量要少于男運(yùn)動(dòng)員，因此女運(yùn)動(dòng)員的被動(dòng)阻力更低（Caspersen et al.，2010）；同樣，在相同牽引速度下，青少年游泳運(yùn)動(dòng)員滑行時(shí)的被動(dòng)阻力高于兒童游泳運(yùn)動(dòng)員。

圖3 不同游泳運(yùn)動(dòng)員體型3D模型（Li et al.，2015）Figure 3.Four 3D Virtual Models of Different Swimmer’s Physiques（Li et al.，2015）

2.2 游泳尾隨位置減阻研究

公開水域游泳運(yùn)動(dòng)中的“尾隨”一般是指運(yùn)動(dòng)員在另一名運(yùn)動(dòng)員的后方或側(cè)面游進(jìn)，以此獲得體能和戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢，從而節(jié)省體能（Bassett et al.，1991），提升游速（Chollet et al.，2000）。根據(jù)運(yùn)動(dòng)員游進(jìn)的相對(duì)位置，可將尾隨位置分為縱隊(duì)尾隨和并排尾隨。

當(dāng)2名運(yùn)動(dòng)員成縱隊(duì)游進(jìn)時(shí)，尾隨運(yùn)動(dòng)員的頭部越接近領(lǐng)游運(yùn)動(dòng)員的腳部，減阻效果越好（Beaumont et al.，2017）。實(shí)驗(yàn)研究顯示，尾隨運(yùn)動(dòng)員的氧耗量能夠下降11%、乳酸下降38%、心率下降6%、劃頻下降6%、RPE下降20%、劃幅提升6%，阻力值平均下降約26%（Chatard et al.，2003）。此外，數(shù)值模擬顯示，尾隨者的CD均值可到領(lǐng)游運(yùn)動(dòng)員的56%（Silva et al.，2008），而尾隨者的波浪阻力減阻峰值可達(dá)125%，說明該時(shí)刻波浪阻力轉(zhuǎn)變?yōu)槲搽S運(yùn)動(dòng)員的推進(jìn)力（Yuan et al.，2019）。水波理論（water wave theory）認(rèn)為，波峰表面下方的壓強(qiáng)高于波谷。結(jié)合伯努利方程可知，當(dāng)尾隨者身體前部處于波谷而后部處于波峰時(shí)，會(huì)造成尾隨者身體后部的壓強(qiáng)分布高于身體前部，較高的壓強(qiáng)分布差將推動(dòng)身體向前，產(chǎn)生推進(jìn)力；反之，當(dāng)尾隨者身體前部處于波峰而后部處于波谷時(shí)則產(chǎn)生額外的阻力。此外，領(lǐng)游者也能在一定程度上降低阻力值。當(dāng)尾隨者與領(lǐng)游者位置接近時(shí)，領(lǐng)游運(yùn)動(dòng)員頭前產(chǎn)生的波浪將在尾隨運(yùn)動(dòng)員的頭部結(jié)束，此時(shí)領(lǐng)游運(yùn)動(dòng)員腳部與頭部的壓差能為其帶來向前的推進(jìn)力（Yuan et al.，2019）。但有研究指出，當(dāng)尾隨運(yùn)動(dòng)員落后于領(lǐng)游運(yùn)動(dòng)員超過50%的身體長度時(shí)，領(lǐng)游運(yùn)動(dòng)員必須消耗額外的能量來克服阻力（Westerweel et al.，2016）。

當(dāng)領(lǐng)游運(yùn)動(dòng)員在前，而尾隨運(yùn)動(dòng)員在側(cè)后方時(shí)，領(lǐng)游運(yùn)動(dòng)員產(chǎn)生的波浪阻力與尾隨運(yùn)動(dòng)員的位置有關(guān)。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)2名運(yùn)動(dòng)員并排且橫向間隔距離≥1 m時(shí)，運(yùn)動(dòng)員間的波浪阻力干擾可以忽略，在此位置上如果尾隨運(yùn)動(dòng)員落后于領(lǐng)游運(yùn)動(dòng)員0.5～1 m，則能降低6%～7%的阻力（Chatard et al.，2003；Westerweel et al.，2016），這一位置大致在領(lǐng)游運(yùn)動(dòng)員的肩部和髖部之間（Beaumont et al.，2017）。此外，當(dāng)2名領(lǐng)游運(yùn)動(dòng)員保持并排在前，而尾隨運(yùn)動(dòng)員在2名領(lǐng)游運(yùn)動(dòng)員的正后方時(shí)，減阻程度取決于尾隨運(yùn)動(dòng)員身體所在的波峰位置（Beaumont et al.，2017）。

2.3 游泳裝備減阻研究

游泳裝備減阻研究主要著眼于泳衣和泳帽。在泳衣方面，自2009年國際泳聯(lián)決定全面禁用高科技泳衣后，相關(guān)研究及其爭議暫時(shí)告一段落。在泳帽方面，研究指出，佩戴泳帽的運(yùn)動(dòng)員在水下滑行時(shí)可以降低約15%的被動(dòng)阻力（牽引速度為 1.5～2.5 m/s）（Marinho et al.，2011b）。專業(yè)型泳帽主要為硅膠材質(zhì)，從設(shè)計(jì)上分為2D和3D泳帽。2D泳帽為兩片硅膠拼接的泳帽，由于頭部貼合較差，佩戴后會(huì)在頭部會(huì)產(chǎn)生褶皺；而3D泳帽為一體成型。研究發(fā)現(xiàn)，與2D泳帽相比，佩戴3D泳帽的運(yùn)動(dòng)員在1.9 m/s牽引速度下能夠降低6%的阻力值（Gatta et al.，2013），因此3D泳帽應(yīng)是競技游泳運(yùn)動(dòng)員的首選。3D泳帽有3種常見的表面設(shè)計(jì)：光滑型、高爾夫球凹點(diǎn)型和浮雕型泳帽（Gatta et al.，2015）。對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行了900次的水下阻力測試發(fā)現(xiàn)，佩戴不同類型泳帽的運(yùn)動(dòng)員在做流線型滑行（雙臂置于頭前）時(shí)阻力值無顯著差異，但是佩戴3D浮雕型泳帽的運(yùn)動(dòng)員在水下滑行（雙手置于體側(cè)姿勢）測試中的阻力值較高（15.9 N，1.9 m/s）。

3 游泳推進(jìn)力技術(shù)優(yōu)化研究

3.1 手部姿態(tài)與推進(jìn)力

運(yùn)動(dòng)員劃水時(shí)手指外展與內(nèi)收狀態(tài)對(duì)游泳推進(jìn)力的影響一直是游泳力學(xué)研究的熱點(diǎn)之一（袁武等，2006）。首先，運(yùn)動(dòng)員在劃水的不同階段需要考慮不同形態(tài)的手掌對(duì)劃水效果的影響。Vilas-Boas等（2015）根據(jù)五指的外展和內(nèi)收程度，將手掌（包括前臂）劃分為9種形態(tài)。研究表明，不同手型的阻力系數(shù)隨著攻角（AA）的增大而增大，并在攻角為90°時(shí)達(dá)到最大值，而各手型的升力系數(shù)（CL）最大值在攻角為40°～60°達(dá)到最佳，因此該角度范圍可認(rèn)為是組合優(yōu)化阻力和升力的最佳攻角。此外，在同樣攻角下，大拇指領(lǐng)先劃水時(shí)的CD略高于小拇指領(lǐng)先劃水時(shí)（Samson et al.，2017；Vilas-Boas et al.，2015）。

其次，CD與大拇指外展與內(nèi)收程度關(guān)系較弱，但與其他四指指間距關(guān)系較強(qiáng)（Takagi et al.，2001），而CL則反之。有關(guān)CD的研究指出，大拇指完全閉攏-四指中等展開這一手型的CD值較其他手型略高（Vilas-Boas et al.，2015）。不同研究給出的四指最優(yōu)指間距的單位不同，Minetti等（2009）指出將平均指間距控制在0.32～8 mm可最多提高 8.8% CD；Lorente等（2012）認(rèn)為將指間距控制在 0.2～0.4 D（D為單根手指直徑）范圍時(shí)阻力推進(jìn)力提升效果較優(yōu)；還有研究以手指間角度為單位，認(rèn)為將指間距控制在5°（Bazuin，2018）和 10°（van Houwelingen et al.，2017）時(shí)可提升阻力推進(jìn)力。但是有研究發(fā)現(xiàn)，指間距為20°時(shí)的CD相比于指間距0時(shí)會(huì)下降1.5%（Bazuin，2018）。有關(guān)CL的研究指出，大拇指外展時(shí)的CL值大于大拇指半外展和內(nèi)收時(shí)（Takagi et al.，2001）；另有研究發(fā)現(xiàn)，大拇指完全外展-四指完全閉攏、大拇指中等外展-四指完全閉攏、大拇指中等外展-四指中等展開和大拇指完全閉攏-四指中等展開這4種手型對(duì)提升升力的作用較強(qiáng)（Marinho et al.，2009；Vilas-Boas et al.，2015）。此外，四指平均間距在0.32 cm的手型對(duì)CL的貢獻(xiàn)率較四指指間距為0.64cm和0cm時(shí)更大，該間距同樣屬于最佳CD值的手指間距范圍（Marinho et al.，2010）。

再者，掌型對(duì)CD、CL也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。扁平掌型和自然掌型能夠產(chǎn)生最大的阻力值，比手球（杯狀）和籃球掌型高出0.4%～0.9%，而反弓形掌型的阻力值最低，建議游泳運(yùn)動(dòng)員在游泳時(shí)采用除反弓形掌型以外的4種掌型增大阻力推進(jìn)力，提高游速（Bazuin，2018）。

3.2 水下腿與推進(jìn)力

運(yùn)動(dòng)員在出發(fā)和轉(zhuǎn)身后雙臂向前伸展形成流線型姿勢，兩腿在矢狀面向垂直方向按照一定的節(jié)奏同時(shí)上抬和下打，從而推動(dòng)身體向前，該動(dòng)作稱為水下海豚腿，或稱水下波浪型打腿（underwater undulatory swimming）。

水下海豚腿時(shí)的身體姿態(tài)、幅度、頻率、力量和形態(tài)要求運(yùn)動(dòng)員在減小阻力、增加阻力推進(jìn)力以及節(jié)省能耗三者之間找到平衡。研究發(fā)現(xiàn)，人類在使用水下海豚腿時(shí)的有效功率（Wuseful/Wtotal）為11%～29%，而鯨魚的有效功率約為56%；高水平運(yùn)動(dòng)員的斯特勞哈爾數(shù)（strouhal number）均值在0.81，而個(gè)體的最佳值可達(dá)0.45（Von Loebbecke et al.，2009a，2009b，2009c），可以看出優(yōu)化水下海豚腿的效率十分重要。研究發(fā)現(xiàn)，海豚腿的效率與運(yùn)動(dòng)員的身體姿勢和水中位置有關(guān)。在水下15 m內(nèi)，側(cè)向體位時(shí)使用海豚腿比俯臥體位時(shí)效率更高；但在水面游進(jìn)時(shí)，側(cè)向體位使身體部分露出水面，導(dǎo)致海豚腿推進(jìn)效率降低，且視覺受限，不利于直線游進(jìn)（Collard et al.，2008）。

按動(dòng)作的階段劃分，水下海豚腿可分為上打（最低點(diǎn)和中位點(diǎn)）和下打階段（最高點(diǎn)和中位點(diǎn)）。Higgs等（2017）對(duì)上抬和下打各階段的運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了進(jìn)一步研究后發(fā)現(xiàn)，澳洲高水平游泳運(yùn)動(dòng)員的打腿持續(xù)時(shí)間（duration，r=-0.79）、腳趾垂直速度峰值（peak vertical toe velocity，r=0.71）、身體擺動(dòng)速率（body wave velocity，r=0.81）、膝關(guān)節(jié)平均角速度（mean knee angular velocity，0.63）和髖關(guān)節(jié)角速度峰值（peak hip angular velocity，0.73）與上打階段的速度能力關(guān)聯(lián)較高。其中，與膝關(guān)節(jié)平均角速度相比，髖關(guān)節(jié)角速度峰值與速度能力的相關(guān)性更高，說明在上抬階段，加快髖關(guān)節(jié)伸展的速度更為重要。髖關(guān)節(jié)快速伸展能夠促進(jìn)膝關(guān)節(jié)屈曲速度的提高，從而更好地使踝關(guān)節(jié)趾屈，為下打階段做好準(zhǔn)備。與初學(xué)者相比，水平較高的運(yùn)動(dòng)員在膝關(guān)節(jié)屈曲下打之前，其髖關(guān)節(jié)的伸展動(dòng)作更為充分（Arellano，1999；Atkison et al.，2014）。普通運(yùn)動(dòng)員水下腿的上抬速度均低于下打速度，但高水平運(yùn)動(dòng)員兩階段的速度比值接近于1，即打腿對(duì)稱性（kick symmetry）較好（Atkison et al.，2014）。在下打階段，腳趾垂直速度峰值（r=0.86）和軀干擺動(dòng)速率（r=0.72）同樣與速度能力顯著相關(guān)，因此，綜合上打階段數(shù)據(jù)認(rèn)為，腳趾垂直速度峰值（r=0.85）和軀干擺動(dòng)速率（r=0.78）是預(yù)測水下海豚腿速度能力的重要指標(biāo)（Atkison et al.，2014）。

不同水平運(yùn)動(dòng)員水下腿的速度差異與打腿頻率和幅度有關(guān)。研究顯示，美國年齡組全國賽游泳運(yùn)動(dòng)員、奧運(yùn)級(jí)別運(yùn)動(dòng)員和世界級(jí)別運(yùn)動(dòng)員的水下海豚腿速度分別為（1.2±0.13）m/s、（1.45±0.23）m/s和1.614 m/s，打腿頻率分別為（2.13±0.23）Hz、（2.18±0.34）Hz和 2.139 Hz；打腿幅度為（0.46±0.06）m、（0.53±0.09）m和 0.618 m（Arellanoet et al.，2005；Connaboy et al.，2015；Von Loebbecke et al.，2009a），可以看出不同水平的運(yùn)動(dòng)員在水下海豚腿速度和幅度上有較為明顯的區(qū)別，但在打腿頻率上區(qū)別較小，這說明游泳運(yùn)動(dòng)員需要在單位時(shí)間內(nèi)增大打腿幅度。踝關(guān)節(jié)柔韌性能夠提高水下腿幅度，在2.18 m/s的模擬速度下，運(yùn)動(dòng)員水下腿踝關(guān)節(jié)趾屈減少10°時(shí)會(huì)降低16.4 N的阻力推進(jìn)力，而踝關(guān)節(jié)背屈增加10°時(shí)能夠增加31.4 N的阻力推進(jìn)力（Keys，2010）。

3.3 手臂劃水與推進(jìn)力

手臂劃水是游泳運(yùn)動(dòng)員獲得推進(jìn)力的主要方式，快速劃水能獲得較大的推進(jìn)力（林洪等，2006）。研究發(fā)現(xiàn)，我國優(yōu)秀游泳運(yùn)動(dòng)員在7 m全力游時(shí)，劃手、打腿、蹬邊滑行產(chǎn)生的平均最大力值與配合游時(shí)的平均最大力值之比分別為85%、73.15%和41.36%，存在較明顯的個(gè)體差異（程燕等，2016）；在30 s全力沖刺時(shí)，男運(yùn)動(dòng)員劃手和打腿的推進(jìn)力貢獻(xiàn)率為70.3%和29.7%，女運(yùn)動(dòng)員為66.6%和33.4%（Morou?o et al.，2015），且打腿與劃水推進(jìn)力之和大于配合游的推進(jìn)力（仲宇等，2005）。運(yùn)動(dòng)員在拉水階段與推水階段的阻力推進(jìn)力和升力推進(jìn)力的占比不同，現(xiàn)有研究均認(rèn)為，拉水階段阻力推進(jìn)力顯著高于推水階段，而升力在推水階段的貢獻(xiàn)顯著高于拉水階段（Bixler et al.，2002；Kudo et al.，2017），建議運(yùn)動(dòng)員在手臂入水后立即加速劃水以獲取更大的推進(jìn)力（Gourgoulis et al.，2015）。

此外，一項(xiàng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員左、右兩臂劃水對(duì)稱性的研究發(fā)現(xiàn)，有50%的受試運(yùn)動(dòng)員在爬泳配合游時(shí)左、右臂劃水推進(jìn)力存在較大的差異，差值最高為246.5 N（左228.9 N，右475.4 N），而差值最低的僅為3 N（左165.9 N，右162.9 N），運(yùn)動(dòng)員之間存在顯著的個(gè)體差異（Formosa et al.，2011），且有呼吸和無呼吸狀態(tài)下的推進(jìn)力同樣呈顯著差異（Formosa et al.，2014a），而在仰泳劃水的研究中，左、右臂劃水時(shí)的推進(jìn)力差異不顯著（Formosa et al.，2014b）。爬泳運(yùn)動(dòng)員兩臂劃水推進(jìn)力的差異性表明運(yùn)動(dòng)員需要改進(jìn)技術(shù)或提高弱側(cè)手臂力量，避免肌力失衡現(xiàn)象的發(fā)生。

4 總結(jié)與展望

首先，阻力與推進(jìn)力既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系。減阻與增加推進(jìn)力是游泳技術(shù)的核心，其目的是提高游速，同時(shí)降低身體耗能。從技術(shù)動(dòng)作上看，可將阻力與推進(jìn)力技術(shù)劃分為減阻技術(shù)、增推技術(shù)與減阻增推組合技術(shù)3種。減阻技術(shù)指實(shí)現(xiàn)減阻效應(yīng)的技術(shù)，如對(duì)運(yùn)動(dòng)員的水下滑行深度、呼吸方式、身體姿態(tài)、頭部姿態(tài)以及身體形態(tài)等進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)減阻和降低推進(jìn)力的損耗，但對(duì)直接提升推進(jìn)力的貢獻(xiàn)甚微；增推技術(shù)即實(shí)現(xiàn)推進(jìn)力增加的技術(shù)，如運(yùn)動(dòng)員通過控制手指間距、手型或踝關(guān)節(jié)柔韌度等方式提高推進(jìn)力；減阻與增推組合技術(shù)是動(dòng)作在時(shí)間上的優(yōu)化，即動(dòng)作節(jié)奏優(yōu)化，如蛙泳蹬腿中強(qiáng)調(diào)的“慢收腿，快蹬腿”。近20年的相關(guān)研究更傾向于對(duì)減阻技術(shù)與增推技術(shù)進(jìn)行獨(dú)立分析。

其次，國內(nèi)外關(guān)于游泳減阻與推進(jìn)力技術(shù)優(yōu)化研究的特點(diǎn)不同。國外研究的研究方法以模型法（model method）、水下牽引法（towing method）和計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）等為主；研究內(nèi)容主要圍繞手臂形態(tài)、水下滑行、水下腿、泳裝、泳帽以及尾隨阻力等非復(fù)雜形態(tài)與動(dòng)作的流體特征展開，注重游泳流體力學(xué)的基礎(chǔ)研究；研究人員主要由具備計(jì)算機(jī)與運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)專業(yè)背景的科研人員組成；研究結(jié)果有較高的理論性、科學(xué)性與普適性，但缺乏游泳專項(xiàng)知識(shí)的融入與探討。而國內(nèi)學(xué)者對(duì)基礎(chǔ)研究的關(guān)注較少，更注視實(shí)踐與應(yīng)用層面的研究。一方面，我國學(xué)者在游泳技術(shù)監(jiān)控、診斷與優(yōu)化等實(shí)踐研究方面的探索較為深入，科研人員側(cè)重通過軟件技術(shù)解析運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練與比賽的視頻、圖像，獲得運(yùn)動(dòng)學(xué)監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)進(jìn)行診斷與分析，提出運(yùn)動(dòng)員水中減阻技術(shù)與推進(jìn)力增加技術(shù)的優(yōu)化方案；另一方面，通過水中阻力測量設(shè)備（部分為自研設(shè)備）測量我國高水平游泳運(yùn)動(dòng)員在水中的阻力水平，評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員在減小阻力、優(yōu)化技術(shù)方面的實(shí)際效果，并取得了積極的研究成果。值得指出的是，近年國家游泳隊(duì)、國家體育總局體育科學(xué)研究所與北京體育大學(xué)等單位的科研人員在蹲踞式出發(fā)的側(cè)向入水技術(shù)、身體轉(zhuǎn)動(dòng)幅度最優(yōu)化、水下腿技術(shù)特征和公開水域游泳技術(shù)優(yōu)化等領(lǐng)域進(jìn)行了積極創(chuàng)新的探索，并引入了智能測量與數(shù)字訓(xùn)練系統(tǒng)等，為運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練與參賽提供科技服務(wù)保障。

綜上所述，在基礎(chǔ)研究層面，當(dāng)前關(guān)于游泳非復(fù)雜技術(shù)動(dòng)作的研究已較為成熟，但對(duì)完整動(dòng)作的模擬和建模仍有較大難度，圍繞完整動(dòng)作與不同動(dòng)作速度、幅度、頻率、節(jié)奏和姿態(tài)進(jìn)行探索是今后研究的趨勢，特別是對(duì)高水平游泳運(yùn)動(dòng)員的計(jì)算流體研究。在實(shí)踐研究層面，創(chuàng)新仍是實(shí)踐研究的核心，應(yīng)通過大量實(shí)證研究驗(yàn)證技術(shù)創(chuàng)新的可行性，探索和構(gòu)建科學(xué)化的冠軍指標(biāo)與模型。雖然我國在奧運(yùn)會(huì)和世錦賽的室內(nèi)與公開水域游泳比賽中不斷突破現(xiàn)有成績，科研水平與創(chuàng)新能力也有顯著提升，但需指出的是，從已發(fā)表的學(xué)術(shù)論文上看，目前我國從事游泳減阻與推進(jìn)力技術(shù)優(yōu)化研究的專家和團(tuán)隊(duì)較少，跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)不足，科研硬件和軟件有待提升，對(duì)流體力學(xué)的基礎(chǔ)研究尚待加強(qiáng)。因此，應(yīng)加強(qiáng)我國競技游泳流體力學(xué)領(lǐng)域的研究，為我國游泳運(yùn)動(dòng)科學(xué)化訓(xùn)練提供科技支撐。