游泳物理學

大多數運動都是在空氣中進行,那裡的阻力沒有游泳那麼厲害。由於水的密度比空氣大784倍,我們在水中的身體位置或動作中產生的任何誤差都會大大增加阻力,在更高的速度下更是如此。我們遊得越快,為錯誤付出的代價就越高。正面阻力是游泳運動員的第一對手。水不會對你有任何憐憫。

有四個因素決定了正面阻力如何減慢遊泳運動員的速度。

第一個是身體位置。游泳者是在水下還是在水面?

第二個是游泳者向前移動的橫截面積。游泳運動員的橫截面有多大?身體角度是多少?腿和手臂伸得太出去嗎?頭太高嗎?

第三是游泳運動員的表面特徵,包括泳裝,泳帽和泳鏡。游泳運動員的身體有多滑?

第四,也是最重要的是游泳運動員的速度。他在水中移動的速度有多快?


游泳物理學 - 正面阻力


有三種不同類型的正面阻力可以減慢遊泳者的速度,而且它們都很重要。

第一個也是最主要的是壓力或形狀阻力,這是我們在優秀的游泳運動員身上看到的兩個重要事實。首先,游泳者是非流線型的物體,即使在他們能夠達到的最佳流線型位置。其次,優秀的游泳運動員在水中以大約2米/秒或更高的速度行進。游泳者的物理形狀(向前移動的表面區域),水的介質以及游泳者在水中的速度是決定所謂的雷諾數的因素。這決定了游泳者周圍的流動特性。游泳者周圍的水流將從層流(光滑,頭部和肩部)過渡(從頭部和肩部後面一英尺左右))到湍流(靠近腰部)。當流體從游泳者身體的邊界過渡到湍流狀態時,會在游泳者後面形成漩渦或滑流。游泳運動員頭部的較高壓力與游泳運動員後方滑流中的較低壓力之間的差異決定了壓力阻力。

第二阻力是由摩擦引起的。當物體通過介質移動時,分子相互摩擦會產生摩擦力。一般來說,物體(游泳者)越粗糙,摩擦力就越大。物體(游泳者)越平滑或光滑,摩擦越小。因此,游泳者的摩擦很大程度上取決於游泳者的表面特徵。

第三種類型的阻力稱為波阻。它是由於游泳者部分在水中部分在水面而發生的。事實上,游泳運動員的所有波浪阻力都來自游泳者身體的前端(頭部和肩部)。

在2004年進行的一項研究中,Mollendorf等人確定了所有三種類型的正面阻力對游泳者的影響。在固定的流線型位置以不同的速度牽引(被動阻力)。當穿著低摩擦(高科技)泳裝,並且以精英游泳運動員的比賽速度前進時,他們發現壓力阻力約佔總阻力的50%,而波阻力和摩擦力各佔約25%。總的正面阻力在2米/秒(比賽速度)下比在1米/秒時約大三倍。當穿著低科技泳裝時,摩擦對總阻力的貢獻大於壓力或波浪阻力。

游泳運動員的速度是決定前方阻力的最重要因素,因為所有三種類型的阻力與游泳運動員的速度成指數關係。壓力阻力和摩擦力都與游泳者速度的平方成正比,而波浪阻力與游泳者速度的四次方成正比。根據這一觀察,我們可以得出如下結論:

所有三種類型的正面阻力都很重要,需要儘可能地減少

游泳運動員的形狀或身體位置,泳帽和泳裝的微小變化會對比賽速度下的正面阻力產生深遠的影響

儘可能在水下前進(消除波浪阻力)是理想的

游泳者越快,技術就越重要(2米/秒的正面阻力比1米/秒時大3倍)


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