游泳物理学

大多数运动都是在空气中进行,那里的阻力没有游泳那么厉害。由于水的密度比空气大784倍,我们在水中的身体位置或动作中产生的任何误差都会大大增加阻力,在更高的速度下更是如此。我们游得越快,为错误付出的代价就越高。正面阻力是游泳运动员的第一对手。水不会对你有任何怜悯。

有四个因素决定了正面阻力如何减慢游泳运动员的速度。

第一个是身体位置。游泳者是在水下还是在水面?

第二个是游泳者向前移动的横截面积。游泳运动员的横截面有多大?身体角度是多少?腿和手臂伸得太出去吗?头太高吗?

第三是游泳运动员的表面特征,包括泳装,泳帽和泳镜。游泳运动员的身体有多滑?

第四,也是最重要的是游泳运动员的速度。他在水中移动的速度有多快?


游泳物理学 - 正面阻力


有三种不同类型的正面阻力可以减慢游泳者的速度,而且它们都很重要。

第一个也是最主要的是压力或形状阻力,这是我们在优秀的游泳运动员身上看到的两个重要事实。首先,游泳者是非流线型的物体,即使在他们能够达到的最佳流线型位置。其次,优秀的游泳运动员在水中以大约2米/秒或更高的速度行进。游泳者的物理形状(向前移动的表面区域),水的介质以及游泳者在水中的速度是决定所谓的雷诺数的因素。这决定了游泳者周围的流动特性。游泳者周围的水流将从层流(光滑,头部和肩部)过渡(从头部和肩部后面一英尺左右))到湍流(靠近腰部)。当流体从游泳者身体的边界过渡到湍流状态时,会在游泳者后面形成漩涡或滑流。游泳运动员头部的较高压力与游泳运动员后方滑流中的较低压力之间的差异决定了压力阻力。

第二阻力是由摩擦引起的。当物体通过介质移动时,分子相互摩擦会产生摩擦力。一般来说,物体(游泳者)越粗糙,摩擦力就越大。物体(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决于游泳者的表面特征。

第三种类型的阻力称为波阻。它是由于游泳者部分在水中部分在水面而发生的。事实上,游泳运动员的所有波浪阻力都来自游泳者身体的前端(头部和肩部)。

在2004年进行的一项研究中,Mollendorf等人确定了所有三种类型的正面阻力对游泳者的影响。在固定的流线型位置以不同的速度牵引(被动阻力)。当穿着低摩擦(高科技)泳装,并且以精英游泳运动员的比赛速度前进时,他们发现压力阻力约占总阻力的50%,而波阻力和摩擦力各占约25%。总的正面阻力在2米/秒(比赛速度)下比在1米/秒时约大三倍。当穿着低科技泳装时,摩擦对总阻力的贡献大于压力或波浪阻力。

游泳运动员的速度是决定前方阻力的最重要因素,因为所有三种类型的阻力与游泳运动员的速度成指数关系。压力阻力和摩擦力都与游泳者速度的平方成正比,而波浪阻力与游泳者速度的四次方成正比。根据这一观察,我们可以得出如下结论:

所有三种类型的正面阻力都很重要,需要尽可能地减少

游泳运动员的形状或身体位置,泳帽和泳装的微小变化会对比赛速度下的正面阻力产生深远的影响

尽可能在水下前进(消除波浪阻力)是理想的

游泳者越快,技术就越重要(2米/秒的正面阻力比1米/秒时大3倍)


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