04.02 游泳物理學

除出發和轉身之外,游泳運動員的推進力完全來自於打腿和划水。更具體地說,除了向上打腿時整個小腿和腳可以產生推進力,幾乎所有其它推進力(向下踢和划水)都產生於腳掌和手。

此外,打腿和划水的推進力可能受到我們身體的其他運動的影響,而這些運動根本不產生推進力。這些被稱為耦合運動。自由式中耦合運動的兩個例子是身體的旋轉和在水上的移臂。這兩種運動都不會產生任何推進力,但是當與打腿或划水相結合時,兩者的推進力都會更大。高能量耦合運動可以在所有四個泳姿中以及在出發時顯著增加游泳者的推進力。

來自手和腳的推進力不同之處在於,手是通過基本上靜止的水(靜態流體)移動,而腳是在流動的水(動態流體)中移動。因此,有必要了解流體力學,以瞭解在這兩種不同的環境中如何實現推進。

由於水是液體而非固體,為了產生推進力,手或腳需要相對於水向後移動。在肩部驅動的自由泳技術中,具有相對較高的划水頻率,如果從側面畫出划水的路徑,相對於池中的固定點,可以發現手的軌跡是直徑約2英尺近乎完美的圓圈。

如果我們將圓圈視為時鐘,手將在12點進入水中。由於游泳者的身體向前移動,當手進入水中時,手也會向前移動。游泳者通過向下壓手來開始划水,以使其方向反轉並將水向後推動。結果是手跟隨時鐘到3點位置,同時向下和向前移動。我們將此稱為升力階段,因為大部分力都是向下的,從而產生升力。

從3點開始,當手在游泳者的肩膀前方時,它開始向後移動,產生推進力。手繼續深入水中,隨著時鐘從3點鐘到6點鐘的方向向後移動。為了繼續將手向後推到6點以後,手臂需要抬起並且手腕背屈,從6點移動到9點。從3點到9點的向後手臂動作被稱為推進階段。

一旦手到達9點鐘,手臂就會因為長度不足,因此不能再向後移動。因此,它以最小的阻力快速向前滑動,幾乎在入水的同一點處12點離開水面。最後階段稱為出水階段。手從入水點到出水點的淨距離為零。

與手不同,為了產生推進力,腳掌依賴於游泳者的身體和腳和腿本身的運動引起的渦流。在自由式和海豚腿中,相對於池中的固定物體,打腿的運動幾乎是直上直下的。然而,水在腳的路徑上並不是靜止的。因為人體是非流線型的形狀,所以游泳者身體的漩渦或尾流會導致水向前流動。還有由腳和腿的運動引起的第二渦旋,沿著腳掌的路徑產生的較小的渦流。即使腳相對於池中的固定物體沒有向後移動,它們也相對於向前移動的水向後移動。因此,腳可以在實際不向後移動的情況下產生推進力。

例如,在海豚腿中,腳有四個潛在的位置可以產生推進力。第一個是在下踢的開始。這裡的推進是通過快速反轉腳的方向,並向下推動其通過向上和向前拉動腳和腿而產生的渦流來實現的。第二個是在腳向下穿過身體產生的渦流時實現的。第三個是在開始向上踢時實現的,因為腳和腿快速反向並向上推動它們在向下的路徑上產生的渦流。第四個是在腳和腿向上移動並在向上的路徑上穿過身體的渦流時實現的。只有最快的海豚腿者才能在所有這四個位置實現推進。大多數游泳運動員僅在其中一個或兩個中獲得推進力。


在六次腿中,有兩個潛在的推進點。由於向下打腿和向上打腿是同時發生的,一點是打腿開始的時候,利用腳和腿的渦流。第二點發生在雙腳在向上或向下穿過身後滑流時。

在蛙泳打腿中,幾乎所有的推進都發生在腳背向後推動時。當腳大約伸展到一半時,就會出現推進力峰值。

打腿越窄從身體的滑流和腿部和腳部向前拉動產生的大漩渦中獲得的優勢就越大。很寬的蛙泳打腿,雙腳是在相對靜止的水中向後推,而不是對著水流。這可能會顯著影響推進力。在蛙泳打腿結束時發生的上踢也可能有少量推進力。但不是每個蛙泳選手都會獲得第二次推進。

總之,划水的推進力是由向後划水手的表面積和加速的速率決定。打腿的推進力由腳(和腿)的表面積,腳通過漩渦時加速的速率和腳穿過的漩渦(滑流)的強度決定。此外,划水和打腿的推進力可以通過適當的耦合運動來增加,例如身體旋轉,頭部向下甩動或移臂。


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