游泳中的力学原理

2013-07-09 15:25阅读：

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从远古时代，人类为适应生存环境，逐渐掌握的一种生存技能到几天成为最为广泛和最受欢迎的体育活动之一，经历了漫长地发展历程。游泳是广大群众喜爱的一项体育运动，对于锻炼身体，增强体质，养生保健，防治疾病十分有益。1896年游泳被列为奥运会竞赛项目，是奥运会仅次于田径运动的金牌大户。当今的游泳赛场上,共有四种游泳姿势:蛙泳、蝶泳、自由泳、仰泳。从力学的角度看，各种姿势有什么区别呢？
蛙泳
蛙泳是一种古老的泳式。据资料记载，早在2000～4000年前的中国、罗马、古埃及就有类似这种泳式的游泳。蛙泳也是第一种在游泳比赛中被采用的姿式。古时候,人们在看到青蛙游泳后受到启发,便发明了这样一种美丽的泳姿。蛙泳时，运动员面朝下，水平浮在水面上拉拢双臂，最后在水中合拢，姿势就像青蛙。
蛙泳推进力来自手臂划水和腿的蹬水两个方面。蛙泳划手的路线为三维曲线，近似如螺旋浆式，由于水是可流动的介质，因此直接后会造成划空的现象，不能获得有效地支撑反作用力，曲线划水是游泳技术的重要特征之一。由于曲线划水也包含了横向的划水，这就对推进力的形成产生了不同的观点，阻力中的垂直分力推进还是升力推进的问题，目前的观点认为，运用伯努利定律

(bernoulli effect)解释游泳划手推进力是不够的，因为在划水过程中并不仅仅是改变了手掌前后的水流速度，没有发生“科安达效应”(coanda effect)，也就没有产生升力的条件。在实际划水过程中手臂是推动了水，由于划水角度不同，便产生了分力，在横向划水过程由于角度的原因，实际上是垂直分力推动人体前进。
但是，蛙泳的速度是很慢的。首先，蛙泳需要拉拢双臂并且双腿卷缩后在蹬出，这导致运动员游泳时与水的接触面积较大，易产生较大的阻力。其次，由于姿势的限制，速度非常地不平稳。最后，身体在水面运动时要受到水波的阻力，而国际泳联比赛规则规定运动员只能在转身时长时间潜水而行。这导致蛙泳的速度要远比其他姿势慢。
蝶泳
1924～1936年期间，蛙泳最大的革新是划水动作结束后两臂不再从水中前移，改为由空中移臂但仍采用蛙泳蹬夹腿的动作，出现了蛙泳的变形——蝶泳。蝶泳技术是在蛙泳技术动作基础上演变而来的。运动员采用两臂划水到大腿后提出水面，再从空中迁移的技术，从外形看，好像蝴蝶展翅飞舞，所以人们称它为“蝶泳”。由于它的腿部动作酷似海豚，所以又称为“海豚泳”。
蝶泳的身体姿势与其它泳姿不同，它没有固定的身体位置。在游进中头和躯干有时露出水面、有时潜入水中，形成波浪形式上下起伏的变化位置，因此躯干各部分和头不断改变彼此间的相对位置。蝶泳在游进中，是以横轴（腰际）为中心，躯干和腿做有节奏的摆动，主要发力点从手、脚转到腰腹部。然后以大腿带动小腿，两腿一起做上下的鞭状打水动作。而这些动作与头和臂部的动作紧密联系在一起，形成蝶泳所特有的波浪动作，相互协调，尽量减少浸入水中的体积，因此前进时身体的阻力较小。
但是，蝶泳并不是最快、最省力的姿势。那，最快、最省力的是那一种游泳姿势呢？————那就是自由泳。
自由泳
由于自由泳不受任何姿势限制，运动员自然会采用最快、最省力的泳姿，这就是爬泳。游爬泳时，人在水中成俯卧姿势，两腿交替上下大水，两臂轮流划水，动作很像爬行，所以人们称之为“爬泳”。爬泳速度最快，爬泳也就成为自由泳的唯一姿势。这种姿势结构合理，阻力小，速度均匀，是目前世界上最快、最省力的一种游泳姿势。
自由泳的基本技术特点是，人体俯卧水中，头肩稍高于水面，游进时躯干绕身体纵轴适当左右滚动，两臂轮流划水推动身体前进。手入水后划水路线呈s形，呼吸与划水动作协调。推动身体前进的动力主要来自臂部的划水动作。所以，自由泳（即爬泳）的姿势最合理，阻力最小，而且克服了其他泳姿速度不均匀的特点，成为最快、最省力的姿势。
仰泳
最后谈仰泳并不是因为它最后产生，而是因为它的动作不固定，只要身体仰卧在水中即为仰泳。
仰泳包括反蛙泳和爬式仰泳。反蛙泳是最早出现的一种仰泳，动作近似蛙泳，而身体姿势相反。即人体仰卧水面，两臂从头后经体侧向后划水。最初几届奥运会上的仰泳比赛都是采用反蛙泳姿势。1912年第5届奥运会上首次出现爬式仰泳，美国运动员h.赫伯纳采用两臂轮流划水、两腿上下打水的仰泳技术，以1′21′2的成绩获100米仰泳冠军，显示了爬式仰泳技术的优越性，而反蛙泳逐渐失去在竞赛中的意义。
仰泳主要通过脚的上下运动获得推进力。当左脚向上踢时，踝关节的柔软性决定了脚的伸展角度，柔软性越好向上踢产生的升力就越大。此时产生与踢腿方向相反的是阻力，与脚面成迎角，与阻力呈直角的是升力，所以当左脚向上踢腿时就产生推进力。同理，右脚向下压时也产生推进力。因此，仰泳打腿就是依靠左脚上踢的推进力加上右脚下压的推进力作用于身体重心获得推进力的。
未来的游泳
游泳由于其在群众体育和竞技体育中都占有极其重要的地位，游泳技术在未来必定还会有更大地发展和进步。未来的游泳技术在哪些方面可以得到改进呢？
从内在因素看，当然姿势最重要。未来的运动员应该可以锻炼出更加流线型的身材、发明更快捷省力的泳姿以尽可能地减少身体与水的接触面积，从而提高成绩。
从外在因素看，泳衣在游泳技术的发展过程的作用越来越明显。比如现在所使用的由鲨鱼皮制成的泳衣，可以很大程度上增加身体的流线型，减少阻力。未来的泳衣当然也会从这方面进一步努力，但泳衣的重量也是不可忽略的重要因素。所以未来的泳衣可能使用更轻、更结实、阻力更小的材料来制成。
不管怎么说，随着科学技术的发展，我们必定可以看到更快、更安全、更精彩的游泳比赛。

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