Научно-теоретические основы плавания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научно-теоретические основы плавания



Физические свойства воды

Для правильного понимания основ плавания, а точнее, гидродинамики и биомеханики, необходимо знать физические свойства воды.

Физические свойства характеризуют физическое состояние материала или вещества, а также его способность реагировать на внешние факторы, не влияющие на химический состав.

Вода - прозрачная жидкость без цвета и запаха, при +100°С (и давлении 1013кПа) - кипит, при 0°С - замерзает.

К физическим свойствам воды относят плотность, вязкость, текучесть, теплопроводность, теплоемкость.

Плотность -- важное физическое свойство, влияющее на плавучесть, а соответственно, на технику плавания и на обучение.

Плотность характеризуется количеством массы вещества, приходящейся на единицу объема, и вычисляется по следующей формуле:

р = m/V,

где m -- постоянная масса вещества или материала, кг,

V -- объем, занимаемый эти материалом, м .

Все тела при нагревании расширяются, при охлаждении сжимаются. Все, кроме воды. В интервале температур от 0 до +4°С вода при охлаждении расширяется, а при нагревании сжимается. При +4°С вода имеет наибольшую плотность, равную 1000 кг/м . При более низкой и более высокой температуре плотность воды несколько меньше. Благодаря этому осенью и зимой в глубоких водоемах конвекция происходит своеобразно. Вода, охлаждаясь сверху, опускается вниз, на дно, только до тех пор, пока ее температура не достигнет +4°С. Поэтому в больших водоемах вода с температурой +4°С опускается на дно, а более холодная - находится ближе к поверхности. И хотя зимой поверхность водоема скована льдом, на дне температура всегда равна +4°С. Это свойство воды позволяет рыбе зимовать в замерзших водоемах.

Плотность тела человека сопоставима с плотностью воды, что создает условия для его возможности беспрепятственно держаться на поверхности. В процессе дыхания плотность (так же, как, соответственно, и другой схожий, но несущий другое смысловое и физическое значение параметр - удельный вес) тела изменяется. В среднем это от 0,976 кг/м при вдохе (уменьшается) и до 1038 кг/м при выдохе (увеличивается). Это связано с тем, что воздух, вдыхаемый через легкие, обладает малой плотностью, (примерно в 816 раз меньше воды) и поэтому лишь увеличивает объем (по принципу надувного шарика), но не добавляет массы (веса), и наоборот. При вдохе легче держаться на поверхности воды, при выдохе легче нырять, погружаться.

Морская вода тяжелее речной на 2,5-3 % из-за наличия в ней большого количества солей, ее плотность в среднем равна 1025 кг/м . Поэтому в морской воде человеку легче держаться на поверхности, чем в пресной. Все это создает более благоприятные условия для обучения плаванию.

Вязкость -- свойство жидкостей оказывать сопротивление при перемещении одной частицы жидкости относительно другой.

Вязкость жидкости зависит от температуры. С повышением температуры вязкость уменьшается. Изменение вязкости влияет на ощущения пловца, его «чувство воды». Спортсмены высокой квалификации, например, чувствуют изменения вязкости в бассейне даже при незначительных колебаниях.

Текучесть -- обратная величина вязкости. Наиболее характерным свойством жидкостей, отличающим их от твердых тел, является низкая вязкость (высокая текучесть). Благодаря ей они принимают форму сосуда, в который налиты. На молекулярном уровне высокая текучесть означает относительно большую свободу частиц жидкости. В этом жидкости напоминают газы, хотя силы межмолекулярного взаимодействия жидкостей больше, молекулы расположены теснее и более ограничены в своем движении.

Теплоемкость -- свойство материала и вещества при нагревании поглощать определенное количество тепла, а при охлаждении выделять его. Удельная теплоемкость воды очень высокая и составляет 4,2 Дж/(г^град).

Теплопроводность -- способность материала или вещества передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур.

Теплопроводность характеризуется коэффициентом, обозначаемым буквой X (лямбда). Этот коэффициент показывает количество тепла, проходящего через образец толщиной 1 м площадью 1 м².

Учитывая, что нормальная температура тела человека составляет 36,6°С, то чем больше разница по сравнению с температурой воды, тем быстрее идет теплоотдача.

Так как теплоотдача в воде очень велика, а теплопродукция тела не безгранична, то через некоторое время даже при достаточно комфортной температуре появляется «гусиная кожа», а затем и озноб. Поэтому нахождение человека в воде должно быть строго дозированным в зависимости от температуры воды.

Охлаждение организма в воде протекает гораздо интенсивнее, чем на воздухе. Теплопроводность воды в 25 раз, а теплоемкость в 4 раза больше, чем воздуха. Если на воздухе при 4°С человек может без особой опасности для своего здоровья находиться в течение 6 часов и при этом температура тела у него почти не понижается, то в воде при такой же температуре незакаленный человек без защитной одежды в большинстве случаев погибает от переохлаждения уже спустя 30-40 минут. Охлаждение организма усиливается с понижением температуры воды и при наличии течения. В воздушной среде интенсивные теплопотери при температуре воздуха 15- 20°С происходят в результате излучения (40-45 %) и испарения (20-25 %), а на долю теплоотдачи с помощью проведения приходится лишь 30-35 %. В воде у человека без защитной одежды тепло в основном теряется в результате теплоотдачи. На воздухе теплопотери происходят с площади, составляющей около 75 % поверхности тела, так как между соприкасающимися поверхностями ног, рук и соответствующими областями туловища существует теплообмен. В воде же теплопотери происходят со всей поверхности тела.

Воздух, непосредственно соприкасающийся с кожей, быстро нагревается и фактически имеет более высокую температуру, чем окружающий. Даже ветер не может полностью удалить с кожи этот слой теплого воздуха. В воде с ее большой удельной теплоемкостью и большой теплопроводностью слой, прилегающий к телу, не успевает нагреваться и легко вытесняется холодной водой. Поэтому температура поверхности тела в воде понижается интенсивнее, чем на воздухе. Кроме того, вследствие неравномерного гидростатического давления воды нижние области тела, которые испытывают большее давление, охлаждаются быстрее и имеют температуру кожи ниже, чем верхние, менее обжатые водой. Особенно сильно охлаждаются конечности.

Тепловые ощущения организма на воздухе и в воде при одной и той же температуре различны.

Вследствие интенсивного охлаждения и обжатия гидростатическим давлением кожная чувствительность в воде понижается, болевые ощущения притупляются, поэтому могут оставаться незамеченными небольшие порезы и даже раны.

Силы, действующие при статическом и динамическом плавании. Понятие плавучести

Согласно закону движения существует 2 варианта плавания: статическое и динамическое.

Статическое плавание -- физическое тело (тело человека) находится в покое на поверхности воды, т. е. без движения. Вариантами такого плавания могут быть также задания на учебных занятиях по демонстрации и удержанию фигур «звездочка», «поплавок» и др.

При статическом плавании действуют две противоположные силы: сила тяжести, которая направлена вниз, и выталкивающая (поддерживающая) сила, которая направлена вверх.

Динамическое плавание -- плавание с помощью разнообразных двигательных действий (с помощью энергии движения). При динамическом плавании к существующим силам тяжести и выталкивающей добавляются сила тяги и противополжно направленная ей сила сопротивления. Сила тяги, как правило, направлена по ходу движения и складывается из нескольких составляющих (работа рук, ног). Сила сопротивления всегда направлена против движения и состоит из нескольких видов сопротивлений (см. полное сопротивление).

Существование гидростатического давления приводит к тому, что на любое тело, находящееся в жидкости или газе, действует выталкивающая сила. Впервые значение этой силы в жидкостях определил на опыте Архимед. Закон Архимеда формулируется следующим образом: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу того количества жидкости или газа, которое вытеснено погруженной частью тела.

Рассмотрим теоретический вывод закона Архимеда. В сосуд (рис. 1) налита жидкость и погружено тело, имеющее форму куба. Ребро куба равно 1. Верхняя грань куба находится от поверхности жидкости на глубине h, а нижняя -- на глубине h+l. На все грани куба жидкость оказывает давление. При этом силы давления, действующие на боковые грани куба, взаимно компенсируются. На верхнюю грань куба действует направленная вниз сила давления F1, модуль которой

Fl=pжghS (1)

где р_ж -- плотность жидкости; S -- площадь грани куба. На нижнюю грань куба действует направленная вверх сила давления F2, модуль которой

F2=Pжg(h+1)S (2)

Так как h<h+l, то F₁<F₂, т. е. равнодействующая этих двух сил направлена вертикально вверх и представляет собой выталкивающую (архимедову) силу:

Fa=F2-F1 (3)

Подставив (1) и (2) в (3), найдем, что модуль архимедовой силы

Fa=PжglS=pжgV=Pж, (4)

где V -- объем куба (т. е. объем жидкости, вытесненной погруженным телом); Р_ж -- вес вытесненной жидкости. Следовательно, выталкивающая сила по модулю равна весу жидкости, вытесненной погруженной частью тела.

плавание гидродинамика биомеханика

Архимедова сила F_A приложена к телу в центре масс вытесненной телом жидкости и направлена против силы тяжести, действующей на это тело. Необходимо помнить, что закон Архимеда справедлив только при наличии силы тяжести. В условиях невесомости он не выполняется.

Плавучесть -- способность тела держаться на поверхности воды. Причем данную характеристику целесообразнее рассматривать именно при статическом плавании.

Поведение тела, находящегося в жидкости, зависит от соотношения между модулями силы тяжести F_x и архимедовой силы F_A, которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая, характеризующие условие плавания тел:

a. F_x>F_a -- тело тонет;

b. F_x=F_a -- тело плавает;

c. F_x<F_a -- тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

Условие плавания тел просто: выталкивающая сила должна быть не меньше силы тяжести, действующей на тело. Из закона Архимеда можно вывести, что тела, имеющие плотность меньшую, чем плотность жидкости, будут в ней плавать (положительная плавучесть). Другие - тонуть (отрицательная плавучесть). При равенстве плотностей наблюдается нулевая плавучесть: тело полностью погружено в жидкость, но не тонет.

ртела>рж -- тело тонет;

р_тела= р_ж -- тело плавает или зависает (необязательно на поверхности);

р_тела<р_ж -- тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

Как уже отмечалось, при дыхании плавучесть изменяется. При вдохе будет иметь место положительная плавучесть, при выдохе (особенно полном)

— отрицательная. В среднем женщины имеют большую плавучесть, чем мужчины, т. к. в их организме содержится больше жировых депо, а костномышечные ткани не такие плотные, как у последних. На плавучесть влияет также и объем легких.

Однако некоторые лица независимо от пола, но больше мужчины, имеют отрицательную плавучесть даже при полном вдохе (из-за достаточно большой мышечной массы и тяжелого скелета). Таким людям сложно удержаться на поверхности без движения (при статическом плавании), однако в спортивном плавании это обстоятельство имеет свои преимущества.

Существенное значение при плавании имеет равновесие в воде. Рассмотрим равновесие тел при статическом плавании. Чтобы его (равновесие) получить, необходимо, чтобы действующая со стороны жидкости выталкивающая сила, приложенная в центре тяжести вытесненной жидкости (центр давления), была не только равна топящей силе (силе тяжести), но и чтобы центр давления был на одной вертикали с центром тяжести. В противном случае выталкивающая и топящая силы создадут моменты пары сил, вращающих тело. Вращение будет наблюдаться до тех пор, пока тело не придет в положение, при котором будут выполнены указанные условия.

Равновесие может быть устойчивым и неустойчивым. Устойчивое статическое равновесие наблюдается, когда центр давления расположен выше центра тяжести (см. рис. 2а). В этом положении при нарушении равновесия под действием внешних сил создается восстанавливающий момент, который стремится вернуть тело в исходное положение. Неустойчивое статическое положение (см. рис. 2б) будет тогда, когда центр тяжести расположен выше центра давления. В данном случае при незначительном отклонении от положения равновесия создается момент сил, который будет вращать тело до достижения положения устойчивого равновесия.

Рассмотрим расположение центра тяжести и центра давления при горизонтальном положении тела пловца (рис. 3). Оба центра будут находится в одной горизонтальной плоскости на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга, что объясняется неоднородным строением человеческого тела. Такое расположение центра тяжести и центра давления вызывает вращение тела вокруг поперечной оси, сопровождающееся опусканием ног.

Если в горизонтальном положении пловец, лежащий в воде лицом вниз, сильно прогнется, то центр давления может оказаться ниже центра тяжести. В данном случае создастся неустойчивое положение, когда, помимо уже имеющего место вращения вокруг поперечной оси (когда наблюдается опускание ног), пловец может быть развернут вокруг продольной оси, т. е. лицом вверх.

Равновесие пловца напрямую связано с его индивидуальным анатомическим строением.

При динамическом плавании тело спортсмена, как правило, занимает положение близкое к горизонтальному, но отличное от него. Положение тела по отношению к обтекаемому потоку называется углом атаки тела. Угол атаки замеряется между продольной осью тела и направлением движения. Под продольной осью подразумевается воображаемая линия, соединяющая среднюю точку сечения грудной и тазовой части туловища. Угол атаки считается положительным, если ось тела отклоняется вверх от обтекающего потока, и отрицательным, если отклоняется вниз.

При плавании брассом наблюдаются углы атаки до 13-14°, а при плавании баттерфляем -- до 25-30°. При кроле -- 2-6°. Очевидно, что угол атаки надо по возможности уменьшать.

Угол атаки кисти -- угол между плоскостью кисти и направлением потока. Кисть во время гребка движется по криволинейной траектории, угол атаки кисти в основной части гребка изменяется, как правило, от 35-45° до 60-75°. В отдельные моменты гребка угол атаки кисти может составлять 1530°.

При движении пловца под некоторым углом к потоку полная сила гидродинамического сопротивления направлена не строго назад, а отклоняется вверх или вниз в зависимости от того, положительный или отрицательный угол атаки имеет пловец. При разложении полной гидродинамической силы сопротивления по правилу параллелограмма получаем 2 силы: одну направленную параллельно обтекающего потока, другую -- перпендикулярную к нему.

Сила, направленная параллельно встречному обтекающему потоку, называется силой лобового сопротивления.

Сила, действующая перпендикулярно вверх по отношению к направлению потока, называется подъемной силой, перпендикулярно вниз

— топящей.

Скорость и энергетические расходы при плавании зависят от трех основных механических факторов: 1) величины подъемной (плавучей) силы, противодействующей весу тела, или обратной ей величины -- потопляющей силы; 2) лобового сопротивления продвижению тела в воде и 3) движущей силы, возникающей в результате эффективных продвигающих (пропульсивных) усилий пловца.

Средняя чисто дистанционная скорость (в середине бассейна) при плавании на 100 м составляет максимально: в кроле -- около 1,9 м/с, в баттерфляе -- 1,8 м/с, на спине -- 1,7 м/с, в брассе -- 1,5 м/с. Таким образом, наибольшая скорость достигается при плавании кролем, наименьшая -- брассом.

Способы плавания основаны на взаимодействии пловца с водой, при котором создаются силы, продвигающие его в воде и удерживающие на ее поверхности. Взаимодействие возникает вследствие погружения в воду и активных движений пловца. Специфические особенности биомеханики плавания связаны с тем, что силы, тормозящие продвижение, значительны, переменны и действуют непрерывно. Постоянной же опоры для отталкивания вперед у пловца нет, она создается во время гребковых движений и остается переменной по величине.

При всех гребковых движениях гребущие звенья движутся относительно остальных частей тела назад, а последние относительно гребущих звеньев -- вперед. В начале гребкового движения спортсмен плывет по дистанции с некоторой начальной скоростью. Вследствие гребка туловище продвигается вперед со скоростью большей, чем начальная. Гребущие звенья движутся относительно туловища назад быстрее, чем относительно воды. Таким образом, механизм динамического взаимодействия пловца с водой основан на изменениях сопротивления воды, обусловленных в первую очередь скоростью движения частей тела относительно воды.

Рассмотрим рабочее движение пловца прямой рукой, стоя на дне (см. рис. 4). Данное движение будет выполняться за счет вращения по отношению к плечевому суставу. При движении руки по ее длине возникают силы гидродинамического давления как результат сопротивления воды. Для удобства в данном рисунке не указывается сила давления на воду, которая равна силе сопротивления и направлена в противоположную сторону. Наибольшая величина сопротивления будет у кисти за счет ее большей скорости, площади и коэффициента обтекаемости. Величина сил сопротивления на руке постепенно падает от кисти к плечу (на рис. 5 это показано уменьшением длины стрелок). Равнодействующая этих сил приложена у запястья и направлена в сторону, противоположную прилагаемым усилиям. По правилу параллелограмма одна из составляющих направлена вперед (Рх -- сила тяги). Другая составляющая (Ру), в зависимости от положения руки, будет направлена вверх (положение I) или вниз (положение Ш). Наиболее выгодно положение II, когда равнодействующая сила полностью направлена на продвижение пловца вперед.

По такому же правилу разложения сил рассмотрим и рабочее движение ногами способом кроль на груди (см. рис. 5) и плавании баттерфляем (рис. 6). Во время движения сверху вниз вследствие сопротивления воды возникает результирующая сила, направленная вперед и вверх. Ее можно разложить на две составляющие, одна из них будет направлена вперед -- Рх, другая -- вверх -- Ру.

В отличие от стационарного положения, во время плавания картина действия сил выглядит несколько сложнее, т. к. конечности пловца совершают не одно, а два движения. Сюда же можно добавить и одновременную работу рук и ног. Сам характер движения также различен. Если при движении ног кролем на груди при работе у бортика наблюдается положительное давление на всей длине ноги, то в движении у пловца такое давление наблюдается только на стопе и небольшой части голени. В отличие от движений руки, ноги кролиста не обретают скорости, превышающей скорость потока. В лучшем случае эта скорость сравнивается со скоростью обтекающего потока. Однако стопа во время движения имеет значительные вертикальные скорости. При наклонном положении стопы по отношению к направлению движения образуются силы, продвигающие пловца вперед.

Величина силы тяги рук пловца обычно находится в пределах 16-18 кг, а сила тяги ног при плавании кролем -- 10-12 кг. Приложение сил у пловца по времени составляет 0,3-0,5сек.

Движущая, или пропульсивная (продвигающая) сила. Эта сила возникает в результате активной мышечной деятельности пловца и представляет собой сумму действия двух сил -- лобового сопротивления и подъемной силы, возникающей при плавательных движениях. Она определяет скорость и направление движения тела пловца. Прямо измерить пропульсивную силу не удается, ее определяют у спортсмена, привязанного к измерительному устройству. Наибольшая движущая сила зарегистрирована при «привязанном» плавании способом брасс -- около 22 кг. При других способах плавания эта сила примерно одинакова -- максимально 13-14 кг. В брассе наибольший вклад дает работа ног, а в кроле на груди и на спине -- работа рук. В плавании способом баттерфляй движущая сила рук и ног примерно одинакова.

Лобовое сопротивление. При плавании основная мышечная работа затрачивается не на удержание тела на воде, а на преодоление силы сопротивления движению тела, которая называется лобовым сопротивлением. Ее величина зависит от вязкости воды, размеров и формы тела, а главное -- от скорости продвижения его.

При высокой скорости продвижения в воде преодоление лобового сопротивления составляет главный компонент физической нагрузки для пловца. Если путем буксировки протягивать тело человека по воде, то лобовое сопротивление этому пассивному продвижению растет примерно пропорционально квадрату скорости буксировки. При активном плавании из- за движений головой, туловищем и конечностями лобовое сопротивление больше: при плавании кролем примерно в 1,5 раза, а при брассе -- в 2 раза.

Силы лобового сопротивления доминируют, особенно на решающих участках гребковых траекторий в способах плавания кроль на груди, кроль на спине и баттерфляй. Величина сил лобового сопротивления, создаваемая на гребущих плоскостях (кисть и предплечье), значительно превышает величину подъемной силы.

В способе брасс как лобовое сопротивление, так и подъемная сила вносят вклад в создание результирующей продвигающей силы как во время разведения, так и сведения рук. Однако направление силы лобового сопротивления не совпадает с направлением вектора скорости тела. Таким образом, подъемная сила, образованная за счет движения кистей рук под углом атаки к потоку в плоскости, перпендикулярной направлению движения, является главным и почти единственным компонентом продвигающего усилия.

Общепризнано, что и подъемная сила (лифт), и лобовое сопротивление должны рассматриваться как компоненты пропульсивных сил в плавании. Пловцы должны максимизировать обе силы, создающие продвижение. В то время как пловец давит на воду в направлении назад, жидкость под рукой замедляется пропорционально углу атаки кисти и силам трения. Когда угол острый, замедление незначительное и возникающие силы лифта и лобового сопротивления малы по величине. Когда угол атаки больше, замедление потока относительно кисти более значительно, что ведет к возрастанию реакции опоры на кисти. Результирующая сила акции может быть разложена на подъемную силу и лобовое сопротивление. Замедление потока жидкости также дополняется сопротивлением трения поверхности кисти и предплечья и сопротивлением формы, обусловленным размером и формой руки.

При движении вперед вниз создается сила, тормозящая движение пловца, несмотря на то, что в это же время на руке создается лифт. В большинстве вариантов гребковых движений присутствует элемент поперечных движений.

Пловцы никогда не выполняют гребок прямолинейно спереди назад. В

брассе движения, направленные в стороны, даже акцентированы.

Другая черта гребка -- асимметрия в движениях рук. Сильная рука старается сбалансировать движение слабой руки. Поэтому весьма маловероятно, что можно найти идеальные варианты траектории гребка.

Измерение сил в плавании представляется весьма затруднительным, так как имеет место взаимодействие сегментов. Когда изолированно рассматривается только один сегмент, это может привести к ошибочным заключениям. Даже теперь, когда состояние развития методов измерения значительно лучше, чем ранее, оно все еще оставляет желать лучшего.

На ранних и заключительных стадиях гребковые движения имеют значительный вертикальный компонент. Чтобы развить продвигающее усилие, кисть-предплечье должны быть погружены на достаточную глубину и затем следовать в направлении, при котором создается максимальный горизонтальный компонент усилия. После того как были созданы максимальные продвигающие усилия, руку следует вынуть из воды для проноса. Выражается точки зрения, что ранний и поздний участки подводного движения руки должны считаться «переходными». Наблюдения и опрос пловцов показывают, что на этих переходных участках гребковых движений не создается продвигающего усилия, и пловцы не чувствуют, что они создают такие усилия. Термин «гребок» должен быть зарезервирован для тех фаз, где действительно создается продвижение (ускорение).

Путь, который преодолевают кисть и предплечье под водой, не всегда способствуют созданию продвижения. Некоторые участки траектории и движения скорее затрудняют продвижение, чем помогают ему. Например когда кисть входит в воду и продолжается выпрямление руки вперед под водой -- трение, сопротивление формы и волновое сопротивление возрастают и затрудняют продвижение пловца. Эти вредные силы снижают эффективность гребковых движений.

Современная техника измерения силы для кисти во время переходной фазы после входа в воду и основной фазы гребка позволяет установить достаточно удовлетворительно, что делает кисть этих стадиях. В то же время для переходной стадии на выходе из воды удовлетворительных результатов получить не удалось. На переходной стадии входа руки в воду в кроле на груди и баттерфляе лифт и лобовое сопротивление создаются на дистальных звеньях. Поток как бы двигается со стороны пальцев вверх по руке. На переходной фазе выхода руки из воды локоть «ведет» за собой кисть. Это означает, что поток как бы стекает вниз по руке и отрывается от пальцев, т. е. движение потока относительно руки прямо противоположно тому, что наблюдается на входе. Также вероятно то, что значительная турбулентность возникает на тыльной поверхности кисти.

Когда гребковые движения могут быть выполнены преимущественно в горизонтальном направлении, кинематическая пара кисть-предплечье создает тем большую реакцию, чем более ее ориентация приближается к перпендикулярному по отношению к направлению движения. Может быть расположение пары кисть-предплечье точно под прямым углом и не является самым эффективным, так как траектория гребка должна способствовать не только созданию максимальных пропульсивных сил, но также выполняет функцию противодействия вращательным силам, действующим в нескольких направлениях.

Когда переходная фаза входа руки в воду выполняется слишком глубоко, траектория основной части гребка «скользит» вверх плавно или ступенчато. Благодаря значительному вертикальному компоненту при снижении горизонтального компонента сила лобового сопротивления снижается и часть полезной для продвижения вперед энергии теряется. Это может указывать на то, что нужно избегать чрезмерного погружения руки при входе в воду, чтобы эффективно использовать энергию гребка в направлении продвижения.

Соотношение вклада лобового сопротивления и подъемной силы в продвижение в заданном направлении зависит от нескольких факторов:

а) фазы гребка;

б) угла атаки пары кисть-предплечье по отношению к направлению гребка;

в) угла, образованного парой кисть-предплечье по отношению к направлению движения;

г) направления результирующей силы;

д) ориентацией пары кисть-предплечье в трехмерном пространстве;

е) вращения кисти и предплечья.

При оценке техники гребка следует принять во внимание:

— вариант гребка должен создавать значительный компонент лобового сопротивления и поддерживать его в течение столь длительного времени, сколько это позволят переходные фазы входа и выхода руки. Потенциальный прирост силы лобового сопротивления гораздо выше, чем приращение подъемной силы;

— когда гребок выполняется преимущественно в горизонтальном направлении при преимущественно перпендикулярной ориентации пары кисть-предплечье к направлению движения, отклонения кисти от прямого угла атаки имеют целью уравновесить боковые силы;

— следует пытаться ощутить давление на пару кисть-предплечье. Чем дольше это ощущение будет поддерживаться во время гребка, тем дольше будут поддерживаться силы лобового сопротивления;

— во время переходной фазы входа руки в воду, когда вертикальный компонент гребка значительный, необходимо ориентировать кисть- предплечье так, чтобы максимизировать подъемную силу и одновременно стараться быстрее пройти эту стадию гребка.

Варианты гребков. Наблюдаемая ориентация кисти у

высококвалифицированных пловцов показывает, что углы атаки кисти у них такие, что способствуют больше образованию лобового сопротивления, чем подъемной силы. В то же время углы атаки кисти очень редко оказываются 90 градусов или около того. Ориентация кисти не только преследует цель создания максимальной продвигающей силы, но и должна способствовать компенсации вертикальных движений при проносе рук, дыхании, работе ног. Во всех способах плавания необходимы компромиссные положения, так как движения никогда не подчинены только созданию продвижения.

Считается, что главной силой, создающей продвижение в способах кроль на груди, на спине и в баттерфляе, является сила лобового сопротивления. Влияние подъемной силы является минимальным. В то же время оказывается, что никакая сила не является единственной, ответственной за создание продвижения.

В плавании кролем на груди, когда рука выходит из воды и начинает пронос вперед, тело испытывает вращательный эффект. Этот эффект частично компенсируется ударом ноги, но в то же время успевает оказать воздействие на гребок противоположной руки. При этом в начале гребка наблюдается движение кисти кнаружи. Это движение создает и подъемная сила, и сила лобового сопротивления.

Последующее движение назад внутрь может быть не столько результатом поиска стоячей воды, сколько движением, компенсирующим анатомические недостатки тела человека. Средний участок траектории гребка в кроле на груди характеризуется выраженным смещением руки внутрь вверх, компенсирующим вращение тела вокруг продольной оси, в то время как противоположная рука завершает выполнение проноса и входит в воду.

В кроле на спине характерный J-образный тип гребка, при котором кисть по мере выполнения гребка скользит вверх к поверхности, вызван просто сгибанием локтя. Это делается с тем, чтобы приложить большую продвигающую силу в оптимальном направлении и по мере того как локоть движется вниз, вектор реакции направляется вверх.

Боковые компоненты гребковых движений могут иметь очень простое объяснение. Они обусловлены анатомическими особенностями тела человека. Ротационные боковые силы развиваются:

— во время проноса рук над водой, выполняемого частично через стороны;

— кренами тела, достигающими в кроле на груди и на спине почти 90

градусов;

— приведением в плечевом суставе в середине гребка;

— когда необходимо вывести кисти из-под тела для выполнения переноса;

— силами, созданными поворотами головы для вдоха.

Эти поперечные силы должны быть уравновешены поперечными движениями ног или рук во время гребков. Когда они действительно имеют место в гребковых движениях, они создают силы противодействия (реакции) для сохранения прямолинейного поступательного движения тела с целью создать подъемную силу. Эти движения есть результат противодействия. Возможно, что при более совершенной анатомии тела человека никакие поперечные компоненты движений не понадобились бы: двигательный аппарат человека просто стремился бы генерировать лобовое сопротивление на гребущих поверхностях для эффективного продвижения вперед.

Когда рука находится в воде, она не всегда создает продвигающую силу, а только тогда, когда движется в определенном направлении с определенным углом атаки. Остальное время, пока рука находится в воде, она увеличивает общее динамическое сопротивление тела. Весьма вероятно, что пловцы должны стараться минимизировать время, в течение которого рука создает дополнительное сопротивление, и максимизировать время, в течение которого рука создает продвигающую силу.

Сила лобового сопротивления является доминирующей при создании продвигающей силы при плаванием кролем на груди, на спине и баттерфляем.

Создание продвигающей силы в брассе происходит иначе, чем в других способах плавания. Траектория движений рук имеет доминирующий латеральный компонент. Результирующая продвигающая сила создается одновременными движениями обеих рук. Характерно, что компоненты силы, обусловленные лобовым сопротивлением, направлены в стороны от направления движения, частично погашают друг друга и вносят минимальный вклад в создание продвижения. Таким образом основной вклад в создание продвигающей силы вносит подъемная сила, возникающая на кистях и предплечьях в стороны под углом атаки. Интересно отметить тот факт, что общее гидродинамическое сопротивление, создаваемое во время выноса руки вперед, превышает величину тяги, создаваемой пловцом во время гребка.

Силы гидродинамического сопротивления. Когда пловец не создает достаточную по величине продвигающую силу, скорость его замедляется. Часто можно наблюдать то, что некоторые пловцы как бы скользят по воде без видимого усилия. Другие производят хорошее впечатление при плавании на низких скоростях, но при попытке увеличить скорость оказывается, что они не в состоянии это сделать. Данные факты обусловлены величиной сопротивления, создаваемого пловцами во время плавания.

Существует три компонента общего гидродинамического сопротивления (базируясь на данных гидродинамики и исследованиях в области кораблестроения):

а) поверхностное (сопротивление трения);

б) вихревое сопротивление, или сопротивление формы, обусловленное образованием зоны вихрей в кильватере тела и пропорциональное площади поперечного сечения тела, взаимодействующей с «набегающим» потоком;

в) волновое сопротивление, образованное частью объема воды, вытесняемого телом.

Эта классификация имеет практическое значение для тренеров и пловцов. Тем не менее, в последние годы исследования сконцентрировались вокруг соотношения активного и пассивного сопротивления. Пассивное сопротивление -- это сопротивление, испытываемое телом пловца при пассивной буксировке в стоячей воде или при экспозиции подвижному потоку в гидроканале. Обычно пассивное сопротивление измеряется в положении скольжения. Активное сопротивление создается движениями пловцов и, как считается, включает в себя величину пассивного сопротивления (активное сопротивление всегда больше пассивного). Другие исследователи заостряли внимание на отдельных видах сопротивления: лобовом, вихревом, сопротивлении трения. Следует отметить, что фронтальное и вихревое сопротивление являются категориями, описывающими один и тот же вид сопротивления -- сопротивления давления (или формы), обусловленного градиентом сил давления на фронтальной и тыльной поверхностях тела.

Важно провести анализ сопротивления во время соревнований. Если удастся снизить величину общего гидродинамического сопротивления, то таким образом можно будет увеличить скорость плавания. Внимание тренеров должно быть сосредоточено на действиях, снижающих тормозящие силы и повышающих скорость плавания. Понимание природы сопротивления является необходимым элементом современной теории подготовки пловцов. Эта проблема имеет гораздо большее практическое значение, чем ранее предполагалось. Выполнение рабочих движений ни в коей мере не должно сопровождаться созданием излишнего сопротивления. Умеренное рабочее усилие при минимальном сопротивлении может иметь гораздо больший полезный эффект, чем максимальное усилие, сопровождаемое значительным увеличением сопротивления.

Гидродинамическое сопротивление, действующее на тело (за исключением кистей и предплечья), должно быть настолько маленьким, насколько это возможно. Угол атаки тела, его поперечное сечение в направлении движения и площадь смачиваемой поверхности должны быть минимизированы. Каждый из трех видов сопротивления имеет прямое приложение к работе над совершенствованием техники плавания. Категории активного и пассивного сопротивления являются слишком общими для использования на практике.

Сопротивление трения (поверхностное сопротивление) возникает при движении потока вдоль грубой поверхности. Эта часть пассивного сопротивления. Гладкость кожного покрова, волосяной покров, качество плавательного костюма являются факторами, создающими трение при движении пловца в водной среде. Зависимость сопротивления трения от скорости плавания носит линейный характер. Считается, что при скорости плавания 1-2 м/сек доля сопротивления трения от суммарной величины гидродинамического сопротивления составляет примерно 15-20 %.

Секрет снижения сопротивления трения кроется в поддержании ламинарного характера обтекающего потока. Вода в ламинарном потоке напоминает «многослойный бутерброд», каждый слой которого скользит относительно соседнего. Пограничный слой потока как бы прилипает к его поверхности и движется с той же скоростью, что и тело. Каждый последующий слой движется с несколько меньшей скоростью, чем предыдущей. На некотором расстоянии от тела слои воды остаются неподвижными. Данная совокупность водных слоев, достаточно тонкая (толщина зависит от качества поверхности тела и скорости движения). Пока поток остается ламинарным, он как бы обеспечивает смазку для скольжения тела сквозь воду. Малейшая шероховатость, острые выступы вызывают вихреобразование (турбулентность). В турбулентном пограничном слое вода, контактирующая с телом или тканью костюма, закручивается в микроскопические вихри, трение повышается и отнимает полезную энергию от движущегося тела. Маловероятно, что тело человека целиком обтекается ламинарным потоком. Скорее всего, лишь некоторые участки его поверхности. Тем не менее, снижение турбулентности в пограничном потоке может привести к снижению общего сопротивления.

Бритье волосяного покрова кожи на теле и ногах, но не на предплечьях может снизить сопротивление трения. Снижение трения сопровождается снижением энергозатрат на каждый гребок. Плотно облегающий костюм из ткани со структурой, снижающей вихреобразование -- еще один способ снижения сопротивления трения.

Необходимо подчеркнуть, что трущая поверхность должна не обязательно быть предельно гладкой, но скорее иметь текстуру, удерживающую тончайшую водяную пленку, увлекаемую пловцом на своем теле. Результатом будет трение воды о воду, которое намного меньше по величине, чем трение даже очень гладкой кожи о воду.

Сопротивление формы обусловлено особенностями геометрии тела пловца и является еще одним компонентом пассивного сопротивления (но может быть и частью активного сопротивления). Его величина зависит от плотности воды, формы и площади поперечного сечения тела и пропорциональна квадрату скорости. Наибольшая площадь поперечного сечения, перпендикулярная потоку, у взрослого спортсмена в горизонтальном положении с вытянутыми вперед руками составляет 0,0700,095 м².

Когда тело движется в водной среде, силы сопротивления среды действуют на тело в направлении строго назад. Эти силы составляют сопротивление формы. Когда встречный поток взаимодействуют с телом, он направляется в стороны и следует вдоль контура тела. Если тело обладает обтекаемой формой, водный поток движется почти беспрепятственно вдоль тела. Если же форма не является обтекаемой, как форма руки, подставленной перпендикулярно потоку, вода не может плавно обтечь такое препятствие, и происходит отрыв потока с образованием вихревых «карманов» и воронок позади тела (руки).

Интересной особенностью таких «карманов» является пониженное давление в этих объемах. Это низкое давление взаимодействует с высоким давлением (напором) воды на фронтальной поверхности тела. Результирующий градиент давления и определяет величину сопротивления

формы.

Этот вид сопротивления тем больше, чем выше скорость плавания. Вместе с тормозящим эффектом, оказывающим на тело пловца, сопротивление формы вносит вклад в создание подъемной силы, а также продвигающих сил, создаваемых кистью и предплечьем в гребковых движениях.

Сопротивление формы увеличивается, если положение тела пловца отклоняется от горизонтального (приподнимание головы, вертикальные движения туловища). Это ведет к периодическому увеличению площади поперечного сечения и, соответственно, к снижению скорости плавания.

Сопротивление формы может быть снижено путем придания телу горизонтальной ориентации. Нужно стараться, чтобы таз и бедра двигались в пространстве, как бы в проекции головы и плеч. То есть нужно плыть так плоско, как это возможно. Так новый вариант удара ног в брассе призван уменьшить опускание колен вниз. Во время удара ногами бедра приподнимаются вверх. Максимальная продвигающая сила, таким образом, достигается при более обтекаемом положении тела.

Волновое сопротивление создается при движении пловца по поверхности воды или на незначительной глубине под водой. Так как волнообразование требует энергии, то единственным ее источником является пловец. Энергия, которая может быть использована для создания пропульсивных сил, теряется на волнообразование.

Возникающие на поверхности воды при движении пловца волны могут быть разбиты на две группы: на систему расходящихся и поперечных волн. Расходящиеся (или по-другому -- косые) волны возникают у передней и задней части тела. Гребни косых волн расположены по отношению к диаметральной плоскости под углом около 40°. Линии, проходящие через начало косых волн, составляют к диаметральной плоскости угол около 20°.

Поперечные волны движутся поперек линии движения. Если посмотреть на пловца сбоку, то можно увидеть, что у линии головы и плеч поднимается передняя волна. В этом месте зарождаются как косые, так и поперечные волны. Поперечную волну необходимо учитывать при выполнении вдоха и при движении рук над водой. Гребень передней волны расположен у головы.

Следующая волна начинает подниматься за тазом. Впадина между передней и задней волнами расположена у поясницы. При медленном плавании эти волны отчетливо не видны. Однако при максимальной скорости они значительно увеличиваются, а спина пловца обнажается почти до поясницы.

Источниками волнообразования являются:

— акцентированные вертикальные движения («вылетание» из воды в баттерфляе, приподнимание головы для вдоха в кроле);

— поперечные и любые другие движения, отклоняющие тело от горизонтального положения;

— неравномерное продвижение пловца («рывки») также создает волны.

Волновое сопротивление -- наиболее вредное. Оно увеличивается пропорционально кубу скорости пловца. В то же время этот вид сопротивления может являться объектом контроля пловца. Величина волнового сопротивления может быть снижена за счет устранения излишних вертикальных и боковых движений.

Каждый вид гидродинамического сопротивления вносит вклад в снижение скорости плавания. Нужно помнить, что когда пловец увеличивает скорость плавания в 2 раза, сопротивление трения также возрастает в 2 раза, в то время как сопротивление формы возрастает в 4 раза, а волновое сопротивление -- в 8 раз!!! С увеличением скорости волновое сопротивление и сопротивление формы увеличиваются настолько, что наступает момент, когда дальнейшее увеличение мощности движений (и энергозатрат) не будет сопровождаться улучшением результата.

Поэтому каждое новое техническое действие, которому обучается пловец, должно быть предварительно оценено с позиций создаваемого гидродинамического сопротивления. Сопротивление снижает скорость плавания. Эффективная техника, прежде всего, создает наименьшее сопротивление и таким образом повышает эффективность плавательных движений.

Анатомические и физиологические основы плавания

Анатомическими и физиологическими особенностями человека в известной мере определяется способность плавания и его эффективность.

При всех равных условиях преимуществом будет обладать пловец с большими габаритами тела и «рычагами» -- рост, обхват груди, длина рук, ног. Особое значение имеет площадь гребущих поверхностей -- кисть, и особенно стопа. Для спортсменов-пловцов, как правило, характерно увеличение размеров стопы, поэтому размеры обуви у них могут быть на несколько размеров больше своих сверстников и не соответствовать пропорции с ростом.

В то же время люди с большой поверхностью тела испытывают более значительное сопротивление воды, чем люди с меньшей поверхностью тела. Соответственно, у мужчин лобовое сопротивление в среднем больше, чем у женщин. Однако при учете размеров поверхности тела это различие между женщинами и мужчинами несущественно. На величину лобового сопротивления влияет положение (форма) тела в воде при разных стилях плавания и в различные фазы плавательного цикла.

В целом можно сказать, что эффективность плавательных движений в значительной степени определяется подвижностью в плечевых суставах, плечевом поясе, позвоночном столбе (его грудном и поясничном отделах), в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах.

Помимо подвижности в основных суставных группах, при овладении техникой плавания надо учитывать, что мышцы можно отнести к упруговязким телам. Наличие упругости у мышц создает возможность передачи энергии сокращения одних мышечных групп к другим. Например, для движений ног при плавании это свойство весьма существенно, так как непосредственным движителем является стопа и часть голени.

Анатомическое строение тела во многом предопределяет способность держаться на воде. Величина подъемной (выталкивающая) силы зависит, во- первых, от веса (объема) различных тканей тела (прежде всего мышц и жировой ткани) и их соотношения в теле данного человека; во-вторых, от степени погружения тела в воду, точнее, от веса (объема) частей тела, находящихся над и под поверхностью воды, и, в-третьих, от объема воздуха в легких. Вес тела в воде составляет лишь несколько килограммов. У людей с большим количеством жира потопляющая сила (вес тела в воде) равна 0, так что они способны удерживаться на поверхности воды без каких-либо дополнительных усилий. Поскольку у женщин объем жировой ткани относительно больше, положение тела в воде у них обычно более высокое, чем у мужчин. Именно поэтому при всех равных условиях женщинам легче держаться на воде и легче освоить навык плавания. Мужчинам, у которых костно-мышечная ткань плотнее, а жировых отложений меньше (опять же при равных усредненных показателях), приходится более активно действовать в воде, двигаться. Среди пловцов большую плавучесть имеют стайеры, тело которых занимает более горизонтальное положение (ближе к поверхности воды), так как они имеют большее жировое депо и более низкий удельный вес тела, чем спринтеры (соответственно 1,0729 и 1,0786).

Когда тело спокойно удерживается на воде, некоторые части тела находятся над водой и легкие лишь отчасти заполнены воздухом. Поэтому на тело действует потопляющая сила, которой должна противостоять мышечная активность, создающая противоположно направленную силу. О степени этой активности можно судить по величине потребления кислорода сверх уровня полного покоя. Чем больше потопляющая сила, тем сильнее должна быть мышечная работа для удержания тела у поверхности воды и тем выше потребление кислорода. У женщин эта сила колеблется в пределах 1,6-4,7 кг, у мужчин -- 4,9-5,8 кг.

Расходы энергии у человека при плавании примерно в 30 раз больше, чем у рыбы сходных размеров, и в 5-10 раз больше, чем при беге с той же скоростью. При очень низкой скорости плавания значительные различия в энергетических расходах у людей объясняются разной потопляющей силой (плавучестью) у них. При плавании с одинаковой скоростью женщины расходуют меньше энергии, чем мужчины, главным образом потому, что у женщин больше плавучесть.

С увеличением скорости плавания потребление кислорода возрастает при плавании кролем на груди экспоненциально (примерно пропорционально квадрату скорости), а при плавании брассом и баттерфляем -- линейно, лишь несколько замедляясь при большой скорости. Такой характер зависимости между энергетическими расходами (потреблением кислорода) и скоростью плавания разными способами объясняется прежде всего особенностями изменения лобового сопротивления и механической эффективности. Энергетические расходы при плавании брассом и баттерфляем вдвое больше, чем при плавании кролем на груди.

Наибольшее потребление кислорода, которое может быть достигнуто при работе только руками или только ногами, составляет соответственно 7080 и 80-90 % от наибольшего его потребления при полноценном плавании. Максимальная скорость плавания при работе руками меньше, чем при работе руками и ногами, что соответственно ведет к более низкому потреблению кислорода. Однако при плавании кролем это различие крайне мало, что связано с высокой эффективностью гребков руками.

На дистанции 100 м (50-60 с) примерно 80 % энергии обеспечивается анаэробным путем (околомаксимальная анаэробная мощность). С увеличением дистанции возрастает аэробный компонент энергопродукции: на дистанции 400 м он превышает 50 % общей энергопродукции. На дистанциях 800 и 1500 м очень важную роль играют мощность и емкость кислородной системы организма пловца.

Скорость, начиная с которой содержание молочной кислоты в крови быстро увеличивается (анаэробный лактацидемический порог), соответствует примерно 80 % от МПК (максимального потребления кислорода). Тренированные пловцы способны работать на относительно высоком уровне потребления кислорода (60-70 % от МПК) без повышения содержания лактата в крови. При максимальной скорости плавания анаэробный гликолиз обеспечивает 50-60 % энергии. Максимальная концентрация лактата в крови у высококвалифицированных спортсменов достигает 18 ммоль/л.

Эффективность работы определяется как выраженное в процентах отношение полезной работы к расходуемой для ее выполнения энергии. В общих чертах эффективность плавания считается крайне низкой по сравнению с наземным локомоциями. Даже у высококвалифицированных пловцов она составляет 4-7 %. Для сравнения: механическая эффективность наземной работы -- ходьбы, бега, работы на велоэргометре -- 20-30 %. Отметим, однако, что при работе на ручном эргометре на «суше» эффективность также низкая -- примерно 10 %. Наибольшая эффективность отмечается при плавании кролем -- 6-7 % (максимум до 15 %), наименьшая

— брассом (4-6 %).

При одинаковой скорости плавания (одним и тем же способом) тренированный пловец расходует заметно меньше энергии, чем нетренированный. Эффективность плавания у нетренированного человека может быть в 8 раз меньше, чем у высококвалифицированного пловца. Индивидуальные колебания механической эффективности в плавании значительно больше, чем в таких видах наземной спортивной деятельности, как бег, ходьба, работа на велоэргометре.

Исключительно большие различия в потреблении кислорода не только между нетренированными и тренированными людьми, но даже между высокотренированными пловцами указывают прежде всего на сложность плавательной техники. Кроме того, большое значение, как уже отмечалось, имеют размеры и форма тела (определяющие лобовое сопротивление), положение тела в воде, размеры и подвижность «весел», создающих движущую силу.

...