Основы гидростатики и гидродинамики в плавании

У рыб и морских  животных пограничный слой очень  тонок. Его максимальная величина составляет не более нескольких процентов от толщины рыбы. Таким образом, скорость для многих рыб оказывается независимой от размеров тела.

Относительный вклад данного вида сопротивления  — примерно 15 % . Этот вид сопротивления играет существенную роль лишь тогда, когда тело имеет правильную сигарообразную форму и обтекаемо. Напротив, у человека даже в вытянутом положении возмущение жидкости значительно, и при его пассивной буксировке не наблюдается плавного обтекания потоками.

Как же на практике учитывать влияние сопротивления  трения?

Во-первых, следует помнить, что снижению сопротивления трения способствует более обтекаемая форма; во-вторых, следить за оптимальным положением тела в воде, избегать его излишних прогибов, в частности в грудном и поясничном отделах; в-третьих — тщательно подбирать купальный костюм; в-четвертых — использовать различные смазки (если, конечно, речь не идет о чисто спортивном плавании).

Особого разговора заслуживает  купальный костюм пловца. Сегодня  — это сложная конструкция  синтетической непромокаемой ткани, плотно облегающая фигуру спортсмена. Требования к купальному костюму оговариваются правилами соревнований.

Бытует еще мнение, что  на сопротивление трения существенное влияние оказывает волосяной покров кожи. В специальной литературе практически отсутствуют сведения, свидетельствующие о том, что такая взаимосвязь действительно существует. Кроме того, выполнялись отдельные экспериментальные работы, которые показали отсутствие статистически значимых отличий. Скорее, это проблема психологического порядка. Не случайно высококвалифицированные спортсмены сбривают волосяной покров перед ответственным финальным заплывом и никогда не делают это по несколько раз в день: тем самым удается лучше «почувствовать воду».

Сопротивление вихреобразования. Что такое вихрь? Вихрь — это группа частиц жидкости, вращающихся вокруг одной мгновенной оси с одинаковой угловой скоростью. Ось может быть подвижна и неподвижна в пространстве.

Вихри образуются на границе смежных слоев воды, текущих с разными скоростями, например, в пограничном слое. Они  могут возникать при резком изменении направлений течения, наблюдающихся у тел, помещенных в потоки жидкости, либо вследствие рабочих движений пловца; например, в кроле на груди — в момент перехода рабочего движения ногами в подготовительное, когда резко меняется направление движения. Вихри образуются на поверхности руки в момент выполнения ею рабочего движения. Вихри остаются в следе после проплывания спортсмена, они формируются на границе «воздух—вода» в соответствующих способах плавания.

Образованию вихрей способствует и неправильная форма человеческого тела, несмотря на благоприятное соотношение длиннотных и поперечных размеров тела (оно примерно такое же, как у рыб и морских животных — 6:1). Выступающие части тела, — такие, как голова, плечи, ягодицы, колени, стопы, — не способствуют равномерному обтеканию потоками жидкости. Фактически вихреобразование начинается уже на уровне головы и линии плеч, но все-таки отрыв струй жидкости происходит большей частью сзади движущегося тела.

Ситуация еще  более усугубляется, если принять во внимание тот факт, что положение отдельных частей тела, да и всего тела в целом, при плавании постоянно меняется.

Согласно закону Бернулли, на поверхности тела, на разных его участках, изменяется давление. Оно повышается там, где скорость обтекания снижается, и снижается там, где скорость повышается. При этом изменяются направления потоков жидкости: они устремляются в первую очередь в области более низкого давления. Сталкиваясь, они либо суммируются, либо нивелируют друг друга. Все это сопровождается огромными диссипациями энергии. Особенно велика область беспорядочного вихревого движения непосредственно за телом. Суммарно давление здесь столь понижено, что это заметно препятствует движению тела пловца в заданном направлении.

Вихреобразование  можно зафиксировать киносъемкой по пузырькам воздуха, которые увлекаются под воду благодаря подсасывающему действию вихрей. При этом лучше использовать повышенную частоту кадров (более 24/с). Вызванные потоки можно зарегистрировать с помощью индикатора-красителя — марганцовокислого калия.

Относительный вклад сопротивления вихреобразования в общее сопротивление телу пловца составляет примерно 65—75 % . Его нередко  называют сопротивлением формы, ибо  оно практически полностью зависит  от формы, размеров тела и состояния его поверхности.

Если еще  раз обратиться к известной формуле:

где:   v — скорость движения тела; р — плотность воды; S — площадь наибольшего поперечного сечения

при проекции на фронтальную плоскость; С — коэффициент  обтекаемости,

то становится очевидным, что сопротивление определяется главным образом формой тела и его поперечными размерами. Действительно, наибольшие корреляционные зависимости сопротивления воды зарегистрированы с такими показателями, как вес тела, окружность грудной клетки, ширина плеч, окружность бедра. Современные пловцы — это атлеты высокого роста, стройные и худощавые. Удлиненные формы способствуют переносу места отрыва потоков воды ближе к «хвостовой» (по аналогии с рыбами) части тела. Турбулентный слой при этом будет значительно уже.

В практике спортивного  плавания используется индекс Брока, который представляет собой число, полученное путем вычитания из величины показателя роста спортсмена (в сантиметрах) числа 100 и веса спортсмена, выраженного в килограммах.

В проведенном сравнительном исследовании Н.Ж. Булгакова (1980) обратила внимание на любопытную особенность: финалисты Олимпийских игр на каждой из дистанций выше остальных участников в среднем на 3—4 см. А посредственно выступившие на отдельных дистанциях участники сборной команды СССР уступают в показателе роста олимпийским чемпионам на этой дистанции 6—7 см! Если данный показатель действительно столь жестко детерминирован целым рядом причин и лимитирует спортивный результат в плавании, очевидно, ему  следует уделять большее внимание при отборе и при определении специализации в спортивном плавании.

Особенно высокий  индекс Брока у «спинистов». Это, видимо, не случайно, скорее — закономерно. К примеру, выдающийся пловец — «спинист», чемпион двух Олимпиад Роланд Мат-тес (ГДР) имел показатель роста 188 см, а вес — лишь 60 кг (!); индекс Брока у него соответственно равнялся 28.

У спортсменов, специализирующихся в плавании кролем, величины площади сечений уменьшаются с увеличением дистанции. Известно, что

площадь поперечного сечения коррелирует с силой пловца. С увеличением длины дистанции работа переходит в зону более низкой мощности, не требуя уже больших мышечных усилий, а следовательно, изменяются и требования к морфотипу пловца. На первое место выходят признаки, характеризующие экономичность энергозатрат и гидродинамические качества, в частности, обтекаемость. Самые высокие показатели у спринтеров, наименьшие же, видимо закономерно, — у «спинистов».

Одним из факторов, характеризующих форму тела, является осанка. Пловцы высокого класса существенно различаются по типу осанки в зависимости от специализации. Так, например, у специализирующихся в плавании брассом и дельфином — «кифотический» тип осанки, характеризующийся увеличением угла изгиба позвоночного столба в грудном отделе. Очевидно, несколько приподнятое положение плеч из-за круглой спины обеспечивает первым спортсменам уменьшение угла атаки, снижение гидродинамического сопротивления, вторым — облегчает вынос рук из воды и пронос их по воздуху.

У представителей кроля на груди (короткие и длинные дистанции), плавания на спине и комплексного плавания — незначительные изгибы позвоночного столба в грудном отделе., Очевидно, на этих дистанциях необходима более плоская и более обтекаемая форма тела.

У женщин, представительниц плавания на спине, дельфином, брассом, в комплексном плавании, отличия по обхватным размерам практически отсутствуют. Только спортсменки, специализирующиеся в брассе, имеют большой обхват бедра, а у тех, кто специализируется в плавании кролем, существенные различия наблюдаются лишь в обхватных размерах таза и бедра.

Сопротивление волнообразования. Волнообразование возникает вследствие движений пловца. Передняя часть тела, раздвигая воду, вызывает появление расходящихся волн. Следующая волна, задняя, появляется за тазом. Между передней и задней волной образуется впадина, в которую устремляются потоки жидкости. Это становится причиной образования поперечных волн. На преодоление сил тяжести и давления сдвигаемой в виде волн массы воды затрачивается часть энергии пловца.

Волны образуются при входе рук в  воду (после подготовительного движения), после рабочих движений ногами.

С увеличением  скорости плавания волнообразование возрастает. При скорости плавания менее 1,5 м/с волновое сопротивление невелико. Его значение возрастает на соревновательных скоростях (2 м/с).

Сравнение движений по поверхности и под водой  показывает, что скорость перемещения под водой выше. Такая разница обусловлена именно отсутствием волнообразования.

Причиной волнообразования становятся и другие пловцы. Это происходит во время групповых тренировок и соревнований. Именно поэтому сильнейшие спортсмены получают право тренироваться и выступать по средним дорожкам. Остальные попадают в более неблагоприятные условия.

На скорость плавания оказывают влияние не только волны, возникающие от других пловцов, но и волны, отраженные от бортика бассейна, особенно в небольших бассейнах, при этом по крайним дорожкам плыть значительно тяжелее. Сливные желоба, расположенные в стенках современных бассейнов, частично гасят эти волны. Роль волногасителей играют и распределительные дорожки.

В мелкой воде при той же скорости плавания образуются волны большей высоты, поэтому плавать в мелком бассейне несколько труднее.

Активное  сопротивление. Существует много различных сравнительных индексов, безразмерных коэффициентов, других величин. Их можно анализировать, сопоставлять, экстраполировать на различные гидродинамические ситуации, но гораздо важнее отметить тот факт, что все это чаще всего справедливо для частного случая, какого-то одномоментного состояния, большинство параметров получены в условиях эксперимента, в модельных опытах и не вполне отражают реальные условия.

Известные гидродинамические зависимости  между сопротивлением, движущими силами и скоростью не могут быть перенесены на человеческое тело. Именно поэтому исследователи различают понятия и скрываемые за ними явления — «активное» и «пассивное» сопротивления. Активное сопротивление выше пассивного приблизительно в 1,5—2 раза. По сложившейся же традиции гидродинамическая буксировка пловца отождествляется с сопротивлением активного тела.

Измерение активного  сопротивления крайне затруднительно. Вместе с тем разница существует, и она значительна. Отличие заключается прежде всего в нестационарности условий (колебания скорости, величина осадки двигающегося тела, изменение формы смоченной поверхности и т.д.). Комплексное изучение изменений формы тела на протяжении цикла, движения присоединившейся массы воды, сил инерции оказалось бы весьма плодотворным.

Перспективу исследований могут подсказать наблюдения за рыбами и морскими животными. О скоростях, развиваемых некоторыми морскими животными, ходят легенды. Как бы то ни было, они не лишены оснований. Так, крупный тунец, проглотив живца, начинает разматывать леску спиннинга. Лучшей возможности для измерения скорости этой рыбы трудно и придумать. Измерения показывают, что в течение нескольких секунд он движется со скоростью 90 км/ч.

А рыба-меч питается тунцами. По данным литературы, ее скорость 130 км/ч.

Такой скорости не имеет ни одно подводное судно.

Вызывает восхищение и поведение дельфинов. Хоть они  и не обладают такой же высокой  скоростью, их ловкость и подвижность в воде просто поражают. Очевидно, это происходит благодаря особым гидродинамическим качествам.

Сегодня уже  математически решена задача распределения  динамического давления на поверхности  тела плывущего дельфина (Е.В. Романенко, 1994). Она определенно показывает наличие по крайней мере одного механизма, лежащего в основе снижения сопротивления активно движущемуся телу. Таким механизмом является механизм создания отрицательного градиента давления.

Для того чтобы  был реализован такой механизм, движения должны:

• носить колебательный характер;
• быть организованы по типу правильной синусоиды;
• быть преимущественно в вертикальной плоскости;
• иметь амплитуду, увеличивающуюся в направлении спереди назад.

Если же сегодня  обратиться к технике спортивного  плавания, а именно в спортивном плавании она в наибольшей степени совершенствовалась и видоизменялась, то во многих ее частях можно обнаружить характерную волнистость движений. Наибольшее выражение это получило в способе плавания дельфин. Даже «тихоходный» брасс по мере роста соревновательных скоростей вплотную приблизился к дельфиноподобным движениям. Известно, что с начала 70-х гг. появилась разновидность брасса, получившая название «волнистый стиль», «дельфиноподобный брасс»; американцы назвали такой вариант брасса «европейским» брассом. Пришлось даже внести изменения в правила соревнований. В истории брасса уже была попытка значительного повышения скорости. Ее результат известен: в 1953 г. ФИНА официально зарегистрировала новый спортивный