Основы гидростатики и гидродинамики в плавании

способ плавания — баттерфляй. Пловцы недолго использовали брассовые движения ногами, очень быстро появилась координация, которая встречается в технике современного дельфина. Волнистость движений характерна и для кроля на груди, и для кроля на спине. Таким образом, наблюдая за современной техникой спортивных способов плавания, можно, без сомнения, отметить одно: по мере роста соревновательных скоростей происходит ее «сужение», упорядочение элементов. Это связано с тем, что увеличиваются требования к технике, обусловленные жесткими условиями водной среды, то есть, по сути, приходится сталкиваться со значительным ограничением степени свободы в решении двигательных задач пловца: возможности для выбора оптимального варианта внутри техники спортивного способа плавания явно ограничиваются. В конечном итоге все это говорит в пользу изучения наиболее общих основ техники плавания. Без сомнения, механизм создания отрицательного градиента давления на поверхности тела пловца — один из общих признаков техники.

Очевидно, среда (вода), предъявляя жесткие требования, существенно лимитирует поведение пловца, укладывая его в строгие рамки наиболее общих закономерностей. Изучая эти закономерности, обязательно нужно обращаться к законам движения рыб и животных, обитающих в воде.

Таким образом, чтобы был реализован механизм создания отрицательного градиента давления и, согласно теореме Бернулли, скорость обтекания поверхности была наибольшей, площадку поверхности (отдельную часть биозвена, тела) следует расположить под направлением встречного потока таким образом, чтобы он оказался по касательной к поверхности. Разумеется, это может быть достигнуто лишь посредством сложнейших технических приемов, что и наблюдается в технике спортивно 
го плавания.

Существенное  значение, с точки зрения условий  обтекания, имеет состояние поверхности  тела пловца. Настало время рассматривать кожу как отдельный внутренний орган, а те процессы, которые происходят на границе ее поверхности, как минимум, — на уровне кожно-гальванических реакций.

Эластичность  кожи играет значительную роль в снижении гидродинамического сопротивления.

Попытки исследовать  эластичность кожных покровов предпринимаются достаточно давно. Установлено, что эластичность кожи у женщин лучше, чем у мужчин; у детей лучше, чем у взрослых.

Состояние поверхности  кожи исследуется главным образом  через изучение электрических явлений. Они отражают функциональное состояние вегетативной нервной системы. Кожно-гальваническая реакция входит в качестве компонента в систему ориентировочного рефлекса. Ориентировочная реакция сопровождается уменьшением электрического сопротивления кожи. Это свидетельствует об активации симпатического отдела вегетативной нервной системы и является фактором, способствующим повышению возбудимости коры головного мозга.

Абсолютный  порог кожной чувствительности принято  считать важнейшей характеристикой кожного анализатора. Отражая состояние поверхности кожи, он теснейшим образом связан с большинством характеристик телосложения, косвенно может свидетельствовать о гормональном статусе пловцов, сопряжен с толщиной подкожного жира. Это становится особенно важным в работе с юными спортсменами и при решении проблем спортивного отбора в плавании. Сравнение величин электрокожной чувствительности у квалифицированных пловцов и лиц, не занимающихся спортивным плаванием, свидетельствует о чрезвычайно высоких требованиях спортивного плавания к данному признаку.

С возрастом  порог электрокожной чувствительности повышается.

У пловцов высокой  квалификации наблюдается значительное снижение вариативности отдельных признаков с возрастом, что косвенно указывает на сокращение возможностей взаимной компенсации и ужесточение требований к специфическим для плавания качествам. В ряду этих признаков оказываются рельеф тела и его покров, меньший удельный вес тела, высокая чувствительность кожного анализатора.

Сегодня исследователями  не только изучается состояние электрических явлений на рабочих поверхностях движителей, но и предпринимаются попытки воздействовать на кожу с целью изменения электрических явлений, повышения «чувства воды».

Итак, многие примеры отчетливо свидетельствуют о неидентичности активного и пассивного сопротивлений. Оказывается сложным оценить реальную гидродинамическую ситуацию. Вместе с тем существует целый ряд прямых и косвенных методов исследования активного сопротивления. Среди них особенно следует выделить метод малых возмущений с помощью дополнительного гидродинамического тела, разработанный отечественными учеными СВ. Колмогоровым, О.А. Дуплищевой в начале 90-х гг. XX столетия.

Установлено, что  характеристики пассивного движения достаточно консервативны. При активных же движениях показатели могут иметь значительный диапазон колебаний. Кроме того, одна и та же соревновательная скорость может быть достигнута при различных гидродинамических характеристиках. Даже у одного и того же спортсмена в течение тренировочного сезона индивидуальные показатели отличны.

Установление  строгой количественной меры показателей  реальной гидродинамической ситуации может не только стать надежным ориентиром для дальнейших исследований, но и  широко использоваться в практике спортивного плавания. Пока это возможно лишь на уровне национальной сборной команды. Ориентиром могут служить средние групповые показатели элитных пловцов, представленные в табл. 3.

Гидродинамическая подъемная сила. Как известно, тело пловца по отношению к обтекаемому потоку находится под некоторым углом (углом атаки). Угол будет считаться положительным, если продольная ось тел отклоняется вверх от линии, характеризующей направление движения, и отрицательным — если отклоняется вниз. При взаимодействии со встречным потоком на тело воздействуют силы внутреннего трения, направленные по касательной к телу, и силы давления, направленные всегда перпендикулярно к поверхности тела. В сумме они определяют величину и направление силы реакции воды. В целом по отношению к телу, расположенному под некоторым углом, направление действия силы реакции приближается к перпендикуляру, опущенному к продольной оси тела.

По правилу  параллелограмма, ее можно разложить  на две составляющие: горизонтальную и вертикальную. Вертикальная составляющая и есть не что иное, как подъемная сила.

подъемная сила возникает и на отдельных рабочих звеньях (рис. 8). Действие подъемной силы в известных пределах благоприятно сказывается на продвижении пловца. Она способствует более высокому положению тела по отношению к поверхности воды, тем самым облегчая ему движения над водой и дыхание.

 

С увеличением  угла атаки изменяется коэффициент  сопротивления.

В диапазоне  от 0 до 15° величина коэффициента лобового сопротивления меняется незначительно. В дальнейшем прирост более значителен, и особенно он велик при углах атаки свыше 25°.

При скоростях  перемещения 0,7 м/с и выше, в силу встречного сопротивления, ноги сами приподнимаются до горизонтального положения; при этом пловцу нет необходимости для поддержания положения тела выполнять компенсаторные движения ногами.

Движущие  силы. Сила реакции воды R, являющаяся внешней по отношению к телу пловца, сама по себе вызвать движение пловца не может. Источником его движущих сил служат внутренние силы мышечного сокращения. Сила, которая сообщает пловцу движение вперед (она называется движущей), создается за счет рабочих (тех, которые создают силу тяги) движений руками, ногами, туловищем, то есть главным образом за счет сил активного мышечного сокращения.

Величина движущей силы зависит от мышечной силы пловца и эффективности ее приложения во время гребка. Эффективность движений рабочих звеньев будет рассмотрена подробнее в последующих разделах.

Совокупность  звеньев тела (рабочих звеньев), механически  взаимодействующих с водой для  создания движущей силы, называют движителем. На нем имеются рабочие плоскости (поверхности), благодаря которым происходит отталкивание. На рабочие плоскости движителя действует сила реакции воды

(рис. 9). Она позволяет пловцу опереться о воду и оттолкнуться от нее (согласно третьему закону Ньютона).

Дополнительные движущие силы. При движении взаимосвязанных звеньев тела пловца с ускорением относительно друг друга возникают внутренние инерционные силы. Они направлены в сторону, противоположную ускорению.

Инерционные силы мешают продвижению пловца,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

способствуют  раскачиванию тела, нарушая тем самым  его обтекаемое положение. Это происходит, к примеру, при быстром движении рукой по воздуху через сторону в кроле на груди и на спине.

Инерционные силы могут и способствовать эффективному продвижению вперед. Так, во время плавания кролем инерционные силы, возникающие при ускорении движения руки по воздуху, передаются по цепи звеньев на кисть руки, выполняющей гребок, и усиливают отталкивание от воды.

Во время  входа рук в воду после проноса  по воздуху в подготовительном движении (кроль, дельфин, на спине) или выведения рук вперед (в брассе) встречный поток воды тормозит движение рук вперед. Инерционные силы помогают завершить эту фазу движений и растянуть мышцы плечевого пояса и спины, переводя часть энергии движения в энергию упругого мышечного растяжения. Упругие силы мышц останавливают движение в одном направлении и помогают начать его в обратном.

Наиболее полное использование внутренних инерционных  и упругих сил как дополнительных к силам активного мышечного сокращения — признак высокого технического мастерства спортсмена.

Роль этих сил  возрастает с увеличением темпа  движений.

Во время  плавания верхняя часть туловища, голова, руки спортсмена в отдельные  моменты цикла частично или полностью выходят из воды. При этом уменьшается объем вытесненной жидкости и звенья как бы вновь приобретают свой собственный вес: вес головы составляет примерно 7 % от общего веса, а вес плеча, предплечья и кисти (вместе) — соответственно 3 и 1 %. Суммарно вес этих звеньев может быть равен от 12 (у подростков) до 18 кг у взрослых. Потенциальную энергию высокого положения отмеченных звеньев относительно воды пловцы используют для активного продвижения в заданном направлении: с одной стороны, уменьшается встречное сопротивление, а с другой — облегчается разгон этих звеньев.

Таким образом, представляется необходимым подвести краткий итог и обозначить предпосылки наиболее рациональных способов и приемов продвижения в воде. Это существенно облегчит понимание техники плавания.

1. Система условий, в которых происходят движения пловца, строго специфична.
2. В силу высокой плотности среды движения пловца должны иметь выраженное силовое обеспечение.

3. Поскольку опора подвижная, требуется специальная организация усилий.

4. Движения пловца должны быть экономичными. В этой связи:

• положение тела должно быть обтекаемым в течение всего цикла движений;
• рабочие движения должны выполняться с ускорением;
• в начатых движениях не должно быть ни одной паузы или остановки;
• наиболее эффективен контакт движителя с неподвижными частицами жидкости;
• должно быть оптимальным положение движителя по отношению к направлению выполняемого пловцом движения;
• при прочих равных условиях значительнее других должна быть «горизонтальная составляющая»;
• для создания большей силы тяги площадь рабочих плоскостей должна быть большей.

Рассмотрим, как  это реализуется в частных  движениях пловца. В литературе представлены специальные упражнения, способствующие снижению активного сопротивления:

а) пассивная буксировка на установке контактного силового лидирования на длинных отрезках с включением коротких отрезков активного плавания с максимальной скоростью;

б) плавание в полной координации на соревновательных и выше скоростях на установке бесконтактного лидирования (плавание за специальным гидродинамическим телом с плохой обтекаемостью). В результате появляется возможность совершенствовать технику плавания в соревновательных диапазонах скоростей на фоне низкого уровня функционирования физиологических систем организма;

в) плавание в гидроканале на соревновательных скоростях и выше; при этом верхний слой потока движется с замедленной скоростью;

г) плавание в гидроканале с соревновательной скоростью и выше, когда к пловцу прикреплен груз, тянущий его в направлении, совпадающем с действием сил гидродинамического сопротивления.

Нужны новые  данные. Нужны новые подходы.

Механизмы, обеспечивающие оптимальное положение тела. Уже  отмечалось, что для движения в  воде оптимальна такая форма, которая  имеет соотношение продольных и поперечных размеров тела как 6:1. Для того чтобы приблизиться к этим условиям, тело пловца должно занимать в воде хорошо обтекаемое, вытянутое относительно продольной оси, сравнительно высокое и динамически уравновешенное положение. Угол атаки — 3—5°.