Способы плавания

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 тела в воду и активных движений пловца. Специфические особенности биодинамики плавания связаны с тем. что силы, тормозящие продвижение, значительны, переменны ;. действуют непрерывно. У пловца нет постоянной опоры для оттал­кивания вперед. Она создается во время гребковых движений. В настоящей главе излагаются условия создания сил и движущих. и тормозящих, а также механизм гребковых действий пловца, на­правленных на более эффективное передвижение в воде.

1.ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛА ПЛОВЦА С ВОДОЙ

Погружение в воду обусловливает возникновение сил статиче­ского взаимодействия (выталкивающая сила). Активные движения пловца и продвижение его в воде вызывают силы динамического взаимодействия (лобовое сопротивление, подъемные силы). Следо­вательно, положение тела пловца в воде и его движения обуслов­ливают всю совокупность сил, которые решающим образом опреде­ляют эффективность плавания.

2.Статическое действие водной среды

2.1. Силы, приложенные к плавающему телу

Погруженное в воду тело пловца находится под действием погружающей и выталкивающей сил; при их равенстве тело не всплывает и не тонет.

Погружающая    сила — это  сила  тяжести  тела,   на­правленная вниз и приложенная к его ОЦТ. Выталкивающ, а я   сила    возникает  по закону  Архимеда:  она обусловлена разностью давлений  воды  на  нижнюю  и  верхнюю  поверхности погруженного тела. По величине она равна весу воды в объеме погруженной части тела. При более глубоком и пол­ном погружении выталкивающая сила растет. По мере поднимания

над водой частей тела (например, во время движения руки по воз­духу перед гребком) выталкивающая сила уменьшается. Она на­правлена снизу вверх и приложена к центру объема тела, если все тело полностью погружено в воду. Если тело погружено в воду не полностью, то выталкивающая сила приложена к центру объема погруженной части всего тела.

Таким образом, погружающая сила постоянна по величине, но меняет точку приложения при изменении позы. Выталкивающая сила изменяет и свою величину, и точку приложения в зависимости от погружения тела в воду и его позы.

2.2. Уравновешивание тела пловца в воде

Тело пловца в воде уравновешено, когда погружающая и вы­талкивающая силы равны по величине и их действие направле­но по одной линии.

Если погружающая и выталкивающая силы приложены не по одной линии, то они образуют пару сил . Обычно ОЦТ тела пловца (при положении на спине с вытянутыми вдоль тулови­ща руками) расположен ближе к ногам, чем центр объема вытеснен­ной воды (центр давления — ЦД). В этом положении нижняя часть тела опускается вниз. Чтобы сохранить горизонтальное положение (уравновеситься), следует руки вытянуть за головой, что перемес­тит ОЦТ тела пловца к головной части тела. Если в этой позе ноги опускаются вниз, можно приподнять кисти и пред­плечья над водой, в результате ЦД переместится к ногам, но тогда выталкивающая сила может оказаться меньше погружающей и пловец, уравновесившись, уйдет в воду глубже.

Кроме того, следует учесть, что в случае, когда ОЦТ тела пловца распо­ложен по вертикали выше, чем центр объема погруженной части тела, возни­кает неустойчивый вид равновесия: малейшее отклонение вызовет поворачи­вающую пару сил. На условия равновесия влияют также дыхательные дви­жения, изменяющие объем тела.

Таким образом, плавучесть тела, уравновешивание его в вод? зависит от множества причин.

Человек, умеющий плавать, удерживается на воде не только вследствие «пассивной плавучести», но и благодаря многим авто­матическим малозаметным движениям, изменяющим- условия ста­тической плавучести и добавляющим действие подъемных сил.

3. Динамическое взаимодействие тела пловца с водой

3.1. Силы давления и трения в потоке

Динамическое  взаимодействие при относительном движении пловца и воды обусловлено разностью давлений, а также трением между телом и пограничными слоями воды.

Разность давлений при движении тела в воде воз­никает вследствие изменений в самой воде.

Различают линии тока, в каждой точке которых скорость частицы воды направлена по касательной. Линия тока характери­зует скорость разных частиц воды в одно и то же мгно­вение. Не следует смешивать с линиями тока траектории частиц воды: скорость частицы воды всегда направлена по касательной к ее траектории, однако траектория — это след одной частицы в последовательные моменты времени, а линия тока характеризует движение разных частиц в один и тот же момент времени. Именно линии тока и характеризуют изменения в потоке воды, которые создают разность давлений.

В невозмущенном потоке (ламинарное течение) линии тока, обтекая тело, не возвращаются обратно. В возмущенном потоке (турбулентное течение) возникают завихрения. По закону Бернулли там, где скорость потока больше, давление, перпендикулярное потоку, меньше. При обтекании тела поток перед ним замедляется),джатие), создается область повышенного давления воды на тело. Сзади тела поток отрывается от тела, возникают за­вихрения, разрежение, создается область пониженного давления воды на тело.

Разность давлений обусловливает лобовое   сопротивление   воды. Эта сила направлена одинаково с потоком,   и  именно  в  ту  же   сторону.   Уменьшение   площади   наи­большего  поперечного  сечения тела  и   улучшение обтекаемости (формы тела) снижают лобовое сопротивление. В невозмущенном потоке оно меньше, чем в возмущенном.

Разность давлений обусловливает и так называемую подъем­ную силу при положении тела под острым углом к направле­нию потока. Подъемная сила направлена перпендику­лярно потоку. Это понятие аэродинамики: действуя на крыло само­лета, эта сила поддерживает его против силы тяжести. При движе­нии всего тела пловца в воде под тем или иным «углом атаки» подъемная сила действительно направлена вверх против погружаю­щей силы. Возникающая в гребковых движениях так называемая подъемная сила чаще всего имеет направление, невертикальное, да и к тому же меняющееся, поэтому целесообразнее называть ее по смыслу действия — нормальная реакция воды.

Эта сила совместно с лобовым сопротивлением дает равнодей­ствующую — полную реакцию воды. Составляющие этой силы, вертикальные относительно Земли, правильно называть поддерживающими силами, а горизонтальные — тяговыми силами, поскольку они определяют возможно­сти продвижения пловца вперед.

Давление набегающего потока воды больше, чем давле­ние с противоположной стороны тела в сходящем потоке. Разность повышенного и пониженного давлений обусловливает динамическое действие воды, т. е. лобовое сопротивление и нормаль­ную реакцию воды, а следовательно, и их равнодействующую, пол­ную реакцию воды. Последняя, давая две составляющие (поддер­живающая и тяговая силы), обусловливает уравновешивание тела в воде по вертикали и продвижение тела пловца вперед относитель­но гребущей руки. Скорости пловца и гребка совместно обусловли­вают скорость действия на воду .

Напомним, что сама по себе тяговая сила не продвигает пловца вперед. Гребущие звенья и остальные части тела движутся отно­сительно друг друга в воде в противоположных направлениях. В конечном счете, движения остальных частей тела вперед относи­тельно воды больше, чем движения гребущих звеньев назад. И те и другие движения вызваны тягой мышц, направленной на движе­ние против сил реакции воды.

Таким образом, создаваемая разность давлений влияет на вели­чину лобового сопротивления и нормальной реакции воды, а в целом на полную реакцию воды и, следовательно, на тяговую силу.

Трение между телом и водой возникает вследствие неровнос­тей поверхности тела и действия молекулярных сил сцепления. Сила трения влияет на лобовое сопротивление, а через него и на полную реакцию воды.

С повышением скорости тела относительно воды, увеличением площади лобового сечения, ухудшением обтекаемости увеличива­ется полная реакция воды.

3.2. Механизм динамического взаимодействия пловца с водой

При   выполнении   гребковых   движений   создается   разность встречных и попутных реакций воды, что позволяет продви­гать тело пловца вперед относительно гребущих звеньев и стенки бассейна.

В наиболее быстрых гребковых движениях (рукой в кроле) скорость их примерно в 3 раза выше, чем скорость продвижения тела вперед. Поперечное сечение гребущих звеньев меньше, чем у тела пловца, но разница в скоростях вследствие квадратичной зависимости от них реакции воды обусловливает силы тяги более значительные, чем силы сопротивления.

При всех гребковых движениях (за исключением движений ног в кроле) гребущие звенья движутся относительно остальных частей тела назад. Это значит, что остальные части тела движутся отно­сительно гребущих звеньев вперед. В начале гребкового движения пловец плывет по дистанции с известной начальной скоростью. Вследствие гребка туловище продвигается вперед со скоростью большей, чем начальная. Гребущие звенья движутся относительно туловища назад и проходят в воде путь назад от места начала греб­ка. При этом они движутся относительно туловища быстрее, чем относительно воды.

Таким образом, механизм динамического взаимодействия пловца с водой основан на изменениях сопротивления воды, вызываемых в первую очередь скоростью движения частей тела относительно воды.

ГРЕБКОВЫЕ ДВИЖЕНИЯ

4. Условия эффективности гребковых движений

На эффективность гребковых движений влияют форма и ориен­тация гребущих звеньев, а также их траектории и распределе­ние усилий.

4.1. Форма и ориентация гребущих звеньев

Изогнутая форма гребущих поверхностей и определенная угловая ориентация их к потоку повышают эффективность гребка.

Определенная изогнутость гребущих поверхностей дает положительный эффект. Так, кисть и стопа в кроле характеризу­ются вогнутостью гребущих поверхностей. Рука в кроле также ха­рактерно изогнута, как и нога в коленном и голеностопном суста­вах при захлестывающем движении.

Ориентация гребущей поверхности кисти перпендикулярно потоку должна была бы создать благодаря наи­большей площади поперечного сечения наибольшее давление. Однако измерения показали, что поворот кисти внутрь до угла в 45° хотя и уменьшает площадь поперечного сечения, но силу давления увеличивает. Оказалось, что причина увеличения давления в рез­ком расширении области пониженного давления сзади гребущего звена .

Ориентация и траектория кисти при гребле:

                                                   4.2. Траектории звеньев и распределение усилий

Выбор траекторий звеньев определяется задачей создания наибольших реакций воды с приложением наибольших мышечных усилий в моменты их наибольшей эффективности.

Некоторые отклонения траекторий от передне-задней верти­кальной плоскости, т. е. в стороны, более выгодны, чем строго плоское движение.

По ходу гребка наблюдается неравномерность рас­пределения усилий. Это зависит от поочередного вклю­чения в работу мышечных групп и меняющихся условий актив­ности каждой из мышц, а также от изменения гидродинамических условий. Нецелесообразно приложение больших усилий на тех отрезках траектории, где они мало помогают продвижению вперед. Чтобы узнать, на каких участках траектории возникают наиболь­шие «продвигающие» реакции, надо делать точные измерения. Если измерять давление только в зоне его повышения и не получать дан­ных о зоне разрежения, т. е. о разности давлений, можно получить неверный результат.

5.Механизм гребковых движений

Целесообразно выбирая величину и ориентацию гребковых по­верхностей, рациональные траектории работающих звеньев и оптимальное распределение мышечных усилий, в каждом способе плавания строят форму и характер гребковых движений, их ритм и темп.

5.1. Гребковые движения руками

Учитывая поверхности звень­ев руки и линейные скорости их движения при гребке, уста­новили, что наибольший эффект дает кисть руки . При некотором сгибании руки в локтевом суставе, а также сги­бании и некотором отведении плеча в плечевом суставе соз­дается характерная изогнутая форма руки с более отвесным положением в воде предплечья и кисти (высокое поло­жение локтя) . Надо полагать, что это положе­ние, увеличивая поперечное се­чение кисти и предплечья, спо­собствует усилению гребка. Гребковые движения руками во всех способах плавания имеют основное направление спе­реди назад. В большей или меньшей степени траектории кисти направлены и поперечно (винтовые движения). Кисть гребущей руки при косом направ­лении гребка нередко повернута относительно потока (угол атаки отличен от 90°), что увеличивает тяговую составляющую полной реакции воды. Вместе с тем удлинение пути гребка (звено переме­щается не кратчайшим путем) увеличивает его продолжительность. В результате возрастает импульс тяговой силы.

Ритм движений руками складывается из соотношений времени движения руки по воздуху и времени гребка, из соотноше­ний длительностей фаз движений рукой во время гребка, а также из согласования движений руками при попеременных гребках (кроль). В одновременных гребках (брасс, дельфин) гребковые движения руками выполняются одинаково и в одно и то же время. За последние годы отмечается увеличение частоты гребковых движений, повышение их темпа. Однако это повышение должно иметь разумный предел. Дело в том, что удлинение траекто­рий кисти и замедление их продвижения в воде "при возросших тя­говых силах требуют большей длительности гребкового движения. Излишне высокий темп гребков препятствует использованию этой особенности современного гребка.

5.2. Гребковые движения ногами

В кроле наибольшие тяговые силы возникают в результате греб­ковых движений стопами. В брассе и дельфине роль голеней и бе­дер (вследствие большего размаха движений ими), несомненно, вы­ше, чем в кроле. При движениях ногами в кроле, преимущественно в вертикальном направлении, участие их в движениях спереди назад намного меньше, чем в брассе и дельфине.

Для гребковых движений ногами также характерны изогнутые гребущие поверхности и траектории, существенно отличающиеся от плоских.

Ритм движений в основном зависит от соотношений длитель­ностей фаз движений ногами (подготовительных и рабочих, уско­ренных и замедленных, акцентированных гребков в кроле и др.). Темп движений ногами существенно связан с темпом движений руками в брассе и дельфине. В кроле же встречаются шестиударный и двухударный варианты (на более длинные дистанции), а также промежуточные варианты.