в каком состоянии находится тело пловца в условиях водной среды

Свойства воды

Прежде чем перейти к рассмотрению основ техники плавания, необходимо ознакомиться с некоторыми свойствами воды, в условиях которой человек выполняет движения.

Как всякое физическое тело, вода обладает весом. Удельный вес воды приблизительно в 840 раз больше удельного веса воздуха. Частицы воды имеют большую подвижность и значительную массу, поэтому вода обладает большой инерцией. Следовательно, для того чтобы развить большую силу тяги, которая продвигает тело пловца вперед, необходимо выполнять гребковые движения с ускорением.

Вода обладает вязкостью или внутренним сопротивлением. Это сопротивление возникает тогда, когда вода приходит в движение. При передвижении в воде пловец увлекает за собой близлежащий ее слой, который в свою очередь за счет действия внутреннего сопротивления увлекает последующий слой и т. д. Уменьшить степень вязкости воды можно за счет повышения ее температуры до определенных пределов (25-26°). Дальнейшее повышение температуры приводит к значительному перегреванию тела пловца и снижению работоспособности.

Вода оказывает значительное давление на поверхность тела пловца, а следовательно, и сопротивление движущемуся в ней телу. Величина давления зависит от глубины погружения.

Передвижение человека в воде основано на свойстве жидкости оказывать сопротивление движущемуся телу. Это сопротивление возникает на гребущих поверхностях рук, ног и всего тела в виде реакции воды на эти поверхности. Величины реактивных сил зависят от ряда факторов, которые рассматриваются ниже. Таким образом пловец, находящийся в воде, может опираться на нее руками, ногами, всем телом и вызывать действие реактивных сил. На тело, помещенное в воду, действует также подъемная сила.

Не менее важным свойством воды является ее способность к волнообразованию. Это свойство основано на наличии силы тяжести, вязкости и подвижности водной среды. Размеры волн, возникающих при движении пловца по поверхности воды, зависят от его технической подготовленности.

Работа над совершенствованием техники плавания невозможна без учета рефракционного свойства воды (способности преломлять световые лучи). Это явление искажает представление об истинных структурных изменениях в различных фазах гребковых движений рук и ног, представление об амплитудах движений.

Источник

Основные физические законы для водной среды

Основные физические законы для водной среды

Известно, что главным фактором, определяющим технику плавания, являются некоторые физические законы, в частности законы гидростатики и гидродинамики.

Под статическим плаванием следует понимать такое плавание, при котором на тело человека, находящегося в воде без движений, действуют две силы: сила тяжести (вес тела), направленная вниз, и подъемная сила воды, действующая кверху.

В зависимости от соотношения силы тяжести (FT) и подъемной силы воды (FB) могут быть три случая положения тела в воде: а) если FT больше, чем FB, то тело тонет; б) если FT равно FB, то тело находится в нейтральном положении (состояние равновесия); в) если FT меньше, чем FB, то тело всплывает на поверхность воды.

У человека различают вертикальную и горизонтальную плавучесть. При вертикальной плавучести силы FT и FB расположены вдоль продольной оси тела, а при горизонтальной они перпендикулярны к этой оси. Горизонтальная плавучесть оказывает положительное влияние на технику плавания.

Плавучесть зависит от удельного веса тела человека.

Обычно удельный вес тела человека при полном вдохе составляет 0,97, при полном выдохе-1,2, а при нормальном вдохе соответствует удельному весу воды, т. е. не превышает 1,0.

На плавучесть тела человека оказывает большое влияние степень погружения частей тела в воду. Наибольшая плавучесть наблюдается тогда, когда тело человека погружено в воду. В этом случае подъемная сила давления воды будет максимальной. Если пловец поднял из воды голову или руку, то он уменьшил подъемную силу воды на величину веса воды, объем которой равен объему головы или руки. Так как вес тела есть величина постоянная, не зависящая от степени погружения частей тела в воду, то вес руки или головы будет той силой, которая в данном случае уменьшит плавучесть и будет способствовать движению всего тела вниз.

Именно поэтому в спортивном плавании поворот или поднимание головы для вдоха, а также пронос рук над водой произ Равновесие тела

Если между ОЦТ и ОЦП по горизонтали имеется расстояние, равное L, то при равенстве сил FT=FB=F на тело будет действовать момент пары сил M=>FL. Этот момент будет вращать тело человека до тех пор, пока оно не примет вертикального положения.

Значит, для того чтобы тело пловца находилось в состоянии горизонтального равновесия, необходимо, чтобы момент пары сил обращался в нуль при горизонтальном положении тела. Этого возможно достигнуть лишь в тех случаях, когда ОЦТ и ОЦП совпадут или будут находиться в непосредственной близости друг от друга (1-2 см). В последнем случае момент пары сил будет незначительным и им можно пренебречь.

Следует особо отметить, что искусственное сближение у пловца ОЦТ и ОЦП за счет изменения положений конечностей и перегруппировки мышечных напряжений не приводит к положительным результатам, так как в технике плавания воспользоваться указанными действиями для достижения равновесия тела под влиянием статических сил не представляется возможным. Поэтому пловцы с «тяжелыми» ногами могут сохранять горизонтальное положение тела на поверхности воды за счет дополнительных мышечных усилий, развиваемых ногами пловца при поступательном движении.

Таким образом, для спортивного плавания необходимо отбирать таких людей, у которых была бы ярко выражена горизонтальная устойчивость тела (постоянное или длительное равновесие).

Динамическим плаванием называется поступательное движение пловца, при котором на его тело действуют четыре силы: силы тяжести (FT), подъемная сила (Р), сила тяги (FTяги) и сила встречного сопротивления (R). Сила тяжести является постоянной гидростатической силой. Величины остальных трех сил меняются в зависимости от различных причин, которые рассматриваются ниже. Подъемная сила является результирующей: она состоит из рассмотренной ранее гидростатической подъемной силы воды и некоторых гидродинамических подъемных сил. Гидродинамическая сила встречного сопротивления возникает в результате поступательного движения пловца в воде, которая имеет большую плотность и вязкость. Основным условием динамического плавания является реакция опоры (воды), которая возникает на гребущей поверхности в результате движения конечностей. Эта реактивная сила и будет гидродинамической силой тяги.

Гидродинамическая сила встречного сопротивления воды не является постоянной. Она изменяется в зависимости от скорости продвижения пловца, его миделева сечения формы тела и плотности среды.

При движении пловца с равномерной скоростью общий закон сопротивления водной среды может быть выражен следующей формулой: R=1/2*CpSV 2

Формула показывает, что сопротивление воды возрастает, если ее плотность, т. е. масса частиц, заключенных в одной объемной единице, увеличивается. Такое сопротивление повышается по закону прямой пропорциональности: если плотность воды увеличить в 1,3 раза, то и сопротивление движению в ней человека увеличится в 1,3 раза. На величину встречного сопротивления оказывает большое влияние миделево сечение пловца, которое также изменяет сопротивление воды по правилу прямой пропорциональности: чем меньше величина миделева сечения, тем меньше величина встречного сопротивления. Это правило требует, чтобы тело пловца в любом способе плавания принимало горизонтальное положение, при котором миделево сечение будет минимальным. Однако, учитывая некоторые необходимые колебания тела пловца вокруг поперечной оси в пределах одного цикла движений, следует рекомендовать располагать тело на поверхности воды под определенными углами в зависимости от способов плавания, скорости движения пловца и его индивидуальных особенностей. Из формулы видно, что сопротивление воды изменяется пропорционально квадрату скорости движения пловца. Это значит, что если пловец увеличил скорость движения в 1,5 раза, то сопротивление воды возрастает в 2,25 раза. Известно также, что любое изменение скорости связано с появлением ускорения, которое приводит к возникновению дополнительной гидродинамической силы сопротивления (Рдоп=ma).

Указанная зависимость сопротивления от изменения скорости плавания приводит к выводу о том, что техника плавательных движений и методика подготовки пловца должна обеспечить ему проплывание всех отрезков дистанции с одинаковой скоростью и приблизить к равномерной скорость продвижения пловца внутри каждого цикла в любом способе плавания.

Рассмотренное выше гидродинамическое сопротивление воды возникает в результате действия двух видов сопротивлений: сопротивления трения и сопротивления нормального давления. Последнее слагается из вихревого и волнового сопротивления.

Сопротивление трения возникает в результате взаимодействия поверхности тела с водой, обладающей свойством вязкости. Существует два вида трения: внешнее и внутреннее.

Внутренним трением называется трение частиц воды между собой.

Свойство вязкости воды таково, что оно позволяет соседним слоям скользить относительно друг друга. Наибольшую скорость движения имеют те слои воды, которые располагаются ближе

к пловцу: здесь скольжение одного слоя относительно другого минимальное. По мере удаления слоев воды от поверхности тела пловца скольжение увеличивается, а скорость движения воды падает. В результате трения пловец приводит в движение около одного кубометра воды, непроизводительно расходуя определенное количество своей энергии.

Трение можно уменьшить, если принять более высокое положение тела на поверхности воды. Этого можно достигнуть за счет повышения эффективности гребковых движений, которые в свою очередь повышают скорость плавания. Кроме этого, в целях уменьшения трения пловцы тренируются и выступают в соревнованиях в плавательных костюмах, изготовленных из материала, имеющего малый коэффициент трения (шелк, капрон, водоотталкивающая ткань и др.).

Плавание. Сопротивление вихреобразования Вихревое сопротивление возникает в связи с разностью сил давления воды впереди и сзади пловца. Когда пловец перемещается в воде, то впереди него образуется область повышенного давления, в которой он приводит в движение частицы воды. На это затрачивается определенная часть его энергии. В это же время сзади пловца образуется область пониженного давления. Попав в область пониженного давления, частицы воды по закону трения «прилипают» на мгновение к нижней поверхности тела (ногам) и некоторое время движутся вперед. В следующий момент эта часть воды отрывается (отстает) от нижней поверхности тела и на ее место поступают новые порции воды, движущиеся непрерывно спереди назад. Далее они также изменяют направление движения на обратное и т. п. Для того чтобы непрерывно изменять направление движения этих частиц воды, т. е. преодолевать вихревое сопротивление, пловец должен затрачивать большое количество энергии.

Величина вихревого сопротивления зависит от скорости и формы тела. Проделаем следующий опыт. Возьмем неполный цилиндр (рис 3) и будем двигать его в воде с равномерной скоростью. Полученное сопротивление примем за единицу. Если закруглить передний конец у цилиндра и замерить его сопротивление при той же скорости, то оно уменьшится в 2,5 раза; если закруглить задний конец, то сопротивление будет в 3,5 раза меньше; если закруглить оба конца, то сопротивление уменьшится в 5 раз, а / если придать цилиндру сигарообразную форму, сохранив при этом миделево сечение, то сопротивление уменьшится в 25-30 раз.

Отсюда следует, что для уменьшения вихревого сопротивления необходимо улучшить обтекаемость тела пловца: определить оптимальные пределы положения тела на поверхности воды (углы «атаки»), правильный угол выноса рук вперед во время подготовительных движений, уменьшить выход ног из плоскости тела, найти оптимальный прогиб в пояснице и др.

Волны образуются под действием сил тяжести частиц воды в результате движения тела пловца, а также ударов по воде руками и ногами. В результате этих явлений частицы воды поднимаются выше обычного уровня ее поверхности и затем опускаются вниз. Для того чтобы поднять частицы воды выше уровня ее поверхности, пловец расходует часть своей энергии. Кроме того, он затрачивает энергию на преодоление волн и на удержание собственного равновесия в результате дополнительного раскачивания.

Таким образом, волновым сопротивлением называется та часть полного сопротивления воды, которая приходится на образование и преодоление волн.

Размеры волн зависят от формы тела, его колебаний, амплитуды движений руками и ногами, скорости движения тела, а также от глубины и размеров бассейна. Уменьшения волнового сопротивления можно достигнуть за счет создания наиболее устойчивого горизонтального положения тела, быстроты опускания рук в воду, уменьшения величины поднимания из воды ног, а также за счет нахождения оптимального темпа.

Плавание. >Подъемная сила и сила тяги Рассмотрим вопрос о возникновении подъемной силы и силы тяги при поступательном движении. Возьмем пластинку Подъемная сила и сила тяги» target=»_blank»>(рис. 4), которая имеет незначительную толщину (h->0), и поместим ее

Рассмотрим, как изменяются силы Rj, Fx, Fy и F Tp при различных значениях угла а.

1. Если угол а равен нулю, то Rj = 0. Следовательно, Fx=0 и Fy=0, а сила F TP =R. В этом случае отсутствует вихревое и волновое сопротивление.

2. Если угол а равен 45°, то Rj = F Tp =0,7R. Силы Fx=Fy= R/2

В этом случае наблюдается действие всех видов сопротивления: общее сопротивление значительно превышает его величину при угле а=0.

3. Если угол а равен 90°, то Rj=R, но так как Fy=0, то FX=R. В этом случае действует сила горизонтального давления, есть вихри и волны, а общее сопротивление является наибольшим.

Сопоставляя все три варианта положения пластинки, можно сделать вывод о том, что наилучшее положение ее при движении в воде будет такое, при котором она приближается к горизонтальному положению (угол а=3-5°), так как в этом случае будут действовать необходимая поддерживающая гидродинамическая сила, малая сила горизонтального давления и почти максимальная сила трения.

Теперь представим себе, что вместо пластинки в воде с помощью внешней силы тяги F тяги с равномерной скоростью движется человек. Тогда при горизонтальном положении на него, кроме силы трения, будет действовать отрицательная сила горизонтального давления Fx, которая возникает в связи с наличием у человека миделева сечения.

Теоретически горизонтальное положение пловца в воде будет наилучшим, так как сопротивление будет наименьшим, а плавучесть обеспечивается действием гидростатической подъемной силы. Однако в связи с наличием миделева сечения и наклоном нижней поверхности тела положение пловца в воде определяется положительными (а в отдельных случаях и отрицательными) углами «атаки», которые колеблются в пределах от 0 до 12° и обеспечивают постоянное действие гидродинамической подъемной силы.

Сила тяги при гребке прямой рукой» border=»0″ align=»left» border=»0″ vspace=»5″ hspace=»17″>Плавание. Сила тяги при гребке прямой рукой Мы рассмотрели силы сопротивления, возникающие при движениях пластинки и пловца в результате действия внешней силы тяги. Однако пловец в воде передвигается за счет движений конечностей, работу которых обеспечивают мышечные силы. При движении конечностей в воде на их поверхностях появляются реактивные силы, действующие в противоположном направлении движению конечностей и продвигающие тело пловца вперед.

Рассмотрим, как возникает сила тяги при гребке прямой рукой (рис. 5). Наибольшее сопротивление при движении руки в воде испытывает кисть, так как она по отношению к плечевому суставу движется с наибольшей скоростью. Если учесть при этом, что сопротивление возрастает в квадрате к изменению скорости движения кисти, то станет ясно, почему кисть является основной гребущей поверхностью.

В середине гребка вся реактивная сила становится равной силе тяги Fтяги. В конце гребка реактивная сила R состоит из силы тяги и топящей силы (К).

Поскольку пловец постоянно испытывает действие подъемных сил, возникающих на основании закона Архимеда, а также в связи с действием встречного сопротивления (при положительном угле «атаки»), ему следует во время гребков обеспечить увеличение силы тяги (Ттяги) и уменьшить действие подъемной и топящей сил. Такая задача решается путем сгибания руки в локтевом и лучезапястном суставах. В этом случае кисть руки движется в воде поступательно на более длинном участке гребка, обеспечивая на этом отрезке пути действие лишь одной силы тяги.

Источник

Положение тела пловца в воде и силы гидродинамического сопротивления

При плавании спортсмен преодолевает силу сопротивления во­ды. Это основная сила торможения. Она складывается из сопро­тивления трения, волнового сопротивления и сопротивления фор­мы (вихреобразования).

Сопротивление трения возникает из-за вязкости воды. Ее ча­стицы и слои, непосредственно прилегающие к телу пловца, обра­зуют своего рода водный чехол, двигающийся вместе с телом впе­ред. Чем дальше от тела находятся частицы воды, тем с меньшей скоростью они увлекаются вслед за пловцом. Тончайшие слои во­ды скользят относительно друг друга, преодолевая силы вязкости. На приведение всей этой массы воды в движение пловец затрачи­вает часть своей энергии.

Величина сопротивления трения меняется пропорционально из­менениям скорости плавания. Она зависит от площади поверхно­сти тела, соприкасающейся с водой, от шероховатости этой по­верхности. При ламинарном (плавном) обтекании тела, кото­рое частично наблюдается при малых скоростях плавания, сопро­тивление трения минимально. С увеличением скорости потока воды плавное обтекание сменяется турбулентным (вихреобразным) и сопротивление трения возрастает. Турбулентный характер обте­кания более выражен, если поверхность тела пловца рельефна и шероховата.

Сопротивление трения несколько уменьшается при выходе ча­сти тела пловца из воды. Хорошая подгонка плавательного ко­стюма, изготовление его из гладкой, тонкой и малонамокаемой ткани также уменьшают величину сопротивления.

Волновое сопротивление связано с перераспределением сил давления воды на тело пловца во время движения по поверхно­сти. Передняя часть тела спортсмена раздвигает воду, что вызы­вает появление расходящихся волн. Обтекая тело, поток воды устремляется в освободившееся за спиной пловца пространство и образует поперечные волны.

На преодоление сил тяжести и давления сдвигаемой в виде волн массы воды затрачивается часть энергии пловца.

Во время плавания у головы пловца возникает передняя вол­на. Следующая волна, задняя, поднимается за тазом. Между пе­редней и задней волнами образуется впадина. С повышением ско­рости размеры волн и величина впадины возрастают, растет и волновое сопротивление. При скорости плавания менее 1,5 м/сек волновое сопротивление невелико. Но при скорости плавания око­ло 2 м/сек оно становится заметным тормозом для пловцов-сприн­теров.

Сопротивление формы обусловлено теми же факторами, что и лобовое сопротивление. Его величина изменяется пропорциональ­но квадрату скорости плавания, площади поперечного сечения те­ла и зависит от формы тела и позы пловца.

Тело пловца по своей форме недостаточно совершенно для об­текания быстрым потоком. Пограничный слой воды рано отрыва­ется от тела, образуя позади пловца область беспорядочного вихреобразного движения воды. Это резко увеличивает сопротив­ление.

Наиболее обтекаемым для пловца является выпрямленное и почти горизонтальное положение, когда руки вытянуты вперед, голова находится между ними, кисти соединены, ноги также вы­тянуты и соединены вместе, носки ног оттянуты. Такое положение пловец принимает во время скольжения после старта и поворота.

Во время рабочих движений обтекаемость тела пловца может значительно ухудшиться. Например, прогиб туловища и опуска­ние таза немедленно создают значительную вихревую зону за спи­ной. Излишняя степень сгибания ног в тазобедренных суставах при плавании кролем и дельфином вызывает «зависание» бедер, а во время подтягивания ног при плавании брассом увеличивает вихреобразование за тазом. Кроме того, при неравномерном дви­жении, характерном для скорости движения тела пловца внутри каждого цикла, приходится преодолевать дополнительное сопро­тивление воды.

Величина гидродинамического сопротивления зависит от угла атаки тела пловца. При анализе движений пловца по кино­граммам определяют угол между продольной осью тела и поверх­ностью воды. Он может быть положительным, если плечевой пояс расположен выше таза, и отрицательным, если он находится ни­же таза.

Гидродинамическое сопротивление повышается с увеличением угла атаки тела. Прирост сопротивления особенно заметен, если угол атаки превышает 8—10°. В этом случае существенно увели­чивается проекция тела на фронтальную плоскость, за спиной и тазом возрастает вихреобразование, увеличивается и сила лобо­вого сопротивления.

При движении тела пловца с положительным углом атаки помимо сил лобового сопротивления возникают подъемные силы, направленные вверх. Было бы заблуждением при­давать слишком большое значение подъемным силам и увеличи­вать ради этого угол атаки тела. Высокое положение пловца в воде, характерное для современных вариантов техники плавания, достигается в основном за счет хорошей опоры о воду руками но время гребковых движений.

Чтобы улучшить обтекаемость тела и уменьшить величину гид­родинамического сопротивления, пловцы стремятся придать сво­ему телу вытянутое и почти горизонтальное положение. Бедра при этом выводятся к самой поверхности воды, а голова занимает положение почти на продольной оси тела.

Источник

Физическое воздействие воды на человека при плавании

Ни для кого не секрет, что водная среда имеет абсолютно другие физические свойства в отличие от привычной человеку земной поверхности. Для того, кто всерьез решил заниматься плаванием, желательно знать основные физические свойства жидкости и возможности человеческого тела, которому в ней предстоит преодолевать расстояния.

На плывущего человека вода оказывает как выталкивающее, так и потопляемое действие, а своими движениями он, балансируя между этими силами, позволяет себе находиться в достаточно комфортных условиях для передвижения в чужеродной среде. Степень плавучести человека зависит от соотношения в его теле мышечной и жировой ткани. Чем больше их доля в организме, тем легче удержаться на поверхности.

Плывущий человек для преодоления расстояния использует свою собственную, пропульсивную силу, преодолевая лобовое сопротивление воды. Физические затраты пловца колеблются в зависимости от техники и стиля плавания. Самым энергетически затратным является стиль плавания брассом.

В среднем, во время заплывов женщины расходуют калорий меньше, чем мужчины. Что интересно, у рядовых любителей плавания расход калорий может достигать удвоенных значений по сравнению с тренированными профессиональными пловцами, теряющими 100-200 килокалорий за километровый заплыв.

Физические свойства воды оказывают на человеческую кожу сильнейшее влияние, особенно в отношении температурной составляющей. В воде чувствительность к внешним колебаниям температуры увеличивается в несколько раз. Для абсолютного комфорта человека, вода, в которую он погружен, должна быть не холоднее 32 градусов по Цельсию. В бассейнах и водных аренах, где имеют место повышенные физические нагрузки, нормой считается температура воды 26-28 °C.

Важнейшее значение имеет то, как изменяется дыхание у человека во время заплыва. Во первых, оно должно синхронизироваться с движениями рук и ног. Момент вдоха максимально сокращается, а способ захвата воздуха варьируется в зависимости от техники пловца. Поэтому вдох производится через рот, а выдох носом и ртом. Или только носом, при не очень интенсивных видах плавания. Дыхание при плавании всегда учащено. Емкость легких у профессиональных пловцов всегда больше обычных людей аналогичного телосложения и может достигать 7 литров у крупных мужчин (у женщин в среднем до 5 литров).

Это далеко не все свойства воды, оказывающей свои разностороннее действия на плывущего человека. Но в большинстве своем, плавание в бассейне и открытой воде несет укрепление физической формы, поднятие общего тонуса и повышение настроения. Регулярные занятия плаванием приносят человеку физическое оздоровление и душевный покой. Занимайтесь плаванием, чтобы всегда быть в гармонии с миром и на высоте своего физического потенциала!

Источник