ПЛАВАНИЕ 4 страница

В лабораторных условиях используется метод биопсии: де­лается забор кусочка ткани, который в дальнейшем подверга­ется химическому расщеплению и анализу.

Однако наиболее прост тест на плавучесть (рис. 4). После вы­полнения испытуемым полного глубокого вдоха его фиксируют

В положении вертикальной плаву­чести, руки вверх. Дается каче­ственная оценка: если кисти рук (возможно, и часть предплечий) «вы­глядывают» изводы, плавучесть че­ловека положительная или относи­тельно хорошая; при отрицательной же плавучести человек полностью скрывается под водой. Если кончи­ки пальцев вытянутых вертикально вверх рук едва касаются поверхно­сти воды, — плавучесть нейтраль­ная. Практика показывает, что занимающиеся, предварительно объединенные в пары, с большим удо­вольствием выполняют это задание.

Исследования, проведенные на больших выборках, дают все основания сделать вывод о том, что 85 % людей имеют положи­тельную плавучесть.

Но, несмотря ни на что, есть один весьма принципиальный момент, заслуживающий самого пристального внимания: сред­няя плотность человеческого тела равна (±) единице. На вдохе она чуть меньше единицы, на выдохе — чуть больше. Если же вспомнить, что и средняя плотность воды также равна единице (±), то вывод напрашивается сам собой: утонуть в воде практи­чески невозможно! Организм человека предрасположен к воде!

Умение находиться в воде без движения и в плавучем состо­янии (еще лучше: при этом уметь беспрепятственно дышать) — крайне важно в решении проблемы непотопляемости. Именно статическое плавание дает возможность отдыха на воде, особен­но в минуты психогенной напряженности. Элементарными уп­ражнениями для овладения подобным навыком являются «по­плавок», «медуза», «звезда», «стрела».

Начинать разучивать позу отдыха целесообразно в положе­нии на спине при отсутствии волн. Чтобы обеспечить устойчи­вое равновесие в воде, достаточно завести прямые руки за голо­ву. При этом центр тяжести переместится чуть ближе к голове и окажется рядом с общим центром давления. Если этого ока­жется недостаточно (ноги все-таки продолжают опускаться), можно высунуть из воды пальцы или кисти рук. Ноги сразу всплывут и появятся над водой.

Бывает достаточно раскинуть руки чуть в стороны или ши­роко развести ноги. Наконец, можно просто согнуть ноги в ко­ленях и добиться того же эффекта равновесия.

Как видно из данных примеров, есть много возможностей поддерживать горизонтальное равновесие тела в воде. Важно «почувствовать» это положение и научиться долго находиться в такой позе.

И все же главное, о чем нужно всегда помнить: плавучесть невозможна без полного глубокого вдоха. Это — непременное условие. Особенно это нужно помнить преподавателю при обу­чении элементам начального плавания.

Позу отдыха на спине целесообразно начинать разучивать на суше. При этом необходимо добиться полного расслабления мышц.

Существуют и другие способы и приемы отдыха на воде, но отмеченный выше — наиболее прост.

Гидродинамика

Весь анализ движений пловца базируется на наиболее общих закономерностях гидродинамики. Он весьма сложен. Слож­ность прежде всего заключается в том, что движения происхо­дят в плоскости, пограничной между двумя средами: водой и воздухом. Если к этому добавить принципиальное отличие водной среды, несовершенную с точки зрения гидродинамики форму человеческого тела, задачи становятся еще более труд­ными. Кроме того, при движении тело пловца постоянно меня­ет свое положение. Таким образом, движения пловца характе­ризуются целым комплексом параметров.

В этой связи представляется целесообразным разобраться в основных причинно-следственных связях, определяющих эф­фективность движений.

На движущееся тело действуют силы тяжести, силы тяги, силы гидродинамического сопротивления, подъемные силы.

Единственно неизменными и постоянно действующими яв­ляются силы тяжести, остальные силы — переменны.

Сила, с которой вода действует на движущееся в ней тело,

складывается из сил тре­ния и сил давления. Ее называют силой реакции воды. Поскольку сила — векторная величина, по правилу параллелограмма ее можно разложить на две составляющие: гори-

зонтальную и вертикальную, а за основу принять направлен­ность потока воды; при этом горизонтальная составляющая есть не что иное, как сила лобового сопротивления, а верти­кальная составляющая — подъемная сила (рис. 5).

Лобовое сопротивление может быть вычислено по формуле:

где: р — плотность воды;

S — площадь проекции тела на плоскость, перпенди­кулярную направлению движения тела; v — скорость движения тела; С — коэффициент лобового сопротивления (величина безразмерная).

Величина коэффициента С_х непостоянна. Она зависит от фор­мы и размеров тела, его ориентации относительно набегающих потоков и других факторов.

Ориентация тела в потоке характеризуется углом атаки. Угол имеет две составляющие: продольную ось тела пловца и направ­ление его движения.

С увеличением угла атаки коэффициент С_х непрерывно повышается и достигает максимума, когда тело принимает по­ложение, перпендикулярное потоку воды (угол = 90°).

Данная формула в литературе (Н.А. Бутович, 1962) имеет и несколько иной вид. Суммарная сила сопротивления воды мо­жет быть выражена так:

где; R — суммарная сила сопротивления воды; а — коэффициент сопротивления формы; с — коэффициент сопротивления трения; q — коэффициент волнового сопротивления; s — площадь миделева сечения погруженной в воду части

тела пловца; р — плотность воды; v — скорость продвижения пловца.

Для упрощения этой формулы половину коэффициентов про­изведения, т. е. acq/2 можно заменить одним общим коэффи-

циентом К сопротивления среды (воды) в данных условиях (фор­ма тела пловца, состояние поверхности тела, волнообразование в данном бассейне). Формула примет вид:

Так как плотность воды практически равна единице, окон­чательно формула будет выглядеть так:

В свою очередь, положение тела во многом зависит от скоро­сти его движения. Впервые зависимость была изучена методом буксировки в воде (СМ. Гордон, 1968). Результатом проделан­ных опытов явилась кривая зависимости сопротивления от ско­рости, которая по форме была близка квадратичной параболе, причем картина почти совпадала при буксировке под водой и по поверхности (под водой условия те же самые, отсутствует лишь сопротивление волнообразования). Выравнивание эмпи­рического ряда регрессии способом наименьших квадратов при­вело к уравнению:

где: R — суммарная величина сопротивления;

К — безразмерный коэффициент сопротивления; v — скорость буксировки.

В литературе можно встретить и множество других формул, подобных этим. При их прочтении и анализе необходимо по­мнить, что все они справедливы лишь для какого-то частного случая и отражают одномоментное состояние. В целом гидро­динамическая ситуация гораздо сложнее и не укладывается в рамки какой-либо формулы.

Привлекает внимание один принципиальный момент: взаи­мосвязь сопротивления и скорости перемещения тела. Правда, следует заметить, что квадратичная зависимость, приводимая большинством авторов, постулируется для абсолютно твердых тел, для случаев неизменного сечения Миделя. В реальности картина иная. Величина степени может быть различна: 1, 5 (О.И. Логунова, А.А. Ваньков, 1971), 1, 87 (И.Г. Сафарян, 1969) и т.д. Несомненно одно: есть сопротивление, оказывае-

мое средой движущемуся телу, и есть попытка оценить это со­противление, подвергая, в частности, его анализу и используя при этом модельные опыты.

Однако модель — это еще не естественная гидродинамичес­кая ситуация. Последняя намного сложнее. Значит, требуются еще более подробный анализ и весьма осторожная его оценка.

Именно поэтому в литературе существует обилие разных тер­минов: сопротивление трения, сопротивление вихреобразова-ния, сопротивление волнообразования, активное сопротивле­ние, пассивное сопротивление, сопротивление формы, лобовое сопротивление и т.д.

Для анализа чаще всего используется классификация обще­го сопротивления на: сопротивление трения, сопротивление вихреобразования, сопротивление волнообразования (А.А. Ваньков, 1958; Н.А. Бутович, 1965; СМ. Гордон, 1968; Н.Ж. Булгакова, 1979; 1984; Б.Н. Никитский, 1981; Д. Каун-силмен, 1982, и др.).

Сопротивление возникает вследствие движения в вязкой жидкости.

В физике медленное течение в стационарном потоке несжи­маемой жидкости (воду можно условно принять за таковую) описано в виде известной формулы Стокса:

где: F — сила сопротивления медленно движущемуся телу (шару); R — радиус шара;

г — динамическая вязкость жидкости; v — скорость движения тела.

Обращает на себя внимание тот факт, что сила сопротивле­ния пропорциональна первым степеням скорости и линейным размерам тела.

Как отмечают авторы, такая зависимость справедлива и для медленно движущихся тел иной формы.

Опыты в стеклянных трубках показывают, что при относи­тельно низких скоростях движения жидкость в своем поведении подчиняется законам ламинарного тока, то есть движение жид­кости слоисто. Каждый отдельный слой перемещается со своей строго определенной скоростью. Частицы в потоке рас-

полагаются не хаотично, как это можно было бы предположить, а строго упорядочение: не переме­шиваясь, оставаясь в пределах одного и того же слоя.

При движении по стеклянной трубке формируется профиль скорости (рис. 6). Непосред­ственно у стенки скорость тече­ния жидкости равна 0, а в цент-

ральной части, на оси трубки — максимальная.

Если скорость набегающего потока велика, происходит энер­гичное перемещение частиц в поперечном направлении. Такой беспорядочно завихренный ток называется турбулентным. При­мечательно, что перемешивание частиц начинается в близле­жащем, пограничном с поверхностью тела, слое и во многом определяется состоянием поверхности.

Взаимодействие между отдельными слоями жидкости, а так­же пограничным слоем и поверхностью тела вместе составляют сопротивление трения.

Сопротивление трения. При движении тела частицы близ­лежащего слоя взаимодействуют с поверхностью (рис. 7). В ре­зультате такого взаимодействия возникает самое обычное про­тиворечие: при набегающем потоке частицы близлежащего слоя

движутся в одну сторону, а тело — в другую; либо то же самое происходит относительно неподвижных частиц, облада­ющих запасом потенциальной энергии. Это взаимодействие, или это противоречие, и есть не что иное, как трение.

Более того, частицы не про­сто оказываются движущи­мися относительно тела: в ре­зультате трения они замедля­ют свое движение, вплоть до полной остановки. Возни­кает так называемый сли-пинг-эффект (самое обычное прилипание к поверхности).

Аналогично поведение ча­стиц близлежащих слоев.

В результате вокруг движущегося тела формируется своего рода водный чехол, движущийся вместе с телом и тормозящий его продвижение. При обычном скольжении человека в вытянутом положении (руки вперед) возмущение распространяется во все стороны примерно на 70 см. Можно себе представить, какой ог­ромный объем воды пловец «тащит» за собой и какую часть сво­ей энергии затрачивает на это.

При анализе данного вида сопротивления чаще всего рассмат­риваются структура «пограничного слоя» (общепринятый термин) и физические процессы, которые там происходят. Счи­тается, что именно этими характеристиками определяется ве­личина силы трения.

Пограничным слоем называется тонкий слой заторможенной воды, образующийся на поверхности тел.

Под «границей» понимают условную линию поверхности, на которой скорость частиц пограничного слоя тела становит­ся равной скорости набегающего тела. На поверхности тела спортсмена толщина пограничного слоя может достигать не­скольких миллиметров. Увлекаемый телом поток называют еще попутным.

Рассмотрим характер движения частиц в пограничном слое.

Вследствие разности скоростей частицы приходят во враща­тельное движение. Вращение частиц тем интенсивнее, чем бли­же частица находится к поверхности тела. Вне пограничного слоя частицы не вращаются, если поток, обтекающий тело, не завихрен. Пограничный же слой всегда завихрен.

Характер течения в пограничном слое зависит от скорости набегающего потока v, характерного для этого тела, размера тела (длина, рост L), кинематического коэффициента вязкости А. и определяется через безразмерное число Рейнольдса (Re):

»■

Число Рейнольдса характеризует отношение сил инерции к силам вязкости жидкости.

При небольшой скорости набегающего потока вода в погра­ничном слое течет в виде отдельных слоев. Однако это не озна­чает, что движение происходит без завихрений. Это лишь дока­зывает, что движение упорядоченно, слои не смешиваются, а частицы вращаются только вокруг осей, перпендикулярных плоскости потока, оставаясь всегда в пределах одного слоя. Пе­ремешивания частиц в поперечном направлении нет. Если же

скорость набегающего потока велика, то происходит энергичное перемешивание. Пограничный слой становится турбулентным.

Поскольку кожа пловца не содержит идеально гладких поверхностей, а движения тела или его отдельных частей по­стоянно изменяются во времени и в пространстве, характер те­чения воды в пограничном слое при плавании человека всегда турбулентен. Ламинарность же потока рассматривается как мо­дель, близкая к идеальной.

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 проплы-вания 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 табл. 1 представлены тотальные размеры тела пловцов высокого класса (мужчин; у женщин отмечены те же законо­мерности). Как видно из данных этой таблицы, у большинства пловцов показатель роста значительно превышает вес тела.

В практике спортивного плавания используется индекс Бро-ка, 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

СП

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.

Насколько важны поперечные размеры тела, еще раз дока­зывают данные, представленные в табл. 2. 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.