人体在水中运动：阻力研究

人体在水中运动时受到的阻力一般是摩擦阻力、压差阻力、兴波阻力及惯性阻力。

(一)摩擦阻力

游泳时人体受到的摩擦阻力是水与人体表面之间的摩擦力。摩擦阻力主要取决于人体的浸水面积、游泳速度以及表面的粗糙程度等。即(FD为流体的阻力;ρ是流体的密度;CD为阻力系数;A与运动物体的形状有关,为与流动流体相对的正面投影面积,即迎截面积;v为人体或器械相对于流体的运动速度)。摩擦阻力使游泳者速度慢下来,并增加能量消耗。游泳速度较小时,黏滞阻力是摩擦阻力的主要来源。对游泳运动员的实测数据表明,当游进速度大于1 m/s时,摩擦阻力不超过总阻力的15%。随着游进速度的提高,摩擦阻力所占的比例相对会减小。光滑的表面和对泳衣的特殊设计有助于减小人体表面与水之间的摩擦阻力。

(二)压差阻力

压差阻力主要是由于流动时流束变形以及涡旋的出现等原因,在物体的前方和后方产生压强差引起的阻力。压差阻力与运动员的体形、姿势及游进的速度有关,与身体的形状关系最大,也称为形状阻力。

压差阻力在不同的条件下,可以比摩擦阻力大很多,也可以很小,甚至可以小到接近于零,主要是看流体能否紧贴着运动物体表面流动。例如,游泳时头和身体不在同一水平面上,运动员身体纵轴与水流速度方向之间的夹角将增大,即身体的迎截面积增大,使形状阻力增加。赛艇、自行车头盔等都采用流线型设计(图5-3)。

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图5-3　流线型设计

(三)兴波阻力

人体游泳时部分身体浮出水面进行划臂和打腿,游进时破坏流体的平衡而在自由液面产生波浪所引起的阻力为兴波阻力。运动员游进速度较快或划臂和打腿的动作都会使波浪破碎,破坏了水面平衡产生波浪消耗能量。研究资料表明,兴波阻力在总阻力中所占的比例随游速的增加而增大。潜泳可以减小或避免兴波阻力,游泳比赛规则规定了出发后潜泳的限定距离。

(四)惯性阻力

惯性阻力是指流体非定常流动或运动物体在流体中做加速运动所引起的阻力。当人体在静止的水中做加速游进时,会带动周围一部分水一起运动,即周围的水也被加速,人体的惯性也增加了这一部分,从而消耗更多的能量造成阻力。这部分水可以看成运动人体的“附加质量”,这个质量有时相当可观,会额外地消耗能量。在水中游泳时要注意动作的连贯性,特别是在长距离的游泳中,应尽量用较稳定的速度运动。