Основы гидродинамики и биомеханики
Физические свойства воды
Для правильного понимания основ плавания, а точнее, гидродинамики и биомеханики, необходимо знать физические свойства воды.
Физические свойства характеризуют физическое состояние материала или вещества, а также его способность реагировать на внешние факторы, не влияющие на химический состав.
Вода — прозрачная жидкость без цвета и запаха, при +100°С (и давлении 1013кПа) — кипит, при 0°С — замерзает.
К физическим свойствам воды относят плотность, вязкость, текучесть, теплопроводность, теплоемкость.
Плотность — важное физическое свойство, влияющее на плавучесть, а соответственно, на технику плавания и на обучение.
Плотность характеризуется количеством массы вещества, приходящейся на единицу объема, и вычисляется по следующей формуле:
ρ = m/V,
где m — постоянная масса вещества или материала, кг,
V — объем, занимаемый эти материалом, м3.
Все тела при нагревании расширяются, при охлаждении сжимаются. Все, кроме воды. В интервале температур от 0 до +4°С вода при охлаждении расширяется, а при нагревании сжимается. При +4°С вода имеет наибольшую плотность, равную 1000 кг/м3. При более низкой и более высокой температуре плотность воды несколько меньше. Благодаря этому осенью и зимой в глубоких водоемах конвекция происходит своеобразно. Вода, охлаждаясь сверху, опускается вниз, на дно, только до тех пор, пока ее температура не достигнет +4°С. Поэтому в больших водоемах вода с температурой +4°С опускается на дно, а более холодная — находится ближе к поверхности. И хотя зимой поверхность водоема скована льдом, на дне температура всегда равна +4°С. Это свойство воды позволяет рыбе зимовать в замерзших водоемах.
Плотность тела человека сопоставима с плотностью воды, что создает условия для его возможности беспрепятственно держаться на поверхности. В процессе дыхания плотность (так же, как, соответственно, и другой схожий, но несущий другое смысловое и физическое значение параметр — удельный вес) тела изменяется. В среднем это от 0,976 кг/м3 при вдохе (уменьшается) и до 1038 кг/м3 при выдохе (увеличивается). Это связано с тем, что воздух, вдыхаемый через легкие, обладает малой плотностью, (примерно в 816 раз меньше воды) и поэтому лишь увеличивает объем (по принципу надувного шарика), но не добавляет массы (веса), и наоборот. При вдохе легче держаться на поверхности воды, при выдохе легче нырять, погружаться.
Морская вода тяжелее речной на 2,5–3 % из-за наличия в ней большого количества солей, ее плотность в среднем равна 1025 кг/м3. Поэтому в морской воде человеку легче держаться на поверхности, чем в пресной. Все это создает более благоприятные условия для обучения плаванию.
Вязкость — свойство жидкостей оказывать сопротивление при перемещении одной частицы жидкости относительно другой.
Вязкость жидкости зависит от температуры. С повышением температуры вязкость уменьшается. Изменение вязкости влияет на ощущения пловца, его «чувство воды». Спортсмены высокой квалификации, например, чувствуют изменения вязкости в бассейне даже при незначительных колебаниях.
Текучесть — обратная величина вязкости. Наиболее характерным свойством жидкостей, отличающим их от твердых тел, является низкая вязкость (высокая текучесть). Благодаря ей они принимают форму сосуда, в который налиты. На молекулярном уровне высокая текучесть означает относительно большую свободу частиц жидкости. В этом жидкости напоминают газы, хотя силы межмолекулярного взаимодействия жидкостей больше, молекулы расположены теснее и более ограничены в своем движении.
Теплоемкость — свойство материала и вещества при нагревании поглощать определенное количество тепла, а при охлаждении выделять его. Удельная теплоемкость воды очень высокая и составляет 4,2 Дж/(г•град).
Теплопроводность — способность материала или вещества передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур.
Теплопроводность характеризуется коэффициентом, обозначаемым буквой λ (лямбда). Этот коэффициент показывает количество тепла, проходящего через образец толщиной 1м площадью 1 м2.
Учитывая, что нормальная температура тела человека составляет 36,6°С, то чем больше разница по сравнению с температурой воды, тем быстрее идет теплоотдача.
Так как теплоотдача в воде очень велика, а теплопродукция тела небезгранична, то через некоторое время даже при достаточно комфортной температуре появляется «гусиная кожа», а затем и озноб. Поэтому нахождение человека в воде должно быть строго дозированным в зависимости от температуры воды.
Охлаждение организма в воде протекает гораздо интенсивнее, чем на воздухе. Теплопроводность воды в 25 раз, а теплоемкость в 4 раза больше, чем воздуха. Если на воздухе при 4°С человек может без особой опасности для своего здоровья находиться в течение 6 часов и при этом температура тела у него почти не понижается, то в воде при такой же температуре незакаленный человек без защитной одежды в большинстве случаев погибает от переохлаждения уже спустя 30–40 минут. Охлаждение организма усиливается с понижением температуры воды и при наличии течения. В воздушной среде интенсивные теплопотери при температуре воздуха 15–20°С происходят в результате излучения (40–45 %) и испарения (20–25 %), а на долю теплоотдачи с помощью проведения приходится лишь 30–35 %. В воде у человека без защитной одежды тепло в основном теряется в результате теплоотдачи. На воздухе теплопотери происходят с площади, составляющей около 75 % поверхности тела, так как между соприкасающимися поверхностями ног, рук и соответствующими областями туловища существует теплообмен. В воде же теплопотери происходят со всей поверхности тела.
Воздух, непосредственно соприкасающийся с кожей, быстро нагревается и фактически имеет более высокую температуру, чем окружающий. Даже ветер не может полностью удалить с кожи этот слой теплого воздуха. В воде с ее большой удельной теплоемкостью и большой теплопроводностью слой, прилегающий к телу, не успевает нагреваться и легко вытесняется холодной водой. Поэтому температура поверхности тела в воде понижается интенсивнее, чем на воздухе. Кроме того, вследствие неравномерного гидростатического давления воды нижние области тела, которые испытывают большее давление, охлаждаются быстрее и имеют температуру кожи ниже, чем верхние, менее обжатые водой. Особенно сильно охлаждаются конечности.
Тепловые ощущения организма на воздухе и в воде при одной и той же температуре различны.
Вследствие интенсивного охлаждения и обжатия гидростатическим давлением кожная чувствительность в воде понижается, болевые ощущения притупляются, поэтому могут оставаться незамеченными небольшие порезы и даже раны.
2.1.2. Силы, действующие при статическом и динамическом плавании. Понятие плавучести
Согласно закону движения существует 2 варианта плавания: статическое и динамическое.
Статическое плавание — физическое тело (тело человека) находится в покое на поверхности воды, т. е. без движения. Вариантами такого плавания могут быть также задания на учебных занятиях по демонстрации и удержанию фигур «звездочка», «поплавок» и др.
При статическом плавании действуют две противоположные силы: сила тяжести, которая направлена вниз, и выталкивающая (поддерживающая) сила, которая направлена вверх.
Динамическое плавание — плавание с помощью разнообразных двигательных действий (с помощью энергии движения). При динамическом плавании к существующим силам тяжести и выталкивающей добавляются сила тяги и противополжно направленная ей сила сопротивления. Сила тяги, как правило, направлена по ходу движения и складывается из нескольких составляющих (работа рук, ног). Сила сопротивления всегда направлена против движения и состоит из нескольких видов сопротивлений (см. полное сопротивление).
Существование гидростатического давления приводит к тому, что на любое тело, находящееся в жидкости или газе, действует выталкивающая сила. Впервые значение этой силы в жидкостях определил на опыте Архимед. Закон Архимеда формулируется следующим образом: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу того количества жидкости или газа, которое вытеснено погруженной частью тела.
 |
Рис. 1
Рассмотрим теоретический вывод закона Архимеда. В сосуд (рис. 1) налита жидкость и погружено тело, имеющее форму куба. Ребро куба равно l. Верхняя грань куба находится от поверхности жидкости на глубине h, а нижняя — на глубине h+l. На все грани куба жидкость оказывает давление. При этом силы давления, действующие на боковые грани куба, взаимно компенсируются. На верхнюю грань куба действует направленная вниз сила давления F1, модуль которой
F1=rжghS (1)
где rж — плотность жидкости; S — площадь грани куба. На нижнюю грань куба действует направленная вверх сила давления F2, модуль которой
F2=rжg(h+l)S (2)
Так как h<h+l, то F1<F2, т. е. равнодействующая этих двух сил направлена вертикально вверх и представляет собой выталкивающую (архимедову) силу:
FA=F2-F1 (3)
Подставив (1) и (2) в (3), найдем, что модуль архимедовой силы
FA =rжglS=rжgV=Pж, (4)
где V — объем куба (т. е. объем жидкости, вытесненной погруженным телом); Pж — вес вытесненной жидкости. Следовательно, выталкивающая сила по модулю равна весу жидкости, вытесненной погруженной частью тела.
Архимедова сила FA приложена к телу в центре масс вытесненной телом жидкости и направлена против силы тяжести, действующей на это тело. Необходимо помнить, что закон Архимеда справедлив только при наличии силы тяжести. В условиях невесомости он не выполняется.
Плавучесть — способность тела держаться на поверхности воды. Причем данную характеристику целесообразнее рассматривать именно при статическом плавании.
Поведение тела, находящегося в жидкости, зависит от соотношения между модулями силы тяжести Fт и архимедовой силы FA, которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая, характеризующие условие плавания тел:
a. Fт>FA — тело тонет;
b. Fт=FA — тело плавает;
c. Fт<FA — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
Условие плавания тел просто: выталкивающая сила должна быть не меньше силы тяжести, действующей на тело. Из закона Архимеда можно вывести, что тела, имеющие плотность меньшую, чем плотность жидкости, будут в ней плавать (положительная плавучесть). Другие – тонуть (отрицательная плавучесть). При равенстве плотностей наблюдается нулевая плавучесть: тело полностью погружено в жидкость, но не тонет.
rтела>rж — тело тонет;
rтела= rж — тело плавает или зависает (необязательно на поверхности);
rтела<rж — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
Как уже отмечалось, при дыхании плавучесть изменяется. При вдохе будет иметь место положительная плавучесть, при выдохе (особенно полном) — отрицательная. В среднем женщины имеют большую плавучесть, чем мужчины, т. к. в их организме содержится больше жировых депо, а костно-мышечные ткани не такие плотные, как у последних. На плавучесть влияет также и объем легких.
Однако некоторые лица независимо от пола, но больше мужчины, имеют отрицательную плавучесть даже при полном вдохе (из-за достаточно большой мышечной массы и тяжелого скелета). Таким людям сложно удержаться на поверхности без движения (при статическом плавании), однако в спортивном плавании это обстоятельство имеет свои преимущества.
Существенное значение при плавании имеет равновесие в воде. Рассмотрим равновесие тел при статическом плавании. Чтобы его (равновесие) получить, необходимо, чтобы действующая со стороны жидкости выталкивающая сила, приложенная в центре тяжести вытесненной жидкости (центр давления), была не только равна топящей силе (силе тяжести), но и чтобы центр давления был на одной вертикали с центром тяжести. В противном случае выталкивающая и топящая силы создадут моменты пары сил, вращающих тело. Вращение будет наблюдаться до тех пор, пока тело не придет в положение, при котором будут выполнены указанные условия.
 |
Равновесие может быть устойчивым и неустойчивым. Устойчивое статическое равновесие наблюдается, когда центр давления расположен выше центра тяжести (см. рис. 2а). В этом положении при нарушении равновесия под действием внешних сил создается восстанавливающий момент, который стремится вернуть тело в исходное положение. Неустойчивое статическое положение (см. рис. 2б) будет тогда, когда центр тяжести расположен выше центра давления. В данном случае при незначительном отклонении от положения равновесия создается момент сил, который будет вращать тело до достижения положения устойчивого равновесия.
а) б)
Рис. 2
 |
Рассмотрим расположение центра тяжести и центра давления при горизонтальном положении тела пловца (рис. 3). Оба центра будут находится в одной горизонтальной плоскости на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга, что объясняется неоднородным строением человеческого тела. Такое расположение центра тяжести и центра давления вызывает вращение тела вокруг поперечной оси, сопровождающееся опусканием ног.
Рис. 3
Если в горизонтальном положении пловец, лежащий в воде лицом вниз, сильно прогнется, то центр давления может оказаться ниже центра тяжести. В данном случае создастся неустойчивое положение, когда, помимо уже имеющего место вращения вокруг поперечной оси (когда наблюдается опускание ног), пловец может быть развернут вокруг продольной оси, т. е. лицом вверх.
Равновесие пловца напрямую связано с его индивидуальным анатомическим строением.
При динамическом плавании тело спортсмена, как правило, занимает положение близкое к горизонтальному, но отличное от него. Положение тела по отношению к обтекаемому потоку называется углом атаки тела. Угол атаки замеряется между продольной осью тела и направлением движения. Под продольной осью подразумевается воображаемая линия, соединяющая среднюю точку сечения грудной и тазовой части туловища. Угол атаки считается положительным, если ось тела отклоняется вверх от обтекающего потока, и отрицательным, если отклоняется вниз.
При плавании брассом наблюдаются углы атаки до 13–14°, а при плавании баттерфляем — до 25–30°. При кроле — 2–6°. Очевидно, что угол атаки надо по возможности уменьшать.
Угол атаки кисти — угол между плоскостью кисти и направлением потока. Кисть во время гребка движется по криволинейной траектории, угол атаки кисти в основной части гребка изменяется, как правило, от 35–45° до 60–75°. В отдельные моменты гребка угол атаки кисти может составлять 15–30°.
При движении пловца под некоторым углом к потоку полная сила гидродинамического сопротивления направлена не строго назад, а отклоняется вверх или вниз в зависимости от того, положительный или отрицательный угол атаки имеет пловец. При разложении полной гидродинамической силы сопротивления по правилу параллелограмма получаем 2 силы: одну направленную параллельно обтекающего потока, другую — перпендикулярную к нему.
Сила, направленная параллельно встречному обтекающему потоку, называется силой лобового сопротивления.
Сила, действующая перпендикулярно вверх по отношению к направлению потока, называется подъемной силой, перпендикулярно вниз — топящей.
Существует три компонента об-щего гидродинамического сопротивления (базиру-ясь на данных гидродинамики и исследованиях в области кораблестроения):
а) поверхностное (сопротивление трения);
б) вихревое сопротивление, или сопротивление формы, обусловленное образованием зоны вихрей в кильватере тела и пропорциональное площади поперечного сечения тела, взаимодействующей с «набегающим» потоком;
в) волновое сопротивление, образованное час-тью объема воды, вытесняемого телом.
Сопротивление трения (поверхностное сопротивление) возникает при движении потока вдоль грубой поверхности. Эта часть пассивного сопротивления. Гладкость кожного покрова, волосяной покров, качество плавательного костюма являются факторами, создающими трение при движении пловца в водной среде. Зависимость сопротивле-ния трения от скорости плавания носит линейный характер. Считается, что при скорости плавания 1–2 м/сек доля сопротивления трения от суммарной величины гидродинамического сопротивления составляет примерно 15–20 %.
Необходимо подчеркнуть, что трущая поверхность должна не обязательно быть предельно гладкой, но скорее иметь текстуру, удерживающую тончайшую водяную пленку, увлекаемую пловцом на своем теле. Результатом будет трение воды о воду, которое намного меньше по величине, чем трение даже очень гладкой кожи о воду.
Сопротивление формы обусловлено особенностями геометрии тела пловца и является еще одним компонентом пассивного сопро-тивления (но может быть и частью активного сопротивления). Его ве-личина зависит от плотности воды, формы и площади поперечного сечения тела и пропорциональна квадрату скорости. Наибольшая площадь поперечного сечения, перпендикулярная потоку, у взрослого спортсмена в горизонтальном положении с вытянутыми вперед руками составляет 0,070–0,095 м2.
Когда тело движется в водной среде, силы со-противления среды действуют на тело в направле-нии строго назад. Эти силы составляют сопротив-ление формы. Когда встречный поток взаимодей-ствуют с телом, он направляется в стороны и следует вдоль контура тела. Если тело обладает об-текаемой формой, водный поток движется почти беспрепятственно вдоль тела. Если же форма не является обтекаемой, как форма руки, подстав-ленной перпендикулярно потоку, вода не может плавно обтечь такое препятствие, и происходит отрыв потока с образованием вихревых «карма-нов» и воронок позади тела (руки).
Сопротивление формы может быть снижено путем придания телу горизонтальной ориентации. Нужно стараться, чтобы таз и бедра двигались в пространстве, как бы в проекции головы и плеч. То есть нужно плыть так плоско, как это возможно. Так новый вариант удара ног в брассе призван уменьшить опускание колен вниз. Во время удара ногами бедра приподнимаются вверх. Максимальная продвигающая сила, таким образом, достигается при более обтекаемом положении тела.
Волновое сопротивление создается при движении пловца по поверхности воды или на незначительной глубине под водой. Так как волнообразование требует энергии, то единственным ее источником является пловец. Энергия, кото-рая может быть использована для создания пропульсивных сил, теряется на волнообразование.
Возникающие на поверхности воды при движении пловца волны могут быть разбиты на две группы: на систему расходящихся и поперечных волн. Расходящиеся (или по-другому — косые) волны возникают у передней и задней части тела. Гребни косых волн расположены по отношению к диаметральной плоскости под углом около 40°. Линии, проходящие через начало косых волн, составляют к диаметральной плоскости угол около 20°.
Поперечные волны движутся поперек линии движения. Если посмотреть на пловца сбоку, то можно увидеть, что у линии головы и плеч поднимается передняя волна. В этом месте зарождаются как косые, так и поперечные волны. Поперечную волну необходимо учитывать при выполнении вдоха и при движении рук над водой. Гребень передней волны расположен у головы.
Следующая волна начинает подниматься за тазом. Впадина между передней и задней волнами расположена у поясницы. При медленном плавании эти волны отчетливо не видны. Однако при максимальной скорости они значительно увеличиваются, а спина пловца обнажается почти до поясницы.
Источниками волнообразования являются:
— акцентированные вертикальные движения («вылетание» из воды в баттерфляе, приподнимание голо-вы для вдоха в кроле);
— поперечные и любые другие движения, отклоняющие тело от горизонтального положения;
— неравномерное продвижение пловца («рывки») также создает волны.
Волновое сопротивление — наи-более вредное. Оно увеличивается пропорционально кубу скорости пловца. В то же время этот вид сопро-тивления может являться объектом контроля пловца. Величина волнового сопротивления может быть снижена за счет устранения излишних верти-кальных и боковых движений.
Каждый вид гидродинамического сопротивления вносит вклад в снижение скорости плава-ния. Нужно помнить, что когда пло-вец увеличивает скорость плавания в 2 раза, сопротивление трения также возрастает в 2 раза, в то время как со-противление формы возрастает в 4 раза, а волновое сопротивление — в 8 раз!!! С увеличением скорости волно-вое сопротивление и сопротивление формы увеличиваются настолько, что наступает момент, когда дальнейшее увеличение мощности движений (и энергозатрат) не будет сопровож-даться улучшением результата.
Поэтому каждое новое техническое действие, которому обучается пловец, должно быть предварительно оценено с позиций создаваемого гидродинамического сопротивления. Сопротивление снижает скорость плавания. Эффективная техника, прежде всего, создает наименьшее сопротивление и таким образом повышает эффективность плавательных движений.
Дата: 2019-04-23, просмотров: 288.
