Читать книгу Основы техники спортивных способов плавания - О. Б. Галеева - Страница 6

Вода оказывает сопротивление движущемуся в ней телу. Сила сопротивления воды действует навстречу телу и тормозит продвижение. При равномерном движении сопротивление пропорционально квадрату скорости и квадрату линейных размеров тела. При неравномерном движении – а именно таков характер движений внутри каждого цикла – приходится дополнительно преодолевать инерцию тела и инерцию окружающей его водной среды. Гидродинамическое сопротивление обусловлено действием на движущееся тело сил трения и давления. Сила трения направлена по касательной к поверхности тела, сила давления – перпендикулярна к ней.

Для уменьшения сопротивления воды пловцу необходимо иметь представления о силах, мешающих ему это сделать. Таких сил в плавании четыре: лобовое сопротивление, волнообразование, трение и завихрение (рис. 6).

Рис. 6. Действие воды на движущееся тело: а) лобовое сопротивление; б) волнообразование; в) трение; г) завихрение

Лобовое сопротивление может быть вычислено по следующей формуле:

где С_х – коэффициент лобового сопротивления (величина безразмерная), S – площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную к направлению движения тела, Р – плотность воды, V– скорость движения тела.

где Р – вес, L – рост, К – коэффициент размерности.

Величина коэффициента непостоянна. Она зависит от формы и размеров тела, его ориентации относительно набегающего потока и других факторов, поэтому вычисляется опытным путем в каждом конкретном случае. Чем больше коэффициент лобового сопротивления, тем сильнее тормозится телом набегающий поток.

C увеличением угла атаки коэффициент лобового сопротивления непрерывно повышается и достигает максимума, когда тело занимает положение, перпендикулярное к потоку ( = 90). Отклонение рабочей плоскости на 15–20 от перпендикулярного положения не оказывает существенного влияния на величину коэффициента.

По экспериментальным данным [12], полученным путем буксировки испытуемых в положении скольжения, средняя величина коэффициента сопротивления воды у женщин на 9 % меньше, чем у мужчин (С_жен= 0,366 ± 0,017; С_муж= 0,402 ± 0,024) (рис. 7).

Аналогично лобовому сопротивлению вычисляется и подъѐмная сила:

где R_y – подъемная сила;

S – площадь рабочей поверхности тела;

C_y – безразмерный коэффициент подъѐмной силы.

Рис. 7. Коэффициенты сопротивления воды для различных возрастных групп

Величина коэффициента подъѐмной силы также зависит от формы и профиля тела, угла атаки и других факторов. Величина коэффициента резко возрастает при изменении угла атаки от нуля до 18–20. С дальнейшим увеличением угла атаки величина коэффициента резко падает. При угле атаки 90 она становится равной нулю.

Замена силы R двумя составляющими R_y и R_y является условной. В действительности имеется лишь одна сила – сила реакции воды. Направление еѐ действия приближается к перпендикуляру, опущенному на поверхность тела или рабочих звеньев пловца, взаимодействующих с потоком.

Волновое сопротивление. При движении тела пловца вблизи свободной поверхности возникает волновое сопротивление. Оно появляется при давлении передней части тела на воду, вызывая подъем и спад воды с различным изменением формы ее поверхности, от которой образуются расходящиеся и поперечные волны.

Если посмотреть на пловца сбоку, то можно видеть, что у линии головы и плеч поднимается передняя волна. Следующая волна поднимается сзади. Впадина между передней и задней волнами расположена примерно у поясницы. Выделяют систему расходящихся волн и систему поперечных волн. Гребни расходящихся волн расположены по отношению к диаметральной плоскости под углом 40. Линии, проходящие через начало косых волн, составляют угол примерно 20 к диаметральной плоскости. При медленном плавании волны практически не видны. С увеличением скорости движения волны выделяются все более и более отчетливо.

Исследования показали, что доля волнового сопротивления в общем, гидродинамическом, сопротивлении возрастает с увеличением скорости. При скорости меньше 2 м/с доля волнового сопротивления составляет порядка 10–15 %, на скоростях более 2 м/с эта доля возрастает до 25 % и выше. При выполнении гребковых движений положение тела пловца непрерывно меняется, что также сказывается на волнообразовании, увеличивая его. Неблагоприятное влияние волнообразования проявляется еще и в том, что если скорость пловца по каким-то причинам меняется, например, замедляется, волны уходят вперед, отражаются от стенки бассейна и движутся навстречу, создавая дополнительное сопротивление. Аналогичная картина наблюдается, если два пловца плывут рядом с различной скоростью.

Ряд исследователей высказывают мнение, что именно волновое сопротивление является лимитирующим фактором, ограничивающим скорость плавания.

Сопротивление трения. Возникновение сопротивления трения обусловлено вязкостью воды и проявляется в слоях непосредственно прилегающих к телу. Этот прилегающий к телу слой воды получил название пограничного слоя (рис. 8). У поверхности тела частицы воды движутся с той же скоростью, что и тело. По мере удаления от тела скорость движения частиц воды снижается до 0 м/с. Если частицы воды движутся, не смешиваясь, без завихрений, то такой вид течения жидкости в пограничном слое называется ламинарным. Если слои воды смешиваются, то образуются завихрения – такой вид течения жидкости в пограничном слое называется турбулентным. В турбулентном слое тело испытывает большее сопротивление, чем в ламинарном.

Рис. 8. Схема обтекаемого сигарообразного тела в водном потоке

Все способы уменьшения сопротивления трения в спортивном плавании сводятся к возможно большей обтекаемости ламинарным потоком в пограничном слое:

• сглаживание выступов и неровностей на теле и в купальном костюме;

• использование купального костюма с минимальными показателями шероховатости;

• фиксация положения туловища, так как всякого рода качания тела способствуют возникновению поперечных течений и возмущений пограничного слоя [12].

В момент смены ламинарного потока турбулентным происходит скачкообразное увеличение сопротивления. Для различных тел скорость, при которой один вид течения жидкости вблизи тела сменяется другим, будет различна. Эта скорость получила название критической и зависит она от ряда факторов: формы, площади, поверхности, шероховатости и т. п.

Сопротивление вихреобразования. Сопротивление вихреобразования обусловливается вязкостью жидкости. Величина сопротивления вихреобразования во многом обусловлена формой тела. Поэтому сопротивление вихреобразования иногда называют сопротивлением формы.

При обтекании тела потоком на задней кромке возникают обратные течения. Отрываясь, течения образуют завихрения (гидродинамический след). В области завихрений давление существенно снижается, возникает разница давлений на передней и задней поверхности тела (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость величины сопротивления воды от формы тела. Цифры внутри контуров тел обозначают величину сопротивления в условных единицах

У хорошо обтекаемых тел доля сопротивления вихреобразования в общем, сопротивлении не велика. У каплевидных и веретенообразных тел – около 3–5 %, у плохо обтекаемых тел (пластина, опущенная перпендикулярно потоку) – может доходить до 100 %.

Одним из важных показателей, определяющих величину вихреобразования, является соотношение продольных и поперечных размеров тела, считается, что чем длиннее тело, тем меньше удельное сопротивление.

Тело человека, находящегося в горизонтальном положении, в целом имеет удачное соотношение продольных и поперечных размеров. Однако на теле человека имеется ряд бугристостей и выступов (за затылком, подбородком, коленями, пятками и т. п.), способствующих возникновению завихрений.

На величину сопротивления вихреобразования существенно влияет изменение угла атаки. Прирост сопротивления особенно заметен, если угол атаки превышает 8–10° (табл.1).

Таблица 1

Изменение величины сопротивления вихреобразования в зависимости от угла атаки

Исследования Б. И. Оноприенко [12] показали, что в положении скольжения преобладает влияние сопротивления трения, оно составляет 72–76 % от общего сопротивления, а волновое сопротивление достигает 1–3 % при скорости 1–1,6 м/с, сопротивление формы колеблется в пределах 17–21 %. Пловец испытывает меньшее сопротивление воды при равномерной скорости плавания. Величина встречного сопротивления воды при этом в значительной степени зависит от поперечных размеров тела и связана с весом тела, окружностью грудной клетки, шириной плеч, а максимальная скорость определяется соотношением между движущей силой тяги и преодолением встречного сопротивления.