Силы реакции воды при движении тела

Динамическое взаимодействие тела с водой зависит от скоро­сти его движения относительно воды и обусловлено наличием в ней сил внутреннего трения и давления.

При движении тела в воде распределение давления отличается от его распределения в жидкости, находящейся в покое. В потоке возникают области повышенного и пониженного давления Об­ласть повышенного давления образуется на той части тела кото­рая встречает (атакует) поток воды, а область пониженного давле­ния - позади тела, где возникает вихреобразование (рис. 9) Ре­зультирующая сила реакции воды R в приведенном примере пре­пятствует продвижению пловца вперед; в подобных случаях будем называть ее силой гидродинамического сопротивления.

Рис. 9. Сила гидродинамического сопротивления R и ее разложение на две составляющие: fix (лобовое сопротивление) и Ry (подъемная сила)

Аналогичная (по природе возникновения) сила реакции воды будет образовываться и на рабочих поверхностях рук и ног пловца во время гребков, например на рабочей поверхности кисти (рис 10) Так как эту силу пловец использует, чтобы продвигать себя вперед опираясь о воду, будем называть ее силой реакции опоры. Результи­рующую силу реакции опоры обозначим тоже латинской буквой R. Сила приложена перпендикулярно рабочей плоскости руки выполняющей гребок.

Сила реакции воды есть векторная величина; она всегда дейст­вует в определенном направлении. Графически вектор силы мож­но представить в виде суммы двух других векторов, т.е. разложить на составляющие. Направление действия составляющих выбира-

ется заранее. Чаще всего мы раскладываем вектор R по направле­нию продвижения пловца вперед и перпендикулярно этому на­правлению.

В случаях, представленных на рис. 9 и 10, силу R можно разло­жить, применяя правило параллелограмма, на две составляющие: Rx (лобовое сопротивление) и Ry (подъемная сила). В первом слу­чае (см. рис. 9) сила Rx тормозит продвижение пловца вперед, во втором (см. рис. 10) служит ему опорой для продвижения.

Анализ сил, тормозящих продвижение тела пловца

Лобовое сопротивление — главная сила, препятствующая про­движению пловца вперед. Величина лобового сопротивления за­висит от формы и обтекаемости тела, его положения (ориентации)

Рис. 10. Сила реакции опоры R, возникающая на рабочей поверхности кисти во время гребка рукой в кроле на груди, и ее разложение на составляющие Rx и Ry

относительно потока воды. Она пропорциональна площади попе­речного сечения тела (площади проекции тела на плоскость, пер­пендикулярную направлению движения) и квадрату скорости дви­жения тела относительно воды:

Rx^SV, (1)

где S — площадь поперечного сечения тела, V— скорость движе­ния тела относительно воды.

Проекция тела на фронтальную плоскость - это, образно гово­ря, контур пловца, который мы увидим, если будем смотреть на него спереди через подводное окно (рис. 11). При скольжении пловца в вытянутом горизонтальном положении площадь проек­ции его тела будет минимальной (см. рис. 11, а). В отдельные мо­менты цикла движений при плавании тем или иным способом эта площадь может существенно возрастать (см. рис. 11,6). Соответст­венно будет возрастать и величина встречного гидродинамическо­го сопротивления.

Рис. J /. Площадь поперечного сечения тела пловца (заштрихованный контур справа): а - при скольжении под водой в вытянутом горизонтальном положении; 6 - при плавании брассом

Сопротивление продвижению тела пловца вперед увеличивает­ся при недочетах в технике: например, при излишнем сгибании ног в тазобедренных суставах при плавании кролем и брассом; при опускании таза глубоко в воду («сидячем» положении) при плава­нии на спине; при поднимании головы вверх и излишнем проги­бании туловища при плавании баттерфляем.

Ориентацию тела пловца во время движения характеризуют уг­лом атаки, т.е. углом между продольной осью тела и направлением движения (см. рис. 9). С увеличением угла атаки возрастает лобовое сопротивление. Углы атаки тела пловца, превышающие 10—15°, не являются рациональными. В этом случае существенно возрастает площадь проекции тела на фронтальную плоскость, ухудшается об­текаемость, увеличивается вихреобразование за спиной и тазом пловца — и в целом увеличивается лобовое сопротивление.

Гидродинамическое сопротивление тела теоретически можно разделить на сопротивление трения, волнообразования и формы (вихреобразования).

Сопротивление трения возникает в силу вязкости воды. Ее части­цы и слои, непосредственно прилегающие к телу, образуют своего рода водный чехол, двигающийся вместе с телом вперед. На приве­дение этой массы воды в движение затрачивается энергия. Сопро­тивление трения составляет незначительную часть общего гидро­динамического сопротивления. И все же не следует забывать, что плохо подогнанный плавательный костюм, да еще изготовленный из грубой, ворсистой ткани, может отрицательно сказаться на ско­рости плавания за счет повышения сил сопротивления трения.

Сопротивление волнообразования возникает во время движения по поверхности. Когда тело рассекает неподвижную поверхность, сдвигаемая масса воды приходит в колебательное движение, обра­зуя волны. На преодоление сил тяжести и инерции сдвигаемой массы воды затрачивается часть энергии пловца (с увеличением скорости плавания энергозатраты возрастают). Чем меньше вели­чина вертикальных колебаний тела пловца, чем меньше он сдвига­ет воду передней частью тела (т.е. чем лучше наскальзывает на во­ду и рассекает ее), тем меньше величина волнового сопротивле­ния.

Сопротивление формы представляет наибольший практический интерес, так как на его долю приходится около 70% общего гидро­динамического сопротивления тела. В соответствии с формулой (1) сопротивление формы изменяется пропорционально квадрату скорости плавания, площади проекции тела на поверхность, пер­пендикулярную движению. Существенно зависит оно от продоль-

ного профиля тела (собственно формы) и ориентации тела в пото­ке (угла атаки тела).

Для пловца наиболее обтекаемым по форме является вытянутое (относительно продвижения вперед) положение тела: руки вытя­нуты вперед, кисти соединены; голова находится между руками; ноги вытянуты и соединены, носки оттянуты (см. рис. 11, а). Такое положение рекомендуется принимать, например, во время сколь­жения после старта и поворота. Если в это время нарушить рацио­нальное положение рук (например, развести кисти на ширину плеч, вытянуть руки вдоль бедер), силы сопротивления заметно возрастут. То же произойдет и при нарушении рационального по­ложения головы, туловища, ног.