Статическое плавание
Известно, что главным фактором, определяющим технику плавания, являются некоторые физические законы, в частности законы гидростатики и гидродинамики. Под статическим плаванием следует понимать такое плавание, при котором на тело человека, находящегося в воде без движений, действуют две силы: сила тяжести (вес тела), направленная вниз, и подъемная сила воды, действующая кверху. В зависимости от соотношения силы тяжести (FT) и подъемной силы воды (FB) могут быть три случая положения тела в воде: а) если FT больше, чем FB, то тело тонет; б) если FT равно FB, то тело находится в нейтральном положении (состояние равновесия); в) если FT меньше, чем FB, то тело всплывает на поверхность воды.
Плавучесть тела
Плавучесть тела - это его способность держаться на поверхности воды. Она определяется подъемной силой воды. У человека различают вертикальную и горизонтальную плавучесть. При вертикальной плавучести силы FT и FB расположены вдоль продольной оси тела, а при горизонтальной они перпендикулярны к этой оси. Горизонтальная плавучесть оказывает положительное влияние на технику плавания. Плавучесть зависит от удельного веса тела человека. Тело человека состоит из неоднородных по своему составу тканей: костной, мышечной, жировой и др. Удельный вес костей равен 1,7-1,9, мышц - 1,04-1,05, жира - 0,92-0,94. На первый взгляд может показаться, что эти данные удельных весов не позволят человеку удержаться на поверхности воды. Для того чтобы человек не тонул, его средний удельный вес должен быть равен или меньше удельного веса воды. Удельный вес человека зависит от объема жировой ткани, от соотношения весов костей и других тканей, от объема легких и степени наполнения их воздухом. Обычно удельный вес тела человека при полном вдохе составляет 0,97, при полном выдохе-1,2, а при нормальном вдохе соответствует удельному весу воды, т.е. не превышает 1,0. У людей, регулярно занимающихся плаванием, удельный вес тела существенно уменьшается за счет увеличения жизнен ной емкости легких, которая в большинстве случаев составляет 5500-7000 см3. По данным Института физической культуры им. П.Ф. Лесгафта, пловцы имеют следующие показатели удельных весов: при полном вдохе - 0,976, при нормальном вдохе - 0,993 и при полном выдохе - 1,038. На плавучесть тела человека оказывает большое влияние степень погружения частей тела в воду. Наибольшая плавучесть наблюдается тогда, когда тело человека погружено в воду. В этом случае подъемная сила давления воды будет максимальной. Если пловец поднял из воды голову или руку, то он уменьшил подъемную силу воды на величину веса воды, объем которой равен объему головы или руки. Так как вес тела есть величина постоянная, не зависящая от степени погружения частей тела в воду, то вес руки или головы будет той силой, которая в данном случае уменьшит плавучесть и будет способствовать движению всего тела вниз. Именно поэтому в спортивном плавании поворот или поднимание головы для вдоха, а также пронос рук над водой производится с достаточной быстротой. Когда голова или рука находятся над водой продолжительное время, то для поддержания тела на поверхности воды надо увеличить подъемную силу давления воды за счет выполнения ногами и рукой, находящейся в воде, интенсивных движений. Если человеку надо опуститься под воду с поверхности (например, при нырянии в глубину), он резко поднимает из воды руки и верхнюю часть туловища. Подъемная сила воды при этом значительно уменьшается и сила тяжести направляет тело пловца вниз. Следует помнить о том, что почти каждый человек имеет вертикальную плавучесть, которая обеспечивает ему плавание на поверхности воды в вертикальном положении без всяких движений. Плавучесть тела зависит от плотности среды. Если плотность жидкости увеличивается, то увеличивается и плавучесть тела. Обычно плотность морской воды на 15-25% больше, чем плотность дистиллированной воды при 4° С. Поэтому в морской воде тело пловца находится на поверхности в несколько приподнятом положении. Горизонтальная плавучесть тела человека в большой степени зависит от взаимного расположения общего центра тяжести1 и общего центра плавучести2. На положение общего центра тяжести большое влияние оказывают конституция тела, соотношение объемов отдельных тканей человеческого тела и их удельных весов.
Равновесие тела
Под равновесием понимается способность тела находиться в состоянии покоя В зависимости от положения тела существует горизонтальное и вертикальное равновесие. Вертикальное равновесие зависит от соотношения величин силы тяжести (FT) и подъемной силы воды (FB), а горизонтальное - как от соотношения этих сил, так и от их взаимного расположения. Представим себе тело человека, находящегося в горизонтальном положении на поверхности воды (рис.2). К общему центру тяжести (ОЦТ) тела приложена равнодействующая сил тяжести - FTt направленная вниз. Равнодействующая всех выталкивающих сил воды - FB приложена к общему центру плавучести (ОЦП) и направлена вверх.
плавание техника физический закон
Если между ОЦТ и ОЦП по горизонтали имеется расстояние, равное L, то при равенстве сил FT=FB=F на тело будет действовать момент пары сил M=>FL. Этот момент будет вращать тело человека до тех пор, пока оно не примет вертикального положения. Этот пример показывает, что, когда тело находилось в горизонтальном положении, оно не было в состоянии равновесия. Когда же оно заняло вертикальное положение - состояние вертикального равновесия стало налицо; силы взаимно уравновесились, а момент пары сил обратился в нуль. Значит, для того чтобы тело пловца находилось в состоянии горизонтального равновесия, необходимо, чтобы момент пары сил обращался в нуль при горизонтальном положении тела. Этого возможно достигнуть лишь в тех случаях, когда ОЦТ и ОЦП совпадут или будут находиться в непосредственной близости друг от друга (1-2 см). В последнем случае момент пары сил будет незначительным и им можно пренебречь. Следует особо отметить, что искусственное сближение у пловца ОЦТ и ОЦП за счет изменения положений конечностей и перегруппировки мышечных напряжений не приводит к положительным результатам, так как в технике плавания воспользоваться указанными действиями для достижения равновесия тела под влиянием статических сил не представляется возможным. Поэтому пловцы с "тяжелыми" ногами могут сохранять горизонтальное положение тела на поверхности воды за счет дополнительных мышечных усилий, развиваемых ногами пловца при поступательном движении. Таким образом, для спортивного плавания необходимо отбирать таких людей, у которых была бы ярко выражена горизонтальная устойчивость тела (постоянное или длительное равновесие).
Динамическое плавание
Динамическим плаванием называется поступательное движение пловца, при котором на его тело действуют четыре силы: силы тяжести (FT), подъемная сила (Р), сила тяги (FTяги) и сила встречного сопротивления (R). Сила тяжести является постоянной гидростатической силой. Величины остальных трех сил меняются в зависимости от различных причин, которые рассматриваются ниже. Подъемная сила является результирующей: она состоит из рассмотренной ранее гидростатической подъемной силы воды и некоторых гидродинамических подъемных сил. Гидродинамическая сила встречного сопротивления возникает в результате поступательного движения пловца в воде, которая имеет большую плотность и вязкость. Основным условием динамического плавания является реакция опоры (воды), которая возникает на гребущей поверхности в результате движения конечностей. Эта реактивная сила и будет гидродинамической силой тяги.
Общий закон сопротивления воды
Гидродинамическая сила встречного сопротивления воды не является постоянной. Она изменяется в зависимости от скорости продвижения пловца, его миделева сечения формы тела и плотности среды. При движении пловца с равномерной скоростью общий закон сопротивления водной среды может быть выражен следующей формулой: R=1/2*CpSV2 где С - коэффициент обтекаемости, зависящий от формы тела человека и вязкости жидкости; р - плотность воды; S - миделево сечение; V - скорость пловца. Формула показывает, что сопротивление воды возрастает, если ее плотность, т.е. масса частиц, заключенных в одной объемной единице, увеличивается. Такое сопротивление повышается по закону прямой пропорциональности: если плотность воды увеличить в 1,3 раза, то и сопротивление движению в ней человека увеличится в 1,3 раза. На величину встречного сопротивления оказывает большое влияние миделево сечение пловца, которое также изменяет сопротивление воды по правилу прямой пропорциональности: чем меньше величина миделева сечения, тем меньше величина встречного сопротивления. Это правило требует, чтобы тело пловца в любом способе плавания принимало горизонтальное положение, при котором миделево сечение будет минимальным. Однако, учитывая некоторые необходимые колебания тела пловца вокруг поперечной оси в пределах одного цикла движений, следует рекомендовать располагать тело на поверхности воды под определенными углами в зависимости от способов плавания, скорости движения пловца и его индивидуальных особенностей. Из формулы видно, что сопротивление воды изменяется пропорционально квадрату скорости движения пловца. Это значит, что если пловец увеличил скорость движения в 1,5 раза, то сопротивление воды возрастает в 2,25 раза. Известно также, что любое изменение скорости связано с появлением ускорения, которое приводит к возникновению дополнительной гидродинамической силы сопротивления (Рдоп=ma). Указанная зависимость сопротивления от изменения скорости плавания приводит к выводу о том, что техника плавательных движений и методика подготовки пловца должна обеспечить ему проплывание всех отрезков дистанции с одинаковой скоростью и приблизить к равномерной скорость продвижения пловца внутри каждого цикла в любом способе плавания. Рассмотренное выше гидродинамическое сопротивление воды возникает в результате действия двух видов сопротивлений: сопротивления трения и сопротивления нормального давления. Последнее слагается из вихревого и волнового сопротивления.
Сопротивление трения
Сопротивление трения возникает в результате взаимодействия поверхности тела с водой, обладающей свойством вязкости. Существует два вида трения: внешнее и внутреннее. Внешнее трение - это трение тела о близлежащий (пограничный) слой воды. Шероховатая поверхность тела и вязкость воды вызывают действие такой силы трения, которая удерживает прилегающий к телу слой воды на его поверхности и обеспечивает движение этого слоя со скоростью пловца. Следовательно, внешнее трение не позволяет пограничному слою воды скользить по поверхности тела. Внутренним трением называется трение частиц воды между собой. Свойство вязкости воды таково, что оно позволяет соседним слоям скользить относительно друг друга. Наибольшую скорость движения имеют те слои воды, которые располагаются ближе к пловцу: здесь скольжение одного слоя относительно другого минимальное. По мере удаления слоев воды от поверхности тела пловца скольжение увеличивается, а скорость движения воды падает. В результате трения пловец приводит в движение около одного кубометра воды, непроизводительно расходуя определенное количество своей энергии. Трение можно уменьшить, если принять более высокое положение тела на поверхности воды. Этого можно достигнуть за счет повышения эффективности гребковых движений, которые в свою очередь повышают скорость плавания. Кроме этого, в целях уменьшения трения пловцы тренируются и выступают в соревнованиях в плавательных костюмах, изготовленных из материала, имеющего малый коэффициент трения (шелк, капрон, водоотталкивающая ткань и др.).