Подъемная сила и сила тяги Рассмотрим вопрос о возникновении подъемной силы и силы тяги при поступательном движении. Возьмем пластинку (рис.4), которая имеет незначительную толщину (h->0), и поместим ее в воду под некоторым углом (а), который носит название угла "атаки". В центре тяжести тела (О) приложим внешнюю силу тяги - Fтяги, которая будет передвигать тело в воде с постоянной поступательной скоростью. Движение тела вызовет возникновение гидродинамического сопротивления (R), направленного в противоположную сторону движения тела. Первоначально разложим силу R на два направления: ось тела (ОК) и линию, перпендикулярную оси (ОМ). Получилось две силы: сила трения - Ftp и сила нормального давления Rj, которая состоит из вихревого и волнового сопротивлений. При дальнейшем разложении силы Rj на горизонтальное и вертикальное направление получим две силы: горизонтальную силу давления Fx и вертикальную силу давления Fy, которая и будет подъемной силой. Итак, при поступательном движении пластинки в воде под некоторым углом "атаки", не равным нулю, на нее действует лишь одна положительная сила - подъемная. Рассмотрим, как изменяются силы Rj, Fx, Fy и FTp при различных значениях угла а.
1. Если угол а равен нулю, то Rj = 0. Следовательно, Fx=0 и Fy=0, а сила FTP=R. В этом случае отсутствует вихревое и волновое сопротивление.
2. Если угол а равен 45°, то Rj = FTp=0,7R. Силы Fx=Fy= R/2
В этом случае наблюдается действие всех видов сопротивления: общее сопротивление значительно превышает его величину при угле а=0.
3. Если угол а равен 90°, то Rj=R, но так как Fy=0, то FX=R. В этом случае действует сила горизонтального давления, есть вихри и волны, а общее сопротивление является наибольшим. Сопоставляя все три варианта положения пластинки, можно сделать вывод о том, что наилучшее положение ее при движении в воде будет такое, при котором она приближается к горизонтальному положению (угол а=3-5°), так как в этом случае будут действовать необходимая поддерживающая гидродинамическая сила, малая сила горизонтального давления и почти максимальная сила трения. Теперь представим себе, что вместо пластинки в воде с помощью внешней силы тяги Fтяги с равномерной скоростью движется человек. Тогда при горизонтальном положении на него, кроме силы трения, будет действовать отрицательная сила горизонтального давления Fx, которая возникает в связи с наличием у человека миделева сечения. Теоретически горизонтальное положение пловца в воде будет наилучшим, так как сопротивление будет наименьшим, а плавучесть обеспечивается действием гидростатической подъемной силы. Однако в связи с наличием миделева сечения и наклоном нижней поверхности тела положение пловца в воде определяется положительными (а в отдельных случаях и отрицательными) углами "атаки", которые колеблются в пределах от 0 до 12° и обеспечивают постоянное действие гидродинамической подъемной силы. Плавание. Сила тяги при гребке прямой рукой Мы рассмотрели силы сопротивления, возникающие при движениях пластинки и пловца в результате действия внешней силы тяги. Однако пловец в воде передвигается за счет движений конечностей, работу которых обеспечивают мышечные силы. При движении конечностей в воде на их поверхностях появляются реактивные силы, действующие в противоположном направлении движению конечностей и продвигающие тело пловца вперед. Рассмотрим, как возникает сила тяги при гребке прямой рукой (рис.5). Наибольшее сопротивление при движении руки в воде испытывает кисть, так как она по отношению к плечевому суставу движется с наибольшей скоростью. Если учесть при этом, что сопротивление возрастает в квадрате к изменению скорости движения кисти, то станет ясно, почему кисть является основной гребущей поверхностью.
При вращательном движении руки в начале гребка спереди назад с постоянной скоростью в соответствии с законом сопротивления среды на тыльной поверхности кисти перпендикулярно к ее продольной оси возникает реактивная сила R, равная силе давления руки на воду - Rg. Эту силу можно разложить по правилу параллелограмма на вертикальное и горизонтальное направления. Сила, действующая по горизонтали и направленная вперед по отношению к пловцу, и будет силой тяги Fтяги, продвигающей пловца вперед. Сила, направленная вверх, будет подъемной силой Fп. В середине гребка вся реактивная сила становится равной силе тяги Fтяги. В конце гребка реактивная сила R состоит из силы тяги и топящей силы (К). Поскольку пловец постоянно испытывает действие подъемных сил, возникающих на основании закона Архимеда, а также в связи с действием встречного сопротивления (при положительном угле "атаки"), ему следует во время гребков обеспечить увеличение силы тяги (Ттяги) и уменьшить действие подъемной и топящей сил. Такая задача решается путем сгибания руки в локтевом и лучезапястном суставах. В этом случае кисть руки движется в воде поступательно на более длинном участке гребка, обеспечивая на этом отрезке пути действие лишь одной силы тяги.
Размещено на Allbest.ru