Биомеханические основы избранного вида спорта

Реферат Биомеханические основы ИВС Техника спортивного плавания — целостная система движений, которая позволяет пловцу преодолевать соревновательную дистанцию с возможно большей скоростью, тактически рационально и в соответствии с правилами соревнований. Она изменяется в процессе физического развития спортсмена и повышения его спортивного мастерства. Непрерывно развивается, возникают новые варианты рациональной техники. В технике отражаются закономерности механического перемещения тела пловца по дистанции и проявление волевых и творческих способностей спортсмена, влияющих на индивидуальность техники.

Техника спортивного плавания рассматривается в двух аспектах: 1) индивидуальная система движений реального спортсмена и 2) теоретическая модель (обобщенные данные о рациональной системе движений в виде биомеханической или педагогической модели).

Биомеханическая модель спортивной техники раскрывает закономерности взаимодействия тела пловца и его рабочих звеньев с водной средой: а) соотношение движущих и тормозящих сил; б) источники и пути сохранения энергии в системе движений.

Педагогическая модель спортивной техники это последовательное описание основных действий, смысловых установок, наглядных ориентиров и методических требований, которые позволяют пловцу осознать двигательную задачу и создать конкретный образ предстоящего действия. Данная модель служит ориентировочной основой для усвоения и совершенствования техники.

Для изучения сил, действующих на тело пловца в воде, рассмотрим физические свойства воды. Вода обладает: плотностью, удельным весом, вязкостью, сжимаемостью, теплопроводностью, звукопроводностью, преломлением.

Плотность воды — ее масса в единице объема (P = m/v), измеряемая в кг/м3. При температуре 4град. С плотность равна 1000кг/м3, что является в 775 раз больше плотности воздуха (1,29кг/м3), поэтому движения в воде затруднены.

Удельный вес воды — вес единицы ее объема (U = G/V), где G — вес (сила тяжести) воды, V — объем жидкости, измеряется в кг/м3.

Удельный вес дистиллированной воды при t 4град. С равен 1000кг/м3(1 кг/л).

Повышение или понижение t воды приводит к изменению удельного веса. Наличие в воде солей или других примесей также приводит к увеличению удельного веса. Морская вода имеет удельный вес больше (1,03 кг/л), поэтому в ней легче удерживаться на поверхности. Тела, имеющие удельный вес больше 1кг/л, тонут, меньше 1кг/л — всплывают. Вещества, из которых состоит тело человека, имеют различный удельный вес. Удельный вес костей — 1,04 кг/л; жира — 0,9 — 0,93 кг/; воздуха в легких — 0,0013 кг/л. В целом удельный вес тела человека составляет 0,96 — 0,98 кг/л. Люди с большой ЖЕЛ, тонкими костями и значительной жировой прослойкой могут иметь удельный вес меньше 0,95 кг/л и наоборот люди с маленькой ЖЕЛ, тяжелыми массивными костями и минимальной жировой прослойкой имеют удельный вес 1,01 — 1,05кг/л.

Удельный вес тела можно изменить. При вдохе он увеличивается, при выдохе — уменьшается. Изменяется он и с возрастом. Кальцинация (увеличение доли кальция в костях) повышает удельный вес костей, а вместе с уменьшением ЖЕЛ приводит к увеличению удельного веса тела. Проведенные исследования рядом ученых показали, что дети имеют лучшую плавучесть, чем взрослые. Особенно хорошая плавучесть в 10 — 13 лет (увеличивается доля жировой ткани). По этой же причине женщины имеют лучшую плавучесть по сравнению с мужчинами. А среди пловцов спринтеры обладают худшей плавучестью по сравнению со стайерами. У плывущего человека плавучесть выше, чем у неподвижного. Когда тело уплощенной формы движется в водной среде таким образом, что передний его конец расположен несколько выше заднего, возникает направленная вверх подъемная сила, величина которой увеличивается со скоростью. (воднолыжный спорт). Плавучесть можно протестировать. В положении вертикальной плавучести поднять руки вверх и на задержке вдоха погрузиться под воду. Чем выше выходят руки из воды, тем выше плавучесть спортсмена, если кончики пальцев касаются поверхности воды — плавучесть нейтральная.

Вязкость воды — свойство оказывать сопротивление усилиям на сдвиг.

Вода обладает подвижностью и между слоями жидкости возникают силы внутреннего трения, препятствующие движению. Эти силы и обуславливают возникновение вязкости.

Вязкость воды невелика. При изменении t воды с 20 до 30 град. С вязкость уменьшается примерно на 20%, что ведет к ухудшению опоры на воду. Спортсмены, плывущие на центральных дорожках, находятся в более выгодном положении. При движении пловца за ним движутся слои воды, которые при соприкосновении с бортиком гасят свою скорость, вода «прилипает» к бортику, и спортсмену труднее разогнать слои воды, движущиеся вместе с ним. Тот же случай и при нырянии в глубину подводников. Если плыть близко ко дну, то скорость движения гаситься.

Сжимаемость воды — способность уменьшаться в объеме при сжатии.

Сжимаемость воды незначительна, но в результате сжатия в ней возникают силы гидростатического давления, хотя в объеме она не уменьшается.

В обычных условиях жидкость сжимается под воздействием силы тяжести (собственный вес жидкости и атмосферное давление).

Погружение под воду на каждый метр дает увеличение давления на 0,1 кг/м2, т. е. на глубине 10 м. давление составит 1кг/см2 или 1 техническую атмосферу. При нырянии в глубину может ощущаться боль в ушах. Для избежания разрыва барабанной перепонки уха следует своевременно (при возникновении боли) проводить «продувание» (примерно через каждый метр погружения), которое выравнивает создавшуюся разность давлений снаружи и за барабанной перепонкой.

Теплопроводность воды — свойство, характеризующее процесс передачи тепла. Теплопроводность воды в 5 раз, а теплоемкость в 25 раз больше воздуха. Это объясняет быстрое охлаждение тела пловца и дополнительную потерю энергии. При t воздуха 25 град. С человек может находиться на воздухе практически любое количество времени. При такой же температуре воды безопасно для здоровья находиться не более 12 часов. При t воды от 0 до +4 град. С — от 10 до 30мин., после чего наступает переохлаждение и гибель.

Теплопроводность может оказывать шоковое воздействие на организм. Если долго греться на солнце, а потом резко погрузиться в холодную воду, то резко сужаются сосуды сердца и головного мозга, что может провести к инфаркту или потере сознания.

Устойчивость к охлаждающему воздействию колеблется в широких пределах. Она выше у людей со значительным слоем подкожного жира и особенно высока у людей, тренированных в плавании в холодной воде.

Звукопроводность воды — способность проводить звук.

В следствии большой плотности, по сравнению с воздухом, звук в воде распространяется быстрее, чем в воздухе. Скорость распространения звука в воде 1400 — 1500м/с, что в 4,5 раза быстрее, чем в атмосфере. Однако под водой ориентироваться очень сложно, т.к. нет четкого пространственного восприятия звука (трудно установить направление источника звука). Звуки под водой воспринимаются путем костной проводимости, которая на 40% ниже воздушной. Дальность слышимости при костной проводимости зависит от тональности звука больше, чем от силы. Чем выше тон, тем лучше слышен отдаленный звук.

Преломление воды — соотношение скорости света в воздухе и в воде.

Скорость распространения света в воде в 1,33 раза меньше, чем на воздухе, поэтому все предметы в воде в 1,33 раза кажутся больше и ближе. Это надо учитывать при наблюдении за техникой плавания; при нырянии и всплытии; при начальном обучении плаванию при погружениях. Наблюдаемый предмет на дне и само дно кажутся ближе, чем есть на самом деле. То же и при всплытии, когда поверхность кажется ближе, чем есть на самом деле.

Основные закономерности гидродинамики Передвижение в водной среде отличается от передвижения по воздуху. В воде сопротивление передвижению возрастает, т.к. плотность воды значительно больше плотности воздуха. При нахождении в воде в состоянии покоя, тело своим весом давит на водную поверхность — действует сила собственной тяжести. Одновременно с этим, согласно закону Архимеда, на тело, погруженное в воду, действует выталкивающая сила, равная весу объема воды, вытесненной этим телом. Человек с плотностью или удельным весом тела меньше 1кг/л обладает естественной плавучестью. Плотность тела может быть уменьшена за счет увеличения объема воздуха в легких, т.к. увеличивается объем тела без заметного увеличения его массы.

Рисунок 1.

Сила тяжести пловца по величине постоянная и приложена к общему центру тяжести (ОЦТ), находящемуся в области 1 — 5 крестцовых позвонков. Выталкивающая сила обусловлена разностью гидростатического давления воды на нижнюю часть тела и воздуха на верхнюю, поэтому направлена вверх и приложена к общему центру давления (ОЦД). Обычно ОЦТ и ОЦД не совпадают, поэтому создается момент вращения: ноги постепенно погружаются под воду до их выравнивания по вертикали — появляется отрицательная плавучесть. Совпадение ОЦТ и ОЦД ведет к уравновешиванию частей тела и наступает гидростатическое равновесие — положение плавучести. ОЦТ всегда стремиться занять более низкое положение, поэтому величина момента вращения определяет устойчивость тела. (рис. № 1)

Плавучесть тела человека определяется как его удельным весом, так и удельным весом воды. Объективные показатели плавучести: гидростатический вес, объем тела и плотность тела.

Средняя величина удельного веса тела 1,04 — 1,09кг/л, а удельный вес воды в бассейне в пределах 1,02кг/л, поэтому для поддержания нейтральной плавучести можно увеличить длину тела (и соответственно объем) за счет подъема рук вверх. (рис № 2)

Рисунок 2.

На сохранение гидростатического положения влияет и дыхание, изменяющее объем и плотность тела. При полном вдохе тело находится на плаву, при полном выдохе — погружаются ноги. Это следует учитывать при обучению плаванию: чтобы сохранить устойчивое положение равновесия нужна работа ног.

Во время движения пловцу сложно эффективно отталкиваться о воду, которая не имеет твердой опоры. Поэтому для быстрого плавания нужно решить две главные задачи: 1) приложить как можно больше сил и 2) уменьшить сопротивление воды за счет принятия обтекаемого положения.

Для решения первой задачи пловцу необходимо знать в каком направлении и по какой траектории нужно выполнять гребковые движения. Существует закономерность движения в воде: максимальная сила тяги возникает в том случае, когда отталкивание осуществляется от возможно большей массы воды с минимальным сдвигом ее назад.

Схема создания продвигающей силы: а) по типу колесного парохода; б) по типу гребной гусеницы; в) по типу гребного винта (рис.3).

Рисунок 3.

Для того, чтобы на лопасти возникла сила тяги, ей необходимо взаимодействовать с неподвижной массой воды или потоком, движущимся в обратном направлении.

Гребной винт всегда захватывает лопастями невозмущенную массу воды и никогда не отбрасывает ее строго назад, поэтому в каждый момент движения лопасть винта вступает в контакт с неподвижной водной средой, т. е. имеет относительно хорошую опору.

Движения рук пловца подобны вращениям лопастей гребного винта — по криволинейной траектории для постоянного контакта с неподвижной массой воды (рис.4). Криволинейная траектория увеличивает длину самого гребка и суммарную движущую силу, создаваемую при выполнении гребка. Биклер (1999) рассчитал, что движущая сила, создаваемая пловцом с помощью криволинейного гребка, лишь немногим меньше движущей силы, создаваемой при прямом отталкивании воды назад. При выполнении гребкового движения по прямой, значительно сокращается длина гребка. При этом пловцу приходится затрачивать больше усилий для необходимого ускорения движения предплечий и кистей назад, чтобы сохранить опору о воду, которую они привели в движение. Т. о. более длинный криволинейный гребок с меньшими затратами мышечной силы компенсирует те незначительные потери движущей силы, которые могут при этом произойти.

Рисунок 4.

Необходимо также ориентировать кисть под оптимальным углом относительно траектории движения.

При изучении техники спортивного плавания необходимо знать о взаимодействии сил продвигающих тело в воде и препятствующих его движению (силы движения и силы торможения).

Рассмотрим причины возникновения продвигающей силы за счет правильной ориентировки кисти к набегающему потоку воды. Существуют две силы за счет которых осуществляется продвижение: сила лобового сопротивления и подъемная сила. Это горизонтально направленные силы.

Согласно закону Бернулли, давление жидкости падает там, где скорость ее движения возрастает, соответственно там, где скорость движении жидкости понижается, движение увеличивается. Таким образом движущая сила действует в направлении меньшего давления. (рис.5)

Рисунок 5.

Форма крыла самолета — пример продвижения за счет создания подъемной силы. Угол атаки такой, что поток обтекает верхнюю поверхность с более высокой скоростью, чем нижнюю. Это обуславливает разницу в силе давления воздуха на нижнюю и верхнюю поверхность крыла, что является причиной возникновения аэродинамической подъемной силы. Гребной винт судна создает движущую силу по такому же принципу, только подъемная сила направлена горизонтально и толкает вперед. Сходная картина и во время движения кисти пловца в воде, если она ориентирована под правильным углом к траектории своего движения. (рис.6)

Рисунок 6.

Современные исследования американских ученых показали, что большее влияние на возникновение движущей силы оказывает третий закон Ньютона (сила действия равна силе противодействия), чем закон Бернулли. Закон Бернулли можно применять только в тех случаях, когда поток воды вдоль верхней поверхности крыла не отрывается от нее, т. е. когда поток проходит вдоль крыла без разделения пограничного слоя. Руки человека недостаточно гладкие, а их форма не настолько напоминает крыло, чтобы поток воды не отрывался от верхней поверхности кисти пловца во время ее движения. Даже когда рука двигается очень медленно и с острым углом атаки на тыльной поверхности руки присутствует значительная турбулентность.

В зависимости от того, какие из составляющих сил сопротивления воды преимущественно используются для опоры при создании движущей силы, движители делятся на два типа: весельного (используется сила лобового сопротивления) и плавникового (используется подъемная сила). В движителях весельного типа рабочая плоскость располагается перпендикулярно направлению движения (весло, лопасть). В движителях плавникового типа рабочая плоскость располагается под углом 30град. к направлению движения (хвостовые плавники рыб, гребные винты судов).

Рассматривая движения пловца, можно сказать, что движение кисти спереди — назад и движения ног брассом — весельный принцип создания движущей силы. При движении кисти вправо — влево, вверх — вниз под соответствующим углом по направлению к движению, а также при движении ног в кроле на груди и на спине и в дельфине, используется плавниковый принцип создания движущей силы.

Основным движителем во всех способах плавания являются руки, за исключением брасса, где вклад ног и рук примерно одинаковый.

Для того, чтобы иметь хорошую опору, кисть должна постоянно взаимодействовать с невозмущенной массой воды. Отсюда и криволинейные траектории в технике плавания. При оптимальном угле атаки, на рабочей плоскости руки возникает подъемная сила. Угол атаки образуется углом кисти или стопы относительно направления их движения. Чтобы создать подъемную силу, кисть должна быть ориентирована в потоке под острым углом (рис.7).

Рисунок 7.

Вертикальная составляющая Rу, равнодействующей силы реакции воды, которая возникает на кисти, представляет собой подъемную силу. Ее величина изменяется в зависимости от изменения угла атаки кисти. Наибольшие величины подъемной силы наблюдаются при угле атаки, близком к критическому. (рис7Б). При больших или меньших углах атаки величина подъемной силы уменьшается, снижая эффективность гребка.

Горизонтальная составляющая Rх — силы реакции воды представляет собой силу лобового сопротивления. Ее величина непрерывно возрастает по мере увеличения угла атаки кисти.

И сила лобового сопротивления, и подъемная сила являются составляющими равнодействующей силы реакции воды. Последняя и обуславливает величину силы тяги пловца. Иными словами сила тяги во время гребка образуется за счет движения кисти с различной скоростью и в различных направлениях,

в том числе и в направлениях, значительно отличающихся от направления поступательного движения тела пловца вперед.

Таким образом, эффективность силы тяги гребка зависит от оптимального соотношения подъемной силы и силы лобового сопротивления. Это значит, что пловцу во время гребка необходимо непрерывно изменять ориентацию кисти в соответствии с изменением направления гребка. Шлейхауф установил, что подъемная сила, действующая на кисть пловца, увеличивается с увеличением угла атаки кисти до 40град., а при дальнейшем увеличении угла атаки — снижается. Лобовое сопротивление так же зависит от угла атаки и возрастает с его увеличением до 90град.

При угле атаки 45град. преимущественную роль играет подъемная сила, при большем угле — сила лобового сопротивления.

При плавании брассом, подъемная сила преобладает на протяжении всего гребка. При плавании на спине большую роль играет сила лобового сопротивления кисти.

На нерациональность угла атаки и направления движения указывает большое количество пузырьков, свидетельствующих о турбулентности и потере пловцом движущей силы.

Для понимания механизмов создания продвигающей силы в плавании часто используют примеры движений из животного мира, например, в отличие от людей дельфины выполняют движение вверх быстрее, чем вниз. А некоторые летающие насекомые выполняют движения крыльями по принципу «хлопок — рывок — кольцо», вызывающее циркуляцию воздуха и приводящее к образованию кольцеобразных вихрей на передней поверхности крыла. При окончании движения вниз эти вихревые кольца отрываются и образуют одно большое кольцеобразное вихревое поле непосредственно под насекомым. Сила, создающая вихревое кольцо, удерживает насекомое в воздухе (рис 8).

Рисунок № 8.

Этот механизм может использоваться (точно повторить невозможно) во время нестабильного и неравномерного продвижения вперед. Типичный пример — резкий удар ногами дельфином на коротких дистанциях (рис 9).

Рисунок № 9.

Для выполнения мощного движения «дельфином» необходимо создать вихревую циркуляцию вокруг стоп до начала ударного движения (в момент соприкосновения стоп с поверхностью воды).

При выполнении ударного движения вниз, вокруг каждой стопы образуется присоединенный вихревой поток. Эти вихри соединяются и образуют один большой кольцеобразный вихрь, который отрывается от вертикальной плоскости при завершении ступнями мощного движения вниз. Величина вихревого кольца свидетельствует о воздействии большой массы воды, скорость которой остается невысокой. Показателем высокой эффективности ударного движения ногами является значительное расстояние между вихревыми кольцами. Иногда при слишком широком разведении ступней во время удара от каждой стопы отрывается не одно большое, а два небольших вихревых кольца, что свидетельствует о недостаточной эффективности движения.

Величина подъемной силы, создаваемой механизмом «рывок — кольцо», при работе ног дельфином, во многом зависит от быстроты выпрямления ног в галеностопных суставах. При этом циркуляцию создает импульс силы, возникающий в момент достижения стопами поверхности воды.

Пловцы, использующие в кроле на груди двухударное движение ног, так же используют механизм «рывок — кольцо».

Пловцы — брассисты используют создание предварительной циркуляции потока воды в результате сочетания разведения стоп с изменением направления движения при переходе от фазы подтягивания к фазе продвижения и полного выпрямления ног.

Вихрь (вихревое образование) — масса жидкости, вращающаяся вокруг своей оси (ось может находится в любой плоскости, от вертикальной до горизонтальной).

Идеальная форма прерванного вихревого образования — более круглая, чем удлиненная. Удлиненный вариант менее эффективен, хотя и образует вызывающий движущую силу поток. Такой вихрь образуется в результате гребка непосредственно назад, а не по криволинейной траектории. Вихревые образования отрываются и отходят с обоих сторон кистей и рук в начале гребка, что часто наблюдается у кролистов — спринтеров и плавающих дельфином (рис 10).

Рисунок № 10.

Согласно теории воздушного винта, эффективнее его воздействие на большую массу воздуха с небольшим ускорением, чем на большую массу воздуха с большим ускорением. Подобные 2 варианта при плавании отражают отрыв соответственно круглого и удлиненного вихрей.

Идеальная плоскость сорванного вихря — вертикальная или близка к ней. Чем вертикальней, тем лучше условия для создания движущей силы.

В заключительной фазе гребка — ускорение кисти — небольшой вихрь. В середине гребка, после захвата — крупнее. Чрезмерная завихренность воды в гребке свидетельствует о том, что прилагаемые усилия больше необходимых.

Виды сопротивления воды.

Вода оказывает сопротивление движущемуся в ней телу. Сила сопротивления действует навстречу телу и тормозит продвижение.

При равномерном движении (буксировка) сопротивление пропорционально квадрату скорости и квадрату линейных размеров тела. При неравномерном движении тела (плавание) — 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, а сила давления — перпендикулярно к ней.

Для уменьшения сопротивления воды пловцу необходимо иметь представление о силах, мешающих ему эффективно двигаться. Таких сил в плавании четыре: лобовое сопротивление, волнообразование, трение, завихрение. (рис.11).

Рисунок № 11.

Лобовое сопротивление R=C x S x (PxV2)/2, где С — коэффициент лобового сопротивления (величина безразмерная); S — площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную к направлению движения тела; Р — плотность воды; Vскорость движения тела. (рис12)

Рисунок № 12. Площадь поперечного сечения тела пловца (заштрихованный контур справа) а) при скольжении под водой в вытянутом горизонтальном положении; б) при плавании брассом Величина коэффициента непостоянна, 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. С увеличением угла атаки коэффициент лобового сопротивления непрерывно повышается и достигает максимума, когда тело занимает положение перпендикулярное к потоку.

По экспериментальным данным, полученным путем буксировки в положении скольжения, средняя величина коэффициента сопротивления воды у женщин на 9% меньше, чем у мужчин. (рис.13)

Рисунок № 13. Увеличение силы гидродинамического сопротивления движению тела пловца R в зависимости от положения рук во время скольжения со скоростью 1,9 м/с (по Б. И. Оноприенко, 1968; дополнено): а — руки вытянуты вперед, кисти вместе; бруки вытянуты вперед, кисти на ширине плеч; вруки вытянуты вдоль бедер (вид спереди).

Экспериментальные данные показывают, что пассивное сопротивление больше, когда пловца буксируют в положении на боку, а не лежа на груди или на спине (Каунсилмен, 1955), т.к. тело пловца будет погружено глубже, чем в положении на груди или на спине.

Аналогично лобовому сопротивлению вычисляется и подъемная сила. Формула та же, только свой коэффициент. Величина коэффициента подъемной силы также зависит от формы и профиля тела, угла атаки и других факторов. Величина коэффициента резко возрастает при изменении угла атаки от 0 до 18 — 20 град. С дальнейшим увеличением угла атаки величина коэффициента резко падает. При угле атаки 90 град. она становиться равной нулю.

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

Волновое сопротивление.

При движении 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 смотреть на пловца сбоку, то можно видеть, что у линии головы и плеч поднимается передняя волна. Следующая волна поднимается сзади. Впадина между передней и задней волной — примерно у поясницы.

Выделяют систему расходящихся волн и систему поперечных волн. Гребни расходящихся волн расположены по отношению к диаметральной плоскости под углом 40град. Линии, проходящие через начало носовых волн, составляют примерно 20град. к диаметральной плоскости.

Исследования показали, что доля волнового сопротивления в общем (гидродинамическом) сопротивлении, возрастает с увеличением скорости. При скорости меньше 2 м/с доля волнового сопротивления составляет 10 — 15%, на скоростях выше 2 м/с эта доля возрастает до 25% и выше.

При выполнении гребковых движений положение тела пловца непрерывно меняется, что сказывается и на волнообразовании, увеличивая его.

Наибольшее влияние волнообразования проявляется при изменении скорости движения пловца. Если скорость 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. Волновое сопротивление можно снизить за счет более глубокого положения тела, где это возможно, например в брассе с заныриванием.

По результатам исследований, сопротивление воды на глубине 40 см. снижается по сравнению с движением на поверхности на 18% (Литл 1999). Под водой высококвалифицированные пловцы способны сделать до 150 дельфинообразных движений в 1 мин., в то время как на поверхности в полном цикле движений — 60 в 1 мин.

Сопротивление трения.

Возникновение сопротивления трения обусловлено вязкостью воды и проявляется в слоях, непосредственно прилегающих к телу (рис.14).

Рисунок № 14.

Этот прилегающий к телу слой получил название пограничного. 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 эти слои смешиваются, то образуются завихрения и такой вид течения жидкости в пограничном слое называется турбулентным. В турбулентном слое тело испытывает большее сопротивление, чем в ламинарном.

Способы уменьшения сопротивления трения сводятся к возможно большей обтекаемости ламинарным потоком в пограничном слое:

А) сглаживание выступов и неровностей на теле и купальном костюме;

Б) использование купального костюма и шапочки с минимальными показателями шероховатости;

В) фиксация положения туловища, т.к. всякого рода качания тела способствуют возникновению поперечных течений и возмущений пограничного слоя.

Было установлено, что удаление волос с тела позволяет пловцу улучшить свой результат на дистанции 100 м. от 0,5 до 2 сек. Одни специалисты считают, что это обусловлено снижением сопротивления трения, другие убеждены, что дело в психологическом настрое или улучшении чувства воды.

В момент смены ламинарного потока турбулентным происходит скачкообразное увеличение сопротивления, называемое кризисом обтекания.

В последнее время в плавании начали использовать костюмы и шапочки, изготовленные из ткани с шероховатой поверхностью. Было обнаружено, что отрыв пограничного слоя от однородной шероховатой поверхности происходит позднее, чем от гладкой поверхности, благодаря чему вокруг объекта снижается турбулентность. На шероховатой поверхности образуются пузырьковые вихри, — области, в которых происходит отрыв и повторное присоединение пограничного слоя к поверхности объекта. Образование пузырьковых вихрей замедляет полный отрыв пограничного слоя от поверхности объекта. Однако отсутствие адекватных методов оценки подобных эффектов не позволяет сделать определенного вывода.

Сопротивление вихреобразования обусловлено вязкостью жидкости. Величина сопротивления обусловлена формой тела, поэтому его называют сопротивлением формы тела (рис.15).

Рисунок 15.

При обтекании тела потоком на задней кромке возникают обратные течения, отрываясь, они образуют завихрения (гидродинамический след). В области завихрений давление существенно снижается и возникает разница давлений на передней и задней поверхностях тела и сила, которая «отсасывает» тело назад. Этот эффект позволяет «тянуть» друг друга на тренировках. Второго плывущего будет затягивать в область низкого давления и он сможет поддерживать высокую скорость с более низкими энергозатратами.

Во время скольжения с опущенной головой сопротивление увеличивается на 8 — 12%, а с поднятой — на 10 — 20%.

У хорошо обтекаемых тел доля сопротивления вихреобразованию в общем сопротивлении невелика. У плохо обтекаемых тел (пластина, опущенная перпендикулярно потоку) может доходить до 100%.

Повышенная плавучесть позволяет снизить сопротивление формы. Если тело пловца обладает хорошей плавучестью, оно занимает более горизонтальное положение на поверхности воды. Если же нет, то ноги опускаются вниз, а в случае пр. отсутствия плавучести увлекут за собой туловище. Низкая плавучесть компенсируется более интенсивным движением ногами.

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

Тело человека, находящегося в горизонтальном положении, в целом имеет удачное соотношение продольных и поперечных размеров. Однако не теле имеется ряд бугристостей и выпуклостей (за затылком, подбородок, плечи под острым углом выступают за шеей, колени, пятки) способствующих возникновению завихрений.

На величину сопротивления вихреобразования существенно влияет изменение угла атаки (рис.16).

биомеханический пловец вихреобразование Рисунок № 16.

Изменение величины сопротивления вихреобразования в зависимости от угла атаки

Исследования ряда авторов показали, что в положении скольжения преобладает влияние сопротивления трения (72 — 76% от общего сопротивления), а волновое сопротивление составляет 1 — 3%, при скорости плавания 1 — 1,6м/с, сопротивление формы — 17 — 21%.

Чрезмерные движения в горизонтальной плоскости также повышают сопротивление формы. Выполнение движений ногами за пределами пространства, ограниченного продольной проекцией туловища («виляющие» движения туловищем в кроле), сопровождается увеличением объема воды, перемещаемого пловцом, и следовательно, возрастанием сопротивления воды при движении вперед. Неправильные, с точки зрения рациональной техники, движения руками (перемещение руки за среднюю линию тела в момент вхождения руки в воду и в процессе гребка; сильное круговое движение руки во время проноса или пронос руки над водой сбоку) могут привести к тому, что таз и ноги будут «вилять» и увеличивать сопротивление воды. Излишние повороты туловища и плеч с одной стороны на другую будут увеличивать сопротивление по сравнению с удержанием тела в горизонтальном положении. Однако при плавании кролем на груди и на спине пловцу необходимо вращать тело вокруг продольной оси, поскольку это способствует увеличению движущей силы, создаваемой при гребке рукой и облегчает пронос другой руки. Т.о. нужно найти баланс между сопротивлением и движущей силой в виде оптимального (не слишком активного) поворота туловища.

Для контроля за сопротивлением формы пловца используется подводная киноциклосъемка с применением индикаторов. Индикаторы — шелковые кисточки, которые крепятся к резиновым манжетам. Манжеты надеваются на ноги, руки и туловище или используется чулок с наклеенными шелковинками. Длина кисточек — 70 — 80 мм.

Наблюдение за индикаторами позволяет судить о взаимодействии гребущих поверхностей с обтекаемым потоком.

В подготовительных движениях индикаторы вытянуты вдоль по обтекаемогу потоку.

Во время эффективного выполнения рабочих движений индикаторы разворачиваются свободными концами вперед вверх — вперед или вперед — вниз.

При ламинарном течении кисточки ведут себя спокойно, при турбулентном — начинают «пульсировать».

Если рука или нога выключается из полезного усилия — индикаторы провисают или разворачиваются свободным концом назад.

Пловец испытывает меньшее сопротивление при равномерной скорости плавания. Величина встречного сопротивления при этом в значительной степени зависит от поперечных размеров тела: веса тела; окружности грудной клетки; ширины плеч, а максимальная скорость определяется соотношением между движущей силой тяги и преодолением встречного сопротивления.

Т.О. оптимизировать процесс плавания можно двумя путями: максимизировать силу тяги и минимизировать силу тормозящих сил. Максимизация силы тяги выражается в повышении силы взаимодействия пловца с водой при движении руками способом кроль и дельфин и ногами способом брасс. Рука должна перемещаться с ускорением, не теряя «чувства воды» с оптимальным углом атаки. Уменьшение угла атаки кисти равносильно уменьшению ее характерного размера, которое компенсируется возрастанием скорости ее движения. Угол атаки кисти и траектория ее движения должны быть согласованы таким образом, чтобы поток, формирующийся с тыльной стороны кисти, был ориентирован по направлению движения пловца При характерном размере кисти 0,1 м., наиболее эффективная ее скорость находится в пределе от 2 до 3 м/с относительно потока воды, движущегося навстречу. Для оперативного контроля за направлением результирующей силы опоры на воду, целесообразно с тыльной стороны кисти закреплять ленту (15 — 20 см.), расположение которой в потоке воды будет указывать на направление результирующей силы взаимодействия кисти с потоком воды. Также следует исключить непроизводительные затраты энергии:

А) устранить лишние движения;

Б) уменьшить внутрицикловые колебания скорости; (непрерывная работа ногами в кроле) В) выбрать экономичный темп движений;

Г) устранить непроизводительные мышечные напряжения, т. е. расслабить те мышцы, которые не участвуют в продвигающей работе.

Литература

Физическая реабилитация инвалидов с поражением опорно-двигательной системы. — М.: Советский спорт, 2010

авт. колл. д-р пед наук, проф. А. А. Кашкин, д-р пед. наук О. И. Попов, канд. пед. наук, доцент В. В. Смирнов; Федеральное агенство по физической культуре и спорту: Плавание. Программа. — М.: Советский спорт, 2009

Барчуков И.С.: Физическая культура и спорт: методология, теория, практика. — М.: Академия, 2009

Федеральное агентство по физической культуре и спорту; А. А. Кашкин и др.; Рец. Т. М. Абсалямов: Плавание. — М.: Советский спорт, 2008

Собянин Ф.И.: Физическая культура. Организация и проведение викторин в общеобразовательном учреждении. — М.: Дрофа, 2007

Лях В.И.: Физическая культура. — М.: Просвещение, 2006

Лях В.И.: Физическая культура: 10−11 кл. — М.: Просвещение, 2006

Н.Ж. Булгакова, С. Н. Морозов, О. И. Попов и др.; Под ред. Н. Ж. Булгаковой: Оздоровительное, лечебное и адаптивное плавание. — М.: Академия, 2005

Под общ. ред. профессора С. П. Евсеева: Технологии физкультурно-спортивной деятельности в адаптивной физической культуре. — М.: Советский спорт, 2005

Викулов А.Д.: Плавание. — М.: ВЛАДОС-ПРЕСС, 2004

Бутин И.М.: Физическая культура: 9−11 кл. — М.: Владос, 2003

Мосунов Д.Ф.: Преодоление критических ситуаций при обучении плаванию ребенка-инвалида. — М.: Советский спорт, 2002

В.З. Афанасьев, Н. Ж. Булгакова, Л. П. Макаренко и др.; Под общ. ред. Н. Ж. Булгаковой; Рец.: Т. М. Абсалямов, В. С. Васильев, С. А. Гониянц: Плавание. — М.: Физкультура и спорт, 2001