游泳速度中的力学因素分析探索
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摘 要：游泳运动作为深受人们喜爱的一项运动可以强身塑体，同时它也是我国的优势运动项目。涉及到水环境的运动项目均需关注水体力学因素，通过利用水体力学原理、优化运动技巧等方式，可更好地实现在水中自如活动的目标。基于此，本文就游泳速度中的力学因素进行分析，旨在充分发挥出力学因素在提高游泳成绩中的积极作用，以供相关人士参考。
关键词：游泳速度 力学因素 受力作用
中图分类号：G80 文献标识码：A 文章编号：2095-2813（2019）06（b）-0019-02
在物理学中，对水体力学因素的研究主要划分为流体静态学及流体动态学两部分。游泳作为常见涉水运动项目之一，与水体环境及流体动力学密切相关。因此提升游泳速度，运动员需了解水体中的各项力学因素，明确最佳游泳方式及技巧，充分发挥出流体力学在游泳运动中的积极作用，获得优异的游泳成绩。
1 水的自然属性
1.1 压力
通常情况下，水深超过正常人胸部位置时，会让人体感受到明显的压力，导致呼吸受到一定阻碍，吸气难度加大[1]，造成此种现象的原因多与水的压力有关。在实际游泳过程中，运动员可基于水压作用下调解呼吸或姿态，通过压力及压强的作用，为其提供在水中漂浮的条件。
1.2 流动性
运动所产生的力是相对。以运动员作为研究对象，其在游泳过程中的划臂与蹬腿动作会与水产生相对的作用力，给人体在水中前进或翻滚等动作带来反作用力。水流速度与水中的压强密切相关，水体压强受到反作用力的影响会产生一定压强差。
1.3 密度
密度是物质质量与其体积之间的比值。由于水的密度与人体密度基本相似，因此依据浮力公式，人体浮力与重力也基本相近。在因游泳动作产生的力作用下，运动员可以将头部露出水面，实现简单的换气。在换气期间，身体露出部位面积可直接影响到人体的受力情况。在运动员吸气时，因运动员手脚配合划水动作，会改变水的受力平衡性[2]。不仅如此，吸气也会导致胸腔体积增大，人体浮力提升，使得重力与浮力重新达到平衡。
2 游泳速度力学因素分析
2.1 流体力学原理
在物理流体力学中，物体受力作用情况较为复杂，为更好简化受力作用分析过程，需采用伽利略变换原理。具体而言，在人体躯干与手臂协同产生内力期间，此些内力与水体发生力的作用。在将伽利略变换原理应用在游泳项目中时，人体与水之间力进行不断变换。人体运动状态不可仅从人体躯干及手臂等进行分析，而应更从游泳技术及参照物角度方面来看。
2.2 参考物的确定
明确参照物及坐标系也是游泳力学分析的必要前提。就目前来看，大部分游泳研究均是将游泳手臂划水的受力状态作为研究重点，将人体设定为基本参照物。在人体为力学分析参照物的过程中，手臂运动会以肩关节为基本轴，向后以半圆弧形运动，手臂所有部位如上臂、手等均会受到水阻力的影响，产生向前的推动力[3]。因此只有在手臂得到固定支撑时，此种作用力才会出现，与当前流体力学规律严重不符;以游泳池作为参照物，游泳运动方式及其他运动方式存在极大的差异性。运动员在水中划水的过程中，手臂无法得到固定支撑，因此向前运动的主要是躯干，而手臂是向后运动的。此种参照物的选择可明确体现出运动规律及人体无法在水体中得到固定支撑的理论，有效反映出人体在水中的真实运动状态。参照物是游泳力学因素研究分析的关键所在，需相关研究人员找准参照物，还原最真实的运动状态。
3 游泳动作受力作用分析
3.1 手臂受力
在当前关于游泳运动的书籍及教材中，均认为手臂划水期间，水压中心位于前臂上，整个手臂均可受到力的作用产生推动力。此观点在游泳技术力学角度上来看，存在一定误区。依旧以游泳池作为参照物，手臂是以肩关节带动躯干向前运动，手臂下部向后运动[4]。此时手臂受力情况为：人体做出划水动作时，手臂前端会产生力，而手臂在遇到水的阻力后，因阻力小于手臂运动力，会使手臂向后移动。阻力在动量瞬间会将力传递到肩关节部位。因阻力大于手臂运动力，会使肩关节部位向前运动。因整个手臂之间的力相反，且具有極大的力矩，手臂以某一点作为转动点，从而带动身体身体向前运动。
3.2 手臂转动点
在以游泳池为参照物的过程中，手臂划水的转动位置不在肩关节，而是在手臂保持的某一点上[5]。转动点的位置是固定不变的，在运动员划水期间，转动点会因手臂长短及推进力的变化而变化，当推进力增大的情况下，转动点位置越接近手掌。经实验研究表明，运动员在划水过程中，开始点与推水结束点的距离会发生明显改变。而游泳速度与此距离长短密切相关，当开始点与推水结束点距离相近时，游泳速度更快，反之手臂开始点与推水电结束位置越远，游泳速度越慢。
因运动员的游泳水平存在明显差异，手臂上转动点位置也各有不同，转动点变化更可直接影响到运动员手臂推进阻力面积的大小[6]。如运动员手臂转动位置与腕关节处接近，则产生阻力的面积仅有手掌，游泳受到的正面阻力增强。因此在实际游泳过程中，需使用屈臂高肘的游泳姿势，增大推进力面积，提升游泳速度。
3.3 压力中心
从手臂推进作用力角度来看，压力中心位于前臂上，因此在为提升游泳速度，需增加及改善前臂形状阻力与水角度。通过手臂转动点分析发现，游泳水平较高的运动员转动点明显下移，并不只局限在前臂上，而是多集中在手掌中。同时，依据游泳速度要求，运动员游泳动作也应做出相应的调整。如在快速游项目中，运动员应适当弯曲手臂，将手掌与水面之间保持垂直的状态，更好控制水体中的压力中心。 3.4 阻力增长
通过阻力作用可知，当游泳速度提升时，阻力会相应增大。但事实上游泳运动员游泳速度的提升会导致手臂上转动点位置下降，推进阻力面积与正面阻力面积之间的比值发生明显变化。当转动点在肘部位置时，推进力面积与正面阻力面积的比例为1︰3。当手臂转动点位置移动到腕部以上位置时，推进力面积与正面阻力面积之间的比例为1︰7。由此可见，在游泳速度提高时，推进力面积增长明显，而运动员手臂上的推进力也会进一步提高。为更好提升游泳速度，需游泳运动员从增强手臂力量练习等方面入手，不断增长手臂推进力。
3.5 手臂动作
依据现代游泳理论来看，直臂划水的动作具有一定局限性，需采用屈臂高肘动作来提升游泳速度。而就手臂转动位置理论分析结果来看，运动员划水期间的手臂转动点与压力中心向下移动，前臂推进阻力减弱，屈臂高肘动作难在优秀游泳运动员中发挥出更大作用。同时，将人体躯干作为参照物，对手臂动作状态进行分析，当手臂划水角度速度相同时，推水动作及肘部达到相同位置，直臂划水的速度会比曲臂划水速度更快。
屈臂高肘会时手掌划水的线速度降低，导致划水实效性不明显，需在原有基础上加入屈腕技术，确保划水期间的手掌以最大面积接触到水体，切实提升划水速度。同时，直臂划水会使手掌线速度及划水路径延长，增加划动幅度。而采用屈腕方式可保障手掌以最大面积划水，但也会引发划频下降等问题出现。因此为切实提升游泳速度，还需将划幅与划频进行统一，确保游泳速度的最大化。虽然运动员手臂长度存在一定差异性，但通过改变游泳期间曲臂角度，可对划幅与划频进行更好控制。具体而言，手臂较短运动员可采用直臂划水的方式，增加手臂长度，获得更高游泳速度;手臂较长的运行员可采用微曲臂划水方式在，在保障力量达到极限的前提下，将手臂进行适当的缩短，更好控制划幅与划频。
4 游泳速度与力学因素的影响
4.1 阻力
游泳因受到空气与水体阻力的影响，运动难度更大，消耗能量更高。由于水的密度远大于空气密度，因此游泳需耗费人体大约90%的能量去及抵抗水体中的阻力。水阻力及密度同时也为人体在水面上漂浮提供了必要条件。人体自身重量、肺活量的大小可直接影响到游泳速度。当同一物体依照同样速度下水运动时，水的阻力要比空气阻力大800倍左右。深入分析水体阻力差，通过变换手掌位置来控制水体比例，是提高游泳速度的关键技巧。
在游泳运动中，人体会受到两种不同的阻力：第一，迎面阻力，游泳前进排开身体前方的水而产生的阻力被称之为迎面阻力，为降低迎面阻力对游泳速度造成的不利印象，需将身体尽量保持流线型的状态;第二，摩擦阻力，当水流过人体后，水体与人体表面摩擦产生的力被称之为摩擦阻力，对于游泳此种低速运动而言，为降低摩擦阻力大小，需从游泳设备，如泳裤设计等方面入手。
4.2 推进力
水体中推进力主要就是推动人体前进的力。在实际游泳过程中，运动员为提升前进速度，需针对推动力原理对游泳动作进行进一步的调整。众所周知，作用力与反作用力大小相等，方向相反。当运动向后划臂时，产生力可推动人体向前。不同游泳姿势的推进力大小具有一定差异性，需运动员对传统曲臂作用与幅度进行调整，对水体给予一定的作用力，得到更多反支撑作用力，切实提升推进力及实际游泳速度。
5 结语
总而言之，力学因素可直接影响到游泳速度，对运动员游泳成绩至关重要。因此需对游泳力学因素进行深入研究，通过标准动作达到节省体力、减小阻力、增加推动力的目的。同时，在游泳期间，运动员还关注水环境，针对水环境特征，选择最佳游泳姿势。
参考文献
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[2] 孙吉成.关于游泳水的阻力与姿势动态建模优化仿真[J].计算机仿真，2016，33（9）：252-255，277.
[3] 蓝怡.负重型阻力背心对自由泳训练影响的生物力学研究[J].西南师范大学学报：自然科学版，2018，43（2）：123-128.
[4] 郭鹏飞.游泳运动中的物理知识原理探究[J].中学物理教学参考，2018，47（4）：72-73.
[5] 明罡，红军.运用流体力学原理提高自由泳手臂划水中后期的推水效率探讨[J].游泳，2014（5）：22-25.
[6] 謝春航，安瑞冬，李嘉，等.鱼道进口布置方式对集诱鱼水流水力学特性的影响研究[J].工程科学与技术，2017，49（S2）：25-32.
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