游泳運動與力學的關係

水中移行: 游泳 (Aquactic Locomotion; Swimming) 簡介


在水中移動身體與地面上移行的動力學有所不同。相同之處是如走路一般,要從一個地方移動身體到另一個地方,就必須反推某個東西。



在水中和地面上位移主要不同的幾個因素是:


― 在水中時身體的浮力更甚於重力;
― 被推物體所產生的阻力比推力還要小;
― 在介質中對身體所產生的阻力較大;
― 為了將浮力做最佳利用及減少來自水的阻力,游泳使用的姿勢是水平而非垂直。




游泳時實際面臨的問題並不如初學者認為的是「如何避免沈入水中」,而是「如何以有節奏的間隔讓嘴離開水中,促成規律的呼吸」。這是協調性問題,而非浮力。



如所有運動一樣,游泳時起初的力學性問題在於克服身體的慣量。一旦身體在移動中,問題就在克服阻礙移動的力量。在陸上位移時,身體施力反推支持面來克服慣量,阻礙身體前進的力量是重力和空氣阻力。水中位移時,水同時是支持介質和阻力來源。游泳時雙手和雙腳靠著水的反作用力,因為這個力可能傳送到身體。同時,身體必須克服水所造成的阻力。



游泳時所能獲得的速度靠划距及划頻。划距是手腳動作所產生使泳者向前移動的反作用力以及來自水反方向的阻力共同造成的結果。


自由式中的雙手是動力的主要來源,然而蛙式中則受雙腳所控制。排除划動不看,雙手及雙腳的動作造成了一個提拉的力量,然後驅動身體向前。



水有四種不同類型的阻力會減少划距。



形狀阻力,或稱壓力阻力,是當身體前方表面遭遇迎面而來的水所造成的阻力。造種阻力最能減慢泳者的速度。藉由改變在水中的姿勢使身體呈流線型,可以減少形狀阻力。



表面阻力是緊鄰身體的水所造成的阻力。雖然對於向前推進只有一點影響,泳者仍知曉要修剪身上的毛髮以減少皮膚的摩擦力。



第三種阻力發生在向前移動身體的表面,部份在水中,部份在空氣中。其所造成的波,對向前推進形成一個額外的阻力,稱之為波浪阻力。這種阻力的大小取決於身體在水中前進時的速度及動作。



第四種,也是影響最小的阻力,是身體後方形成的紊流,紊流使得部份的水被拉入。

游泳之力學原則




Mechanical Principles Applied to Swimming



保持物體移動所需的力量比克服慣量所需的力量來得少。游泳時需要施力使得在水中前進不只是加速和減速。自由式中,一隻手臂划動結束前另一隻手臂就該開始划動。
在蛙式及側泳中的划手動作,若是滑行得太長可能使動量減少,並且需要花費額外的能量減少,並且需要花費額外的能量來克服再次啟動所需的慣量。


身體會往施力方向的相反方向移動。舉例來說,向後的急伸會將身體往前方送,向下的壓力會將身體提起,而往右的壓力會將身體往左邊送。大部份的划水動作中,起始時太大的力量會產生過多的向下分力,因此使得身體傾向被提起。這樣增加了阻力,且花費了不必要的能量。相似的方式,在自由式的仰式中手臂寬廣的復位動作會在腳產生一個相反的側向作用力,因此造成多餘的阻力。

蛙式中兩隻手臂彼此平衡; 因此,初划手時向外的力或划手未時向內的力若是太大,並不會造成側向的移動,但是會造成能量的浪費。




游泳時向前移動是經由阻力和昇力共同產生。所有游泳的划水動作都遵循S形路徑,包含一個內划和一個外划。這個弧形路徑的功能是在手部側面產生側水流方向垂直昇力。阻力同時與水流反方向作用,阻擋動作。在水中,這個阻力和昇力的結合在手臂產生如同「錨」一般的作用,稍微提供了穩定的「把手」,讓軀幹可以拉。




藉由肢體的推進動作形成廣闊的動作面積,以及經由一個儘可能長距離的向後施壓,達到最大的力量:同時未因不慎產生錯誤動作的情況下,而得到最大的施力。手臂划水時,應充分利用手部表面。無論如何,手進入水時不應太快而使划水動作縮太短。




由於動量守恆,動量會從身體的一部份傳送到身體的另一部份。蛙式及仰式中,若是在回復期末使手臂的動量停止,動量將會傳送到身體,使得頭及身體在水中的垂直位置取決於泳者的浮力以及在水中移動的速度。泳者的浮力主要取決於身體的組成,並且無法輕易改變。由於相反而相等的反作用力緊接於每個動作之後,藉由抬高頭部或往下推,泳者應該試著在水中不要漂浮得太高。無論如何,藉由產生有效率的踢水使得腿部稍微提高是有可能的。淺打水對身體位置及穩定性的貢獻多過於向前推進。


當身體在液體中未受固定時,身體一部份往某一個方向的動作,會造成身體其他部份往相反方向的動作。如水球運動、救生或水上芭蕾中,頭抬離水面游泳會造成足部下沈。這樣的姿勢比水平姿勢產生更多的前方阻力,並且因此泳者需要更多的能量來克服多餘的阻力。


若在水中快速地移動身體,緊接在後方會留下一個低壓區域。這產生了一個吸力作用,且趨向身體倒退。雖然這個向後的拉力無法完全地被消除,但可以藉由在悠閒式的滑行期以及自由式中將兩腿保持合攏來減少。這種性質的阻力也可以藉由保持身體姿勢在水中呈流線型來減少。


身體愈呈流線型,通過水所產生的阻力也愈少。使身體成流線型可以藉由保持頭部的姿勢來完成,如此在俯泳中水平面在接近髮線的位置。身體應該要和水面平行,而臀部恰低於水面。悠閒式滑水中的淺打水和動作恢復部份,足部應該保持合攏。

 


身體在任何液體中所受到的阻力近乎隨著速度的平方增加。因此,蛙式、側泳、基礎仰泳中手臂往後拉的動作的回復期以及自由式、蝶式中回復手進入水中都不應該太過急促。這些例子中,手臂的移動和使泳者向前移動的方向相反。快速的回復期或入水會使得阻力增加。


泳者身體或部份身體在水面突然或迅速的動作,趨向造成旋轉和渦流。這產生了低壓區,對泳者產生阻礙的效果。手以切劃的方式入水以及除去對向前進沒有貢獻的動作可以減少低壓區域。淺水打水時,足部在空中的動作無助於推進身體,因此,足部及腳應該保持在水面之下。


Reference by: Scientific Basic of Human Motion 11 edtion

游泳課程(發展障礙 PDD、 發展遲緩DD、 語言發展障礙DLD/SLI、 動作協調障礙DCD、