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1、第十章 游泳中的推进力A.R. Vorontsov and V.A.Rumyantsev10.1游泳中推进力的特性人们在水中运动是人体环节与水相互作用的结果。在陆地上，人们能利用坚固的不能移动的地面作为支撑并针对地面用力，则地面的反作用力作用于人体使人体运动。在游泳时游泳者在动的流体介质中利用流体的密度和粘度，克服反向阻力从而形成“移动支撑”。游泳的特点是它发生在水中，水将阻碍其运动。流体阻力表现为：(i)该力使得游泳者在水中的运动减慢或停止（见第九章）。(ii)游泳者手臂在水中运动时的“流体反作用力”（RF）是游泳者运动推进力的源泉。游速要根据游泳者工作环节运动所产生的RF（或总推进力）的大
2、小和方向以及动态流体阻力的大小来决定。由于在游泳周期中工作阶段和还原阶段的变化，游泳者产生的RF的值和方向将不断变化，同时有效推力也就发生变化。因为有效推力是RF的一个分量，它等于RF矢量在运动方向上的投影。在游泳周期内动态流体阻力（HDR）的值也不断发生变化。在游泳周期中，两个水平力（有效推力和动态流体阻力）的相互作用在任何时刻都不同，游泳者的人体在流体中运动时，可用动态方程描述（Toussaint等，1998，Cappaert,1998,Kolmogorov和Lyapin 1998）: FP（有效）(t)是游泳者各环节推进力的总的有效推进力的瞬时值（手臂、腿和躯干做功的结果）；FDA前(t
3、)作用于游泳者人体的流体阻力的正前方分量的瞬时值；m0是人体质量，m是惯性引起的附加水的质量；dvCM/dt是人体质心加速度的瞬时值。根据10.1式，当F推进力=F阻力时，游泳者将以匀速运动；当FP FD时，游泳者加速，当FD FP 时，游泳者减速。在游泳中要产生较高的推进力是一件不容易的事。由于推进力作用的某些时刻，其反作用力的矢量偏离游泳方向，因此，不是所有的RF都能变成有效推进力（Schleihauf,1979;Rumyantsev,1982,Cappeart和 Ruchall，1994）。同时划水动作中相当一部分机械能消耗在游泳者用于支撑的水的质量带走的动能上。结果，仅有一部分机械能用
4、于游泳者用来有效地克服HDR。在本章，我们将证明，仅靠尽力划水是不够的，相反，在整个划水过程中，手臂必须灵活地改变其运动方向，使得保持RF的矢量尽可能接近游泳方向。10.2划水动作的生物力学 游泳中的推进力源于肌肉收缩。当生物运动链“前臂手”和“大腿小腿”开始运动时，它们将受到流体阻力的作用。肌肉收缩与外部的流体反作用（RF）保持平衡，而RF抵消HDR，人体总质心（GCM）开始加速，因而流体反作用力（RF）转换成推进力。由于划水动作是四肢绕关节的转动，其力学系统可用下式描述（设转轴的力矩为零，见图10.1）：Fm是肌肉收缩力(N)；rm 是肌力臂(m);I是手臂转动惯量的瞬时值(kg m2);
5、F是流体反作用力(N);r是RF的力臂(m),mg是重力(N);r惯性是手臂惯性力的半径(m)；Q是流体静态力(浮力)(N)；Rq是流体静态力的力臂（m）；是手臂的相对角位移（度）；是手臂的角加速度（度s-2，它可能是正的也可能是负的）。如果我们假设在水下重力与流体静态力（浮力）大小相等方向相反并在同一条直线上，那么方程简化为：由上式可得，由于肘关节屈引起的外力（惯性力和流体反作用）臂长度的减小将导致手臂划水的动力学和时空特性等参量的增加，从而对肌肉力矩的要求更小。Miller(1975)用下式来描述方程10.2:Fmrm是肌力矩，是手臂（或手臂环节）的角加速度，m是手臂（或手臂环节）的质量（
6、kg）；CDr32是手臂（或手臂环节）运动产生的流体反作用力的力矩。假设手的速度大约等于其绕肩关节转动的角速度乘以手与肩之间的距离（r）,那么流体反作用力（RF）的力矩变化将随它的力臂的三次方变化，同时惯性力矩的变化将随着r惯性的平方变化。Miller(1995)提出划水技术的相应变化（减小r惯性和r，增加）将提高划水动作的效率。作用在肩关节的肌肉收缩接近旋转轴（图10.2）因而肌力臂很小。RF作用在手臂的远端，其力臂是肌力臂的数倍。利用手臂屈，游泳者能改变作用于骨杠杆末端的力比率，因而当手臂弯曲时，有可能利用较小的肌力矩与较大的RF的力矩平衡，在自由泳和蝶泳中，优秀的选手在划水过程的中间区域
7、（90-120）显示出较大的肘关节屈。由10.4式可看出，利用手臂连续屈伸的划水方式，在运动生物力学上和流体动力学上的优势明显超过肘和腕关节固定的方式：1、 肘关节运动可使得手和前臂（而不包括手臂中的最大的环节如上臂）的角速度和角加速度的增加，肘关节屈的划水方式与没有肘关节屈的划水方式相比，对于相同的RF和有效推力，对肌力矩的要求更小。2、 肘和腕关节的屈提高了划水环节空间方位的效率（Counsilman,1968,Makarenko,1975,Schliehanf,1979）。它增加了划水环节的工作表面积（划水环节正对划水方高）并尽可能使推进力作用在游泳方向上。3、 手臂在肘关节屈时的力量与
8、直臂相比明显较高。模仿手臂划水时不同阶段的某一姿势，对最大等长力的测量表明，屈臂划水与“直臂划水”相比产生的推力平均大20%（Butovich和Chadovsky ,1968,Vorontsov,1981）。采用肘屈，有可能使肩关节处的力矩方向发生改变。这可能暗示着在肩关节处有更多的肌肉参与工作。4、 在整个划水过程中，手臂各环节协调运动能使得各环节依次达到最大速度。这样，可避免手臂肌肉过多的负荷，以更经济的方式做功。在抱水阶段采用肩伸展同时肘/腕关节屈的姿势，在向后（向下）划水开始时，由于手臂在肘关节处屈，使得手和前臂加速，同时肩以较低的角速度运动，并且逐渐以合理的流线姿势过渡到阻力姿势。在
9、内划时，肩关节开始加速旋转，同时手与前臂之间的夹角仍保持不变，因此，游泳者像单桨一样运用手和前臂。在划水的主要阶段，当肩关节旋转减速时，在肘关节处前臂开始加速，前臂使得肘关节快速伸展（推）。在这期间，手的旋转减慢并获得最佳的空间方位，此时游泳者的手臂获得RF和有效推进力的最高值。划水的作功部分完成以后，采用肩关节的运动，使手臂与水脱离。5、 采用肘关节屈、伸变化的划水方式，使得流体反作用力逐渐增加。推进力由划水最初部分、稳定的中间部分和最大力急剧增加的最后部分的推进力组成。没有肘关节和腕关节运动的划水方式，在手臂通过划水的中部后，流体反作用力明显减小。10.3游泳推进力的概念1、 “类似于桨”
10、的直线划水的理论（OLP）这个理论是从努力使得流体反作用力的100%转换成有效推进力上发展起来的。根据牛顿第三定律，最有效的划水形式是，在身体的中轴线以下沿着游泳方向，手、前臂做直线运动，并且手臂前臂的倾斜度与划水方向接近90（图10.3,a，b）。因此，在类似于桨划水期间，推进力几乎完全由压差（形状）阻力产生。推进力（RF）的大小可以从（9.1）式获得：，这里是水的密度，v是相对于水流的速度，CD是划水环节的流体动力学系数；S是划水环节的表面积。几十年来，正面（形状）阻力的作用被认为是描述游泳时推进力最重要的来源（Cureton,1930,Kiphut,1942,Silvia,1970）。牛
11、顿力学的原理（作用力与反作用力原理，运动的连续性原理）被用来证明当游泳者的手臂产生的流体反作用力（RF）的矢量方向与游泳运动方向一致时，直臂划水（“类似于桨划水”OLP）具有最高的效率。假设当最大的RF的矢量方向与游泳方向一致（RF有效）=RF总），游泳者采用OLP方式划水，其作用力能最大限度地转换成向前的推进力，游泳者划水时在直线方向上有任何的偏离都可以解释为技术错误或人类运动器官结构缺陷的动作补偿，这对于水上运动是不利的。这些观点在科学家和教练员中仍然有它的拥护者（见Rushall等，1998）。2、 升力和升力手臂曲线（类似于螺旋桨）划水（PLP）OLP的理论假设了游泳者保持推进环的最大
12、表面积（CD S），不断增加划水速度和在划水时这些环节产生的压力。事实上手的速度和划水的效果（RF）证明有两个或三个大的波动，同时在手臂划水的中间部分是稳定的有时有一个短暂的减小。图10.4显示在自由泳时，周期内在游泳者手上典型的压力变化。这种周期内压力的动力学特征使得在水上运动时把向正前方的反作用力作为唯一或主要的推进力的重要性。在60年代末70年代初，运用摄影方法和生物力学分析，显示出杰出游泳运动员手的轨迹与“最佳”动作方向在垂直面和横向面上有非常明显的偏离（图10.5a）。这种偏离需要解释。直线划水的反对者利用了“不移动支撑”的原理。他们推测，划水动作的效率可利用作功动作的复杂的轨迹，使
13、得在每个划水点上，手臂与腿的做功环节与持久的、不能移动的水相互作用。当游泳者开始针对水用力不久，水开始在手运动的方向上运动，导致手和水之间相对速度的减小，因而划水动作的效率减小。因此，为形成较高的RF（“寻求”划水支撑反作用的效率），划水环节将在做功动作的每一个点与持久的、不能移动的水相互作用。当划水动作恰恰不是按相反直线方向而是利用一个复杂的曲线轨迹时，这个条件被满足。如果把游泳运动置于直角坐标系中，它显示出在划水动作期间，手臂和腿的做功环节不仅仅是沿x轴反向运动，而且还有穿越横向面（z-y）和垂直面（x-y） 的运动方式。在游泳运动的做功阶段，手臂各环节以某种攻角与三维（3-D）水流相互作
14、用，其前进方向改变23次（根据游泳划臂一周）。Belokovsky(1971)指出，利用“标准的”8字形、没有任何明显的手向后移动的双桨式划水方式并采用等速游泳时，将获得有效的推进力和较高的游速（如游泳25m，1617s）。在这种情况下，总的和有效的推进力的大小都取决于手与做功轨迹的倾斜度以及手横向运动的速度。Counsilman(1969,1971)利用水下的运动分析，发现世界级的游泳选手表现为手臂采用短桨式的划水动作，且在3D空间有非常复杂的曲线轨迹。用这种方式划水，手和前臂表现出明显的垂直和横向的运动，划水的方向相对于水流的倾斜度（攻角和侧进方向）不断变化。Counsilman得出要寻找
15、一个当手和上臂在水中运动时，针对划水方向其攻角恰好为90的例子实际上是不可能的。他提出一种假设，人在水中运动最主要的贡献者是流体的升力（流体反作用的法线分量）。流体升力发生在手和前臂与水流（与划水方向）保持一定的攻角运动时，在这种情况下，手和前臂像水翼一样与水流相互作用。Counsilman引用伯努里（Bernoulli）原理解释了在游泳时推进力的特性（图10.6）。按照该原理，当在手（前臂）的上面和下面的水流速度不同时，产生流体升力。Counsilman指出人手外形的流体动力特征能产生明显的升力。Schleihauf(1974),Bartelt和Adrian(1974),Reiscle(19
16、79),Onoprienko(1981)和Runmyantsev(1982)也研究了类似于水翼的手和前臂的特性。他们中所有的人都同意这个观点，即流体升力对游泳推进力有明显的作用。Issurin和Kostyuk(1978)发现以最大速度游泳时，手向后移动（其轨迹在x轴上的投影）的距离仅仅是它轨迹绝对长度的25%，发现手向后移动的平均速度与向前的身体运动的平均速度接近。同时，手相对于水流的绝对速度可达到34 ms-1。由于采用横向的和垂直的短桨式划水动作，游泳者能获得一个较高的升力值、产生较高的RF，而水的质量没有明显的后移，并延长了推进力的作用时间。这些理论上的探索和实验数据形成了类似于螺旋桨式的曲线划水方式（PLP）的理论基础。通过手臂各环节和躯干在直角坐标中绝对运动
