Биомеханика пвания

Абросимова Валентина Алексеевна, МОУ «Лицей №3» города Оренбурга

 

Данный материал представляет собой один из детских исследовательских проектов, созданных в рамках внеклассной работы по предмету. Тема исследования отражает ведущий принцип преподавательской деятельности Претендента – интеграцию знаний учащихся по предметам естественнонаучного цикла (в данном случае – физика, биология, спорт). Темы исследовательских работ выбираются исходя из интересов учащихся. Так, автор данной работы много лет серьезно занимается плаванием, и поиск наиболее рациональных приемов плавания – актуальная для него проблема. Исследования ведутся под руководством ведущих ученых ОГУ и ОГПУ.

 

 

 

XIII ГОРОДСКАЯ ОТКРЫТАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ УЧАЩИХСЯ

«ИНТЕЛЛЕКТУАЛЫ XXI ВЕКА»

 

 

 

 

 

 

Секция: ФИЗИКА

 

БИОМЕХАНИКА ПЛАВАНИЯ

 

Пригодич Антон Дмитриевич

ДТДиМ, Лицей №3, 11 класс

Научный руководитель: профессор Пономарев Юрий Иосифович

Школьный учитель: учитель физики Абросимова Валентина Алексеевна

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Оренбург, 2006 г.

 

 

 

 

Содержание:

Введение. Постановка задач…………………………………………………………………….1

§ 1. Разбор сил, действующих на тело при движении в воде…………………………………2

§ 2. Плавание брассом. Основные движения стиля…………………………………………3-4

§ 3. Исследования: Исследование 1…………………………………………………………..5-6

                                 Исследование 2…………………………………………………………..6-7

                                 Исследование 3…………………………………………………………….7

Заключение. Подведение итогов работы……………………………………………………….8

Список литературы………………………………………………………………………………9

Приложения

 

Введение. Постановка задач.

         Нас интересует плавание как физический процесс. По сути, мы имеем дело с телом, которое движется в водной среде. Под действием мышечных усилий человека тело приобретает некое ускорение и скорость. При движении это тело испытывает сопротивление со стороны жидкости. А скорость, которую приобретает движущееся тело, будет зависеть от отношения этих сил. И для того чтобы улучшить спортивные результаты естественно надо рассмотреть условия, в которых тело движется, баланс сил и найти те условия, при которых в результате пловец будет получать максимальную скорость.

         Целью нашей работы было изучение условий движения, при которых результаты будут наилучшими, т.е. скорость, которую приобретает пловец, будет наивысшей.

 

§ 1. Разбор сил, действующих на тело при движении в воде.

         Рассмотрим силы, которые действуют на тело, движущееся в воде. Удельный вес тела на вдохе у пловцов в среднем равен 0,97 г/см3, на выдохе – 1,05 г/см3. Удельный вес воды 1,00 г/см3. А погруженное тело может утонуть только в том случаи, если его удельный вес больше удельного веса водой.

Кроме того, у плывущего человека плавучесть выше, чем у неподвижного. Ведь когда тело уплощенной формы движется в воздушной или водной среде таким образом,  что передний его конец расположен несколько выше заднего, возникает направленная вверх подъемная сила. Именно такой случай имеет место в плавании. Величина подъемной силы увеличивается с увеличением скорости движения пловца в воде, но одновременно увеличивается и сила сопротивления.

         На тело, находящееся в воде, действуют следующие силы ( см. рис.1):

В вертикальной плоскости: сила тяжести, выталкивающая «архимедова» сила, подъемная сила.

В горизонтальной плоскости: сила реакции воды на отталкивание, возникающая при движении пловца, сила лобового сопротивления, тормозящая сила вихреобразования, сила трения тела пловца о воду.

         Сила тяжести и выталкивающая  сила (архимедова) сила, равна весу  вытесненной телом воды. Но поскольку  человеческое тело более чем  на 60 % состоит из воды, а в легких  находиться несколько литров воздуха, эти две силы примерно одинаковы.

         Совершенствование техники плавания  должно приводить к увеличению  механической работы, выполняемой  за счет продвигающей силы, и  к уменьшению тормозящих сил. Этим обусловлены требования  к позе и движениям пловца. Рациональным является обтекаемое положение тела, при котором минимальна сила лобового сопротивления и сведены к минимуму «вихревые потоки», возникающие в местах отрыва струй от поверхности тела.

         Тело находится в воде под  некоторым углом. При движении тела в таком положении, на него будет оказываться давление со стороны потока движущей силы. Это давление перпендикулярно плоскости тела. Эта сила будет раскладываться на две составляющие: одна вверх – подъемная сила, а другая назад – сила сопротивления. Если тело движется под некоторым наклоном, то сзади образуются вихри и за счет разности давлений, разности скоростей спереди и сзади, получается ещё одно дополнительное сопротивление.

         Совершенно ясно, что все эти  силы в конечном итоге в  вертикальной плоскости будут уравновешены, а в горизонтальной будут тормозить тело.

          

§ 2. Плавание брассом. Основные движения стиля.

Различные виды плавания различаются тем, что будет различное положение тел (различное сопротивление) и сила толчка в разных видах движения будет разная.

Мы остановимся на одном стиле плавания, в частности это брасс. В этом стиле плавания дополнительные силы создаются усилиями рук и ног. Брасс характеризуется одновременными и симметричными движениями  рук  и

ног. Каждый цикл движений в этом способе состоит  из  одного  движения рук, одного движения ног, одного вдоха и одного выдоха в воду.

При плавании брассом тело  пловца  расположено  у  поверхности  воды  в

выпрямленном положении, а голова опущена лицом  в  воду.  Однако  в  периоды выполнения гребков руками и  ногами,  а  также  в  момент  выполнения  вдоха положение тела и углы атаки непрерывно меняются от 8 - 25°.

Теперь детальнее рассмотрим движения ног и рук.  Они подробно изображены на анимированных рисунках.

         Движения  ног.  Толчок ногами  получается в результате выпрямления  ног из согнутого положения  и основан на третьем законе  Ньютона (на примере реактивного  движения). В первоначальном положении  ноги согнуты в коленях, тазобедренных  суставах и  разведены в стороны, стопы при этом расположены перпендикулярно голеням. Потом при выпрямлении ноги постепенно соединяются, совершая движение похожее на кругообразное, при этом пловец как бы отталкивается ногами о воду и в то же время вода выталкивается и полукруга образованного ногами за его пределы, при выпрямленных ногах носки натянуты (подробно показано на анимации №1).              

         Движение рук. Руки движутся тоже  кругообразно. В самом начале  гребка руки вытянуты впереди  параллельно друг другу. Затем начинается гребок. Руки движутся вдоль нижней поверхности тела, захватывая воду и  увлекая  её за собой, они подтягиваются к телу до района пояса. Большая часть воды захватывается ладонями. Это движение также основано на третьем законе Ньютона. Гребок заканчивается в районе пояса и обе руки возвращаются в первоначальное положение (подробно показано на анимации №2). Конечно, при гребке руками можно развести руки очень широко, но это требует дополнительных усилий и больше времени, поэтому выгодно движение, при котором руки описывают не очень большой радиус.         

         Дыхание. Для выполнения вдоха  пловцу  необходимо  поднять  голову  так, чтобы рот оказался над  водой. Такое положение головы  зависит  от  положения плечевого  пояса. Наиболее высокое положение плечевого  пояса  наблюдается в конце гребка руками. Именно в этот момент и выполняется вдох. При этом примерно 25-30 % тела выходит на поверхность. Затем  голова опускается лицом в воду и после небольшой паузы начинается выдох  через  рот и нос и продолжается все остальное время цикла.

         Общая координация движений. Из  исходного положения, в  котором  руки  и ноги выпрямлены и  почти соединены, захват и подтягивание  выполняют  руки,  а ноги остаются  выпрямленными и расслабленными. Затем, когда руки  заканчивают подтягивание, ноги сгибаются (подтягиваются).  Далее  руки  вытягиваются  вперед,  а ноги начинают отталкивание.  Цикл  заканчивается,  когда прямые руки скользят впереди, а прямые, но не напряженные  ноги  поднимаются к поверхности воды (подробно показано на анимации №3 и на видеоролике).

         Скорость, которую приобретает тело, зависит  и от баланса сил. Ко всем  вышеупомянутым силам добавляются  силы гребка. Но в этом случаи  меняется и скорость тела, меняется и сила сопротивления. Сила сопротивления при движении тела в воде вычисляется по формуле:

F=ρSмcхט2

Она направлена в сторону противоположную движению и пропорциональна квадрату скорости и сильно зависит от площади поперечного сечения тела в плоскости. Чем тело будет больше собрано вдоль направления движения, тем меньше сила сопротивления. Поэтому, чтобы как можно больше увеличить скорость нужно не только увеличить силу толчка, но и максимально уменьшить силу сопротивления. Следовательно, сечение тела должно быть минимальным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§ 3. Исследования.

Исследование 1.

В этом исследовании мы хотели установить, как будет зависеть сила гребка от площади гребущей поверхности, и какая часть ноги принимает наибольшее участие при отталкивании о воду. Для этого мы прикрепили небольшие пластины сначала к внутренней стороне ног выше колен, а после к внутренней части ноги, на стыке стопы и нижней части голени. И мы заметили, что во втором случаи при плавании в пластинах гребок получается заметно сильней, что позволяет нам развивать большую скорость.

         Следовательно, основными гребущими поверхностями  во  время

выполнения рабочего движения ног будут внутренние поверхности  стопы  и  голени, которые,  отталкивая   воду   назад,   создают   значительную   силу   тяги, продвигающую тело пловца вперед (чем больше площадь поверхности, тем больше сила тяги).

 

Исследование 2.

Здесь нашей целью было определить, какой способ плавания брассом выгоднее: при выходе тела на поверхность или при плавании брассом под водой без выхода тела на поверхность. Мы провели хронометраж внутрициклового изменения скорости при плавании этими двумя способами,  и результаты отобразили на графике:

 

Синий цвет – плавание брассом под водой, красный цвет – плавание брассом с выходом тела на поверхность.

 

Деление полного цикла на подциклы для графика:

    

1-2 –движение рук.           2-3 –движение ног.              3-4 – скольжение.

     

На участке 2 – при плавании брассом с выходом тела на поверхность происходит вдох. После гребка руками телом приобретается некая скорость, затем выполняется толчок ногами и происходит минимальная потеря скорости, и в точке 3 тело имеет максимальную скорость. В последнем подцикле скорость падает до самого низкого значения, но все равно сохраняется, после этого полный цикл повторяется заново.

         Из графика видно, что плавание с выходом тела на поверхность значительно эффективнее.  Хотя в плавание под водой и отсутствует сила вихреобразования,  но здесь также меньше подъемная сила и большая сила лобового сопротивления, которая значительно препятствует продвижению тела вперед.

         Следовательно, сделаем вывод, что традиционный  тип плавания брассом более  выгоден, нежели какие-либо другие  типы плавания, т.к. пловец развивает  большую скорость и затрачивает меньше сил и энергии.

 

 

Исследование 3.

Исходя из первого исследования, мы выяснили, что при выходе тела на поверхность скорость будет большей, чем при плавании под водой. Когда тело выходит на поверхность сила сопротивления уменьшается, т.к. часть тела находиться на поверхности и испытывает только сопротивление со стороны воздуха, которое очень мало при данной скорости. С одной стороны это будет уменьшение сопротивления за счет воздуха, но с другой при выходе тела на поверхность меняется и угол атаки, а, следовательно, и площадь поперечного сечения под водой. Для того чтобы узнать, какое положение в воде более выгодное мы провели эксперимент. Мы рассмотрели несколько различных положений пловца в воде и провели хронометраж зависимости скорости от угла атаки. Результаты занесли в таблицу.

	S(м)	t(с)	v(м/с)	α
1	25	22	1,14	<25
2	25	20	1,25	≈25
3	25	21	1,19	≈35
4	25	21,5	1,16	≈45

         Также мы  построили график зависимости  скорости внутри цикла от угла  атаки при выходе тела на  поверхность:

 

На этом графике, на участке 1-2, скорость тела одинакова в обоих кривых, но на участке 2, на котором происходит выход тела на поверхность и вдох, происходит небольшая потеря скорости при выходе с углом атаки  >25 градусов из-за того, что получается слишком большая площадь сечения подводной части тела. И вследствие этого тело не набирает той максимальной скорости, которая возможна при угле атаки 25 градусов. На участке 3-4 скорости снова уравниваются.