Физические свойства воды

     Введение

     Плавание, с позиций гидродинамики, — это перемещение в жидкой среде за счет опоры о субстанцию, плотность которой в 1000 раз больше плотности воздуха, что определяет значительно большее при плавании сопротивление движению и соответственно меньшую скорость, чем в естественных для человека условиях перемещения в газообразной среде за счет опоры о неподвижную и твердую субстанцию, как, например, при беге.

     Повышение скорости плавания связано с возрастанием движущей силы за счет более эффективной  опоры пловца о воду и уменьшения сопротивления продвижению его  тела.

     Сила  сопротивления воды пловцам, как и любым движущимся в ней телам, направлена противоположно их движению, а ее величина зависит от формы тела занимаемого им пространства и скорости его движения.

     Лучшему пониманию характера влияния  этих факторов будет способствовать анализ «поведения» потока воды при встрече с каким-либо твердым объектом. До такой встречи молекулы воды двигаются равномерным, плавным, то есть ламинарным потоком, после нее их движение приобретает вихревой характер. При встрече ламинарного потока с телом пловца движение молекул искривляется и они как бы выталкиваются в различных направлениях и с разной скоростью, образуя турбулентный поток. Причем хаотично движущиеся молекулы, проникая в соседние ламинарные потоки, сталкиваясь с их молекулами и вызывая искривление их движения, превращают в вихреобразные и эти потоки. Таким образом турбулентными становятся все новые потоки. «Завихряющаяся» вода оказывает на тело пловца значительно большее давление впереди него, где потоки более ламинарны и соответствующий перепад в давлении существенно тормозит пловца.

     

     Сопротивление прямо пропорционально степени турбулентности. Тело пловца как бы проделывает отверстия в воде, но они заполняются постепенно и поэтому ламинарный поток восстанавливается не сразу. Позади пловца создается своеобразный вакуум, в котором стремительно и хаотично движется часть молекул воды, создавая ее завихрения (рис. 1.1), но, поскольку такими завихрениями охвачена относительно малая часть молекул воды, сопротивление, вызванное этими потоками, незначительно. Зона высокого давления перед пловцом толкает его назад, зона низкого давления позади него тянет его назад. При этом, чем сильнее турбулентность, тем больше площадь завихрений и соответственно — сопротивление движению и снижение скорости плавания. 

1. Сопротивление формы

     Наименьшее сопротивление испытывают продольные и суженные, то есть обтекаемые объекты (рис. 1.2, а). Такая форма объекта изменяет направление встречного потока воды постепенно, по мере прохождения объекта. Причем постепенное расширение потока позволяет расталкивающимся в стороны молекулам в основном не изменять направления движения и при этом «возмущать» лишь небольшое количество потоков воды, вызывая в целом незначительную турбулентность. Ее снижению за счет уменьшения площади завихрений способствует и суженный конец объекта. При равной площади поперечного сечения обтекаемого объекта, изображенный на рис. 1.2, б прямоугольный объект встречается с потоком воды всей площадью. Молекулы воды отталкиваются от него хаотично, возмущая большое количество соседних потоков, вызывая значительную турбулентность и соответствующее сопротивление. Квадратная задняя часть объекта вызывает длительное разделение потоков воды даже после того, как они его минуют. Это сильно увеличивает площадь завихрений и приводит к значительному снижению давления позади объекта. Возникающая при этом разница давления впереди и позади объекта очень снижает скорость движения. Этим объясняется, почему объекты, хорошо движущиеся в жидкой среде, как впрочем, и в газообразной, где действуют аналогичные принципы, всегда имеют обтекаемую, суженную и продольную форму.

     Обтекаемая  форма тела характерна и для пловцов высокого класса. 

     

 

     Сопротивление воды обусловлено не только формой движущегося в ней объекта, но и занимаемым им пространством. Пространство в свою очередь характеризуется вертикальным и горизонтальным компонентами. Для вертикального компонента характерна разница глубины погружения противоположных концов тела (рис. 1.3). Используя применительно к плаванию брассом и баттерфляем распространенную терминологию, можно сказать: чем меньше пловец «ныряет», тем меньшее сопротивление он преодолевает.

     

 
     

 
     

     Горизонтальный  компонент характеризует амплитуда движений относительно поперечной оси, т.е. в боковых направлениях. При этом, чем меньше пловец «виляет» из стороны в сторону (рис. 1.4), тем меньше площадь потоков воды, направление которых изменяет его тело, и преодолеваемое им сопротивление. Вместе с тем необходимость производить возможно большую движущую силу не позволяет пловцу сохранять положение тела, при котором сопротивление наименьшее. При плавании кролем на груди и на спине неизбежны повороты туловища вправо и влево, а при плавании баттерфляем и брассом — волнообразные движения вверх-вниз (рис. 1.5).

                         Рис. 1.5.

     Правильное (1) и неправильное (2)

     положение тела при плавании на

       спине (а) и брассом  (б)

     

     

     

     

     Высокое техническое мастерство пловца предполагает обтекаемое и вместе с тем способствующее эффективному развитию движущей силы положение тела. Практически это сводится к достаточно глубоким для эффективного продвижения, но не очень увеличивающим сопротивление движениям ног и достаточным для развития значительной движущей силы, но не приводящим к «вилянию» поворотам туловища. Рис. 1.4— 1.6 иллюстрируют нецелесообразность противоположного варианта. Положение тела спортсменки, плывущей на спине, очень неудачно (рис. 1.5, а).   Ее   голова   находится слишком высоко, а бедра чересчур низко. А у спортсмена, плывущего на спине, положение тела более выгодное. Голова расположена почти горизонтально и лишь немного согнута в шее, а ноги на глубине, позволяющей выполнять эффективные движения. Рис. 1.6 иллюстрирует тот факт, что к «вилянию» при плавании кролем на спине приводит слишком широкий или узкий вход руки в воду. Повороты туловища относительно его                       Рис. 1.6. (вид снизу)                  продольной оси неизбежны, поскольку при выполнении гребка одной рукой другая выполняет пронос и туловище поворачивается из стороны в сторону, следуя за движением рук. Естественно, эти повороты не должны быть слишком резкими, чтобы не привести к «заваливанию» на бок. Вместе с тем и попытка их ограничить привела бы к толчкам тела гребковыми     движениями из стороны в сторону и сильному «вилянию». Вопрос об оптимальном положении тела при плавании брассом не так однозначен. Приверженцы «волнового» и плоского стилей еще не завершили спор о том, какой из них связан с меньшим сопротивлением формы. При волновом, несмотря на волнообразные движения, оно, вероятно, все же меньше, поскольку бедра подтягиваются почти без сгибания в тазобедренных суставах (а именно подтягивание ног при плавании брассом вызывает наибольшее торможение) и не навстречу потоку воды, как это происходит при плоском стиле.

     Анализ  зависимости сопротивления от скорости плавания имеет в основном теоретический характер, поскольку спортсмен не станет снижать скорость для уменьшения сопротивления. Однако тот факт, что наибольшая экономическая выгода равномерного преодоления дистанций во многом обусловлена преодолением меньшего среднего сопротивления, имеет и определенное практическое значение. Помимо сопротивления, обусловленного формой тела и его ориентацией (положением) в воде, спортсмен преодолевает также ударное волновое (его называют также фронтальным или лобовым) и фрикционное сопротивление или, иначе говоря, сопротивление трения. 
 

2. Волновое  сопротивление

     Волнообразование  возникает вследствие движений пловца. Передняя часть тела, раздвигая воду, вызывает появление расходящихся волн. Следующая волна, задняя, появляется за тазом. Между передней и задней волной образуется впадина, в которую устремляются потоки жидкости. Это становится причиной образования поперечных волн. На преодоление сил тяжести и давления сдвигаемой в виде волн массы воды затрачивается часть энергии пловца.

     Волны образуются при входе рук в  воду (после подготовительного движения), после рабочих движений ногами.

     С увеличением скорости плавания волнообразование возрастает. При скорости плавания менее 1,5 м/с волновое сопротивление невелико. Его значение возрастает на соревновательных скоростях (2 м/с).

     Сравнение движений по поверхности и под  водой показывает, что скорость перемещения под водой выше. Такая разница обусловлена именно отсутствием волнообразования.

     Причиной  волнообразования становятся и другие пловцы. Это происходит во время  групповых тренировок и соревнований. Именно поэтому сильнейшие спортсмены получают право тренироваться и выступать по средним дорожкам. Остальные попадают в более неблагоприятные условия.

     На  скорость плавания оказывают влияние  не только волны, возникающие от других пловцов, но и волны, отраженные от бортика бассейна, особенно в небольших бассейнах, при этом по крайним дорожкам плыть значительно тяжелее. Сливные желоба, расположенные в стенках современных бассейнов, частично гасят эти волны. Роль волногасителей играют и распределительные дорожки.

     В мелкой воде при той же скорости плавания образуются волны большей высоты, поэтому плавать в мелком бассейне несколько труднее. 

3. Сопротивление трения

     При движении тела частицы близлежащего слоя взаимодействуют с поверхностью. В результате такого взаимодействия возникает самое обычное противоречие: при набегающем потоке частицы близлежащего слоя движутся в одну сторону, а тело — в другую; либо то же самое происходит относительно неподвижных частиц, обладающих запасом потенциальной энергии. Это взаимодействие, или это противоречие, и есть не что иное, как трение.

     Более того, частицы не просто оказываются движущимися относительно тела: в результате трения они замедляют свое движение, вплоть до полной остановки. Возникает так называемый слипинг-эффект (самое обычное прилипание к поверхности).

     Аналогично  поведение частиц близлежащих слоев. В результате вокруг движущегося тела формируется своего рода водный чехол, движущийся вместе с телом и тормозящий его продвижение. При обычном скольжении человека в вытянутом положении (руки вперед) возмущение распространяется во все стороны примерно на 70 см. Можно себе представить, какой огромный объем воды пловец «тащит» за собой и какую часть своей энергии затрачивает на это.

     При анализе данного вида сопротивления  чаще всего рассматриваются структура «пограничного слоя» (общепринятый термин) и физические процессы, которые там происходят. Считается, что именно этими характеристиками определяется величина силы трения.

     Пограничным слоем называется тонкий слой заторможенной  воды, образующийся на поверхности  тел.

     Под «границей» понимают условную линию  поверхности, на которой скорость частиц пограничного слоя тела становится равной скорости набегающего тела. На поверхности тела спортсмена толщина пограничного слоя может достигать нескольких миллиметров. Увлекаемый телом поток называют еще попутным.

     Рассмотрим  характер движения частиц в пограничном  слое.

     Вследствие  разности скоростей частицы приходят во вращательное движение. Вращение частиц тем интенсивнее, чем ближе частица находится к поверхности тела. Вне пограничного слоя частицы не вращаются, если поток, обтекающий тело, не завихрен. Пограничный же слой всегда завихрен.

     Характер  течения в пограничном слое зависит  от скорости набегающего потока v, характерного для этого тела, размера тела (длина, рост L), кинематического коэффициента вязкости А. и определяется через безразмерное число Рейнольдса (Re):

     

     Число Рейнольдса характеризует отношение  сил инерции к силам вязкости жидкости.

     При небольшой скорости набегающего  потока вода в пограничном слое течет в виде отдельных слоев. Однако это не означает, что движение происходит без завихрений. Это лишь доказывает, что движение упорядоченно, слои не смешиваются, а частицы вращаются только вокруг осей, перпендикулярных плоскости потока, оставаясь всегда в пределах одного слоя. Перемешивания частиц в поперечном направлении нет. Если же скорость набегающего потока велика, то происходит энергичное перемешивание. Пограничный слой становится турбулентным.