Математическое моделирование в биомеханике плавания рыб Текст научной статьи по специальности «Биология». Биомеханика плавания

Биомеханика плавания

Хронограммы основных стилей плавания (вольного стиля и браса) представлены на рис.13. Рассмотренные выше основные закономерности циклических локомоций верны и в плавании.

Отличительные особенности техники плавания обусловлены тем, что вода почти в 800 раз плотнее воздуха, а также горизонтальным положением тела спортсмена. На тело пловца действуют следующие силы:

- в вертикальной плоскости: сила тяжести, выталкивающая "архимедова" сила, подъемная "сила крыла"; - в горизонтальной плоскости: продвигающая сила, возникающая при движении пловца, сила лобового сопротивления, тормозящая сила вихреобразования, сила трения тела пловца о воду.

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.

Техника плавания (а также передвижения на лыжах, коньках и велосипеде) зависит от длины дистанции. Различают тактику победы (она в значительной мере зависит от поведения соперников) и тактику рекорда (которая определяется основным критерием оптимальности). На длинных дистанциях и при стремлении к экономичности оптимальным является тактический вариант постоянной скорости (при передвижении по пересеченной трассе правильнее говорить не о постоянной скорости, а о постоянных энергозатратах). Если критерием оптимальности служит механическая производительность (среднедистанционная скорость), то на коротких и средних дистанциях следует выбирать тактический вариант "вовсю", отличающийся повышенной начальной скоростью и постепенным ее снижением от старта к финишу.

Наиболее быстрым видом плавания является кроль на груди. Цикл движений в кроле подразделяется на основные, рабочие и подготовительные движения. В рабочем движении рук принято выделять три фазы: захвата, подтягивания и отталкивания. В подготовительные движения входят: выход руки из воды, пронос (или вынос руки вперед), вход руки в воду. Рабочей фазой движения ног является движение стопы вниз (удар), а подготовительной - движение стопы вверх. Полный цикл движений состоит из непрерывно чередующихся гребков правой и левой руками и определенного количества ударов ногами. По количеству этих ударов различают двух-, четырех- и шестиударный варианты техники. В шестиударном кроле чаще специализируются пловцы высокого роста, имеющие длинные конечности, хорошую подвижность в суставах плечевого пояса, коленных и голеностопных. Двух и четырехударные варианты больше подходят пловцам среднего роста, обладающим хорошим равновесием тела в воде. Длительность рабочих движений рук в среднем 0,7 с, а подготовительных 0,5 с (при длительности цикла 1,2с).

В плавании брасом движения руками и ногами также делятся на основные и подготовительные. Рабочие фазы движения рук - захват и основная часть гребка. Их длительность в среднем 0,5 с. К подготовительным движениям относится фаза выведения рук вперед, ее длительность - 0,25 с. Рабочей фазой движение ног является отталкивание, которое длится в среднем 0,35 с. После этого следует непродолжительная пауза в движениях ног, а затем происходит подтягивание - подготовительная фаза движения ног, длительность которой - 0,55 с. (при длительности цикла 1,0 с) (рис.13).



biofile.ru

БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛЬНЫЕ ДЕЙСТВИЯ В ПЛАВАНИИ ВЫПОЛНИЛИ СТУДЕНТКИ 1

Описание презентации БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛЬНЫЕ ДЕЙСТВИЯ В ПЛАВАНИИ ВЫПОЛНИЛИ СТУДЕНТКИ 1 по слайдам

БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛЬНЫЕ ДЕЙСТВИЯ В ПЛАВАНИИ ВЫПОЛНИЛИ СТУДЕНТКИ 1 КУРСА «И» НОНГЕ АЛИСА И НАЖИ МАРИЯ

ПЛАВАНИЕ ЯВЛЯЕТСЯ ВАЖНОЙ ЧАСТЬЮ ДВИГАТЕЛЬНОЙ КУЛЬТУРЫ ЧЕЛОВЕКА. В ДРЕВНЕЙ ГРЕЦИИ ГОВОРИЛИ О НЕКУЛЬТУРНОМ ЧЕЛОВЕКЕ: «ОН НЕ УМЕЕТ НИ ПЛАВАТЬ, НИ ЧИТАТЬ». ЗДОРОВЫЙ ЧЕЛОВЕК, ПО ЗАКОНАМ ФИЗИКИ, В ТЕПЛОЙ И СПОКОЙНОЙ ВОДЕ УТОНУТЬ НЕ МОЖЕТ. ЧЕЛОВЕЧЕСКОЕ ТЕЛО БОЛЕЕ ЧЕМ НА 60% СОСТОИТ ИЗ ВОДЫ, А В ЛЕГКИХ НАХОДИТСЯ НЕСКОЛЬКО ЛИТРОВ ВОЗДУХА. СТОЯ ПО ГРУДЬ В ВОДЕ, НАБЕРИТЕ В ЛЕГКИЕ КАК МОЖНО БОЛЬШЕ ВОЗДУХА И ЛЯГТЕ НА ВОДУ. ПРИ ЭТОМ ВАШЕ ТЕЛО РАСПОЛОЖИТСЯ ВБЛИЗИ ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ. ЕСЛИ НАЧАТЬ ПОСТЕПЕННО ВЫПУСКАТЬ ВОЗДУХ ИЗ ЛЕГКИХ, ТЕЛО ТАКЖЕ БУДЕТ ПОСТЕПЕННО ПОГРУЖАТЬСЯ В ВОДУ. ПРОЯВИВ БОЛЬШУЮ СИЛУ ВОЛИ, МОЖНО ПРОДОЛЖАТЬ ВЫДОХ ДО ТЕХ ПОР, ПОКА ТЕЛО НЕ ОПУСТИТСЯ НА ДНО ВОДОЕМА. УДЕЛЬНЫЙ ВЕС ТЕЛА НА ВДОХЕ У ПЛОВЦОВ-МУЖЧИН В СРЕДНЕМ РАВЕН 0, 98 Г/СМ, А У ЖЕНЩИН — 0, 96 Г/СМ 3 (ЧТО ОБЪЯСНЯЕТСЯ БОЛЬШИМ ОБЪЕМОМ ЖИРОВОЙ ТКАНИ В ТЕЛЕ ЖЕНЩИН). НА ВЫДОХЕ СРЕДНИЕ ВЕЛИЧИНЫ УДЕЛЬНОГО ВЕСА БОЛЬШЕ: У МУЖЧИН 1, 06 Г/СМ 3 И У ЖЕНЩИН 1, 04 Г/СМ 3. НАПОМНИМ, ЧТО УДЕЛЬНЫЙ ВЕС ПРЕСНОЙ ВОДЫ СОСТАВЛЯЕТ 1, 00 Г/СМ 3, И ЧТО ПОГРУЖЕННОЕ В ВОДУ ТЕЛО МОЖЕТ УТОНУТЬ ТОЛЬКО В ТОМ СЛУЧАЕ, ЕСЛИ ЕГО УДЕЛЬНЫЙ ВЕС БОЛЬШЕ УДЕЛЬНОГО ВЕСА ВОДЫ. У ПЛЫВУЩЕГО ЧЕЛОВЕКА ПЛАВУЧЕСТЬ ВЫШЕ , ЧЕМ У НЕПОДВИЖНОГО.

КИНЕМАТИКА ПЛАВАНИЯ: КРОЛЬ 1 —ВЫХОД ЛОКТЯ ЛЕВОЙ РУКИ ИЗ ВОДЫ; 2 — ВЫХОД ЛЕВОЙ КИСТИ ИЗ ВОДЫ; 3 — ПРОХОЖДЕНИЕ ЛОКТЯ ПРАВОЙ РУКИ МИМО ПЛЕЧА; 4 – МОМЕНТ ПОЛНОГО ПОГРУЖЕНИЯ ЛЕВОЙ РУКИ В ВОДУ; ВТОРОЙ ПОЛУЦИКЛ АНАЛОГИЧЕН ПЕРВОМУ, ОН НАЧИНАЕТСЯ С ВЫХОДА ЛОКТЯ ПРАВОЙ РУКИ ИЗ ВОДЫ (ПО Р. ХАЛЬЯНДУ) ШЕСТИУДАРНЫЙ КРОЛЬ ПРИМЕНЯЕТСЯ НА СПРИНТЕРСКИХ ДИСТАНЦИЯХ, А ДВУКРАТНЫЙ — НА СТАЙЕРСКИХ. ОБУЧЕНИЕ ДЕТЕЙ НАЧИНАЮТ С ШЕСТИУДАРНОГО ВАРИАНТА. ЗАДАЧИ: I фаза — как можно меньше терять скорость продвижения вперед, II фаза — начать увеличение скорости, III фаза — повысить скорость, IV фаза — как можно более поднять скорость. Выдох (при повороте головы вправо) осуществляется в III и IV фазах первого полуцикла, а вдох — в I и II фазах полуцикла.

КИНЕМАТИКА ПЛАВАНИЯ: БРАСС 1 – НАЧАЛО РАЗГИБАНИЯ В КОЛЕННЫХ СУСТАВАХ; 2 – МОМЕНТ ВЫПРЯМЛЕНИЯ НОГ В КОЛЕННЫХ СУСТАВАХ; 3 – ОКОНЧАНИЕ ДВИЖЕНИЯ КИСТЕЙ НАЗАД; 4 – НАЧАЛО РАЗГИБАНИЯ РУК В ЛОКТЕВЫХ СУСТАВАХ (ПО Р. ХАЛЬЯНДУ С СОАВТ. ) ЗАДАЧИ: I ФАЗА — ПОВЫСИТЬ СКОРОСТЬ, II ФАЗА — КАК МОЖНО ВЫШЕ ПОДНЯТЬ СКОРОСТЬ, III ФАЗА — МИНИМИЗИРОВАТЬ ПАДЕНИЕ СКОРОСТИ, IV ФАЗА — КАК МОЖНО МЕНЬШЕ ТЕРЯТЬ СКОРОСТЬ. ВЫДОХ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ВО II ФАЗЕ И НАЧАЛЕ III ФАЗЫ, А ВДОХ — В КОНЦЕ III ФАЗЫ И НАЧАЛЕ IV ФАЗЫ. С КОНЦА IV ФАЗЫ ДО НАЧАЛА II ФАЗЫ -ЗАДЕРЖКА ДЫХАНИЯ.

ДИНАМИКА ПЛАВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНО-НАПРАВЛЕННЫЕ СИЛЫ: СИЛЫ ТЯЖЕСТИ; ВЫТАЛКИВАЮЩАЯ СИЛА; ПОДЪЕМНАЯ СИЛА. ГОРИЗОНТАЛЬНО-НАПРАВЛЕННЫЕ СИЛЫ — ПРОДВИГАЮЩАЯ СИЛА; СИЛА ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ; СИЛА СОПРОТИВЛЕНИЯ ВИХРЕОБРАЗОВАНИЯ. (СОЗДАЕТСЯ РАЗНОСТЬ ДАВЛЕНИЙ, КОТОРОЕ КАК БЫ ОТСАСЫВАЮТ ТЕЛО НАЗАД). ВО ВРЕМЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ОПУСКАНИЕ ГОЛОВЫ ПЛОВЦА ВНИЗ УВЕЛИЧИВАЕТ СОПРОТИВЛЕНИЕ НА 8 -12%, А ОТКЛОНЕНИЕ ЕЕ ОТ ОПТИМАЛЬНОГО ПОЛОЖЕНИЯ ВВЕРХ — НА 10 -20%; СИЛА ТРЕНИЯ О ВОДУ; СИЛА СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОЛНООБРАЗОВАНИЯ; СИЛЫ ИНЕРЦИИ.

СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ ПРИ ПЛАВАНИИ G — СИЛА ТЯЖЕСТИ; FТ — СИЛА ТЯГИ, СОЗДАВАЕМАЯ ДВИЖЕНИЯМИ ПЛОВЦА; FА — ВЫТАЛКИВАЮЩАЯ (АРХИМЕДОВА) СИЛА; FИН — СИЛА ИНЕРЦИИ, ВОЗНИКАЮЩАЯ ПРИ УСКОРЕНИИ Н ТОРМОЖЕНИИ ТЕЛА ПЛОВЦА. FТР — СИЛА ТРЕНИЯ; FВ — СИЛА ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОДЫ. FТВ — ТОРМОЗЯЩАЯ СИЛА ВИХРЕОБРАЗОВАНИЯ (И СИЛА ВОЛНООБРАЗОВАНИЯ, ДЕЙСТВУЮЩАЯ В ТОМ ЖЕ НАПРАВЛЕНИИ)

ВЕЛИЧИНА МИДЕЛЕВА (ЛОБОВОГО) СЕЧЕНИЯ ТЕЛА И ЗАВИХРЕНИЕ ВОДЯНЫХ СТРУЙ ПРИ РАЗНЫХ ПОЛОЖЕНИЯХ ПЛОВЦА В ВОДЕ (ПО Л. П. МАКАРЕНКО; КАУНСИЛМЕНУ)

ТОПОГРАФИЯ РАБОТАЮЩИХ МЫШЦ ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРЕБКОВ РУКАМИ И НОГАМИ ВОЗМОЖНО В ТОМ СЛУЧАЕ, ЕСЛИ ТУЛОВИЩЕ ПЛОВЦА ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ДОСТАТОЧНО ЖЕСТКУЮ КОНСТРУКЦИЮ , КОТОРАЯ НАХОДИТСЯ В ОБТЕКАЕМОМ И УРАВНОВЕШЕННОМ ПОЛОЖЕНИИ. ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ ЭТО ЗА СЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ МЫШЦ ЖИВОТА И СПИНЫ. ОСТАЛЬНЫЕ ЖЕ МЫШЦЫ ТУЛОВИЩА ДОЛЖНЫ БЫТЬ РАССЛАБЛЕНЫ. ПРИ ПЛАВАНИИ КРОЛЕМ НАИБОЛЕЕ АКТИВНЫ МЫШЦЫ, ОСУЩЕСТВЛЯЮЩИЕ СГИБАНИЕ КИСТИ. В БРАССЕ ВЫСОКА АКТИВНОСТЬ МЫШЦ НОГ.

ЭНЕРГЕТИКА ПЛАВАНИЯ СИЛЫ, ОТ КОТОРЫХ ЗАВИСИТ СОПРОТИВЛЕНИЕ ВОДЫ, ЯВЛЯЮТСЯ ОСНОВНЫМИ ИЗ ТЕХ, ЧТО ПРИХОДИТСЯ ПРЕОДОЛЕВАТЬ ПЛОВЦУ. ПОСКОЛЬКУ ПЛОТНОСТЬ ВОДЫ В 800 РАЗ БОЛЬШЕ ПЛОТНОСТИ ВОЗДУХА, ПЛАВАНИЕ ТРЕБУЕТ БОЛЬШИХ ЗАТРАТ ЭНЕРГИИ И ЯВЛЯЕТСЯ НАИМЕНЕЕ ЭКОНОМИЧНЫМ ВИДОМ ЛОКОМОЦИЙ ЧЕЛОВЕКА. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ У ПЛОВЦОВ 1 -5%; ПРИ НАЗЕМНЫХ ЛОКОМОЦИЯХ ЧЕЛОВЕКА — 20 -40% ; У ЗЕЛЕНОЙ ЧЕРЕПАХИ, ФОРЕЛИ И ЗОЛОТОЙ РЫБКИ (10, 14 И 40%), У ЧЕЛОВЕКА В ЛАСТАХ ОКОЛО 17%. БРАСС (ПРИ СКОРОСТИ 0. 3 — 0. 5 М/С) ОКАЗЫВАЕТСЯ НА 30% БОЛЕЕ ЭКОНОМИЧЕН, ЧЕМ КРОЛЬ.

ОПТИМИЗАЦИЯ ПЛАВАНИЯ ОСНОВНЫМИ ТРЕБОВАНИЯМИ К ТЕХНИКЕ И ТАКТИКЕ ПЛОВЦА ЯВЛЯЮТСЯ ТРЕБОВАНИЯ МАКСИМИЗИРОВАТЬ СИЛУ ТЯГИ И МИНИМИЗИРОВАТЬ СУММУ ТОРМОЗЯЩИХ СИЛ. ВАЖНО ИСКЛЮЧИТЬ НЕПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ ЗАТРАТЫ ЭНЕРГИИ: УСТРАНИТЬ ЛИШНИЕ ДВИЖЕНИЯ; ВЫБРАТЬ ОПТИМАЛЬНЫЙ ТЕМП ДВИЖЕНИЙ; СНИЗИТЬ ВЕЛИЧИНЫ ТОРМОЗЯЩИХ СИЛ; УСТРАНИТЬ НЕПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ МЫШЕЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ. В ПЛАВАНИИ, КАК НИ В ОДНОМ ДРУГОМ ВИДЕ СПОРТА, ВАЖНО УМЕНИЕ РАССЛАБЛЯТЬ ТЕ МЫШЦЫ, КОТОРЫЕ В ДАННЫЙ МОМЕНТ НЕ УЧАСТВУЮТ В ВЫПОЛНЕНИИ ПРОДВИГАЮЩЕЙ РАБОТЫ. ВЫНОС РУК ПО ВОЗДУХУ УМЕНЬШАЕТ ВРЕДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ВОДЫ, И ПОЗВОЛЯЕТ БОЛЕЕ БЫСТРО ЗАНЯТЬ ИСХОДНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ ДЛЯ ОЧЕРЕДНОГО ГРЕБКА, Т. Е. ПОВЫШАЕТ ТЕМП ПЛАВАТЕЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ. С ДРУГОЙ СТОРОНЫ , ВЫНОС РУК ПО ВОЗДУХУ УХУДШАЕТ ПЛАВУЧЕСТЬ ТЕЛА.

ЧЕМ МЕНЬШЕ УГОЛ АТАКИ, ТЕМ МЕНЬШЕ: МИДЕЛЬ ТЕЛА И, СЛЕДОВАТЕЛЬНО, СИЛА ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ; ПОВЕРХНОСТЬ ОТРЫВА СТРУЙ И, СЛЕДОВАТЕЛЬНО, СИЛА СОПРОТИВЛЕНИЯ ВИХРЕОБРАЗОВАНИЯ. ПЛОВЕЦ ДОЛЖЕН ВЫБИРАТЬ ПОЛОЖЕНИЕ ТЕЛА ПО ВОЗМОЖНОСТИ ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ И ВЫТЯНУТОЕ В НАПРАВЛЕНИИ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ. ДЛЯ СНИЖЕНИЯ НЕПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ЗАТРАТ ЭНЕРГИИ СЛЕДУЕТ УМЕНЬШАТЬ ВНУТРИЦИКЛОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ СКОРОСТИ. В КРОЛЕ ОНИ МЕНЬШЕ, ЧЕМ В БРАССЕ. ЭТО ДОСТИГАЕТСЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАБОТОЙ НОГ КРОЛИСТА И ТЕМ, ЧТО ОДНА РУКА НАЧИНАЕТ ГРЕБОК ЗАХВАТОМ В ТОТ МОМЕНТ, КОГДА ДРУГАЯ РУКА ЕЩЕ НЕ ЗАВЕРШИЛА ОТТАЛКИВАНИЕ. ВСЕ СКАЗАННОЕ ОБЪЯСНЯЕТ, ПОЧЕМУ КРОЛЬ ЯВЛЯЕТСЯ БОЛЕЕ СКОРОСТНЫМ СТИЛЕМ, ЧЕМ БРАСС. ПРИНЯТАЯ ПРИ ПЛАВАНИИ КРОЛЕМ КИНЕМАТИКА ДВИГАТЕЛЬНЫХ ДЕЙСТВИЙ ОБЕСПЕЧИВАЕТ МЕНЬШИЕ ВЕЛИЧИНЫ СИЛ ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ, СОПРОТИВЛЕНИЯ ВИХРЕОБРАЗОВАНИЯ И СИЛ ИНЕРЦИИ РАЗГОНЯЕМЫХ И ТОРМОЗИМЫХ ЗВЕНЬЕВ ТЕЛА.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ

present5.com

Глава 2 основы техники спортивного плавания 2 1 биомеханические основы техники плавания 2 1 1 понятие о технике плавания

Глава 2.

ОСНОВЫ ТЕХНИКИ СПОРТИВНОГО ПЛАВАНИЯ

2.1. Биомеханические основы техники плавания

2.1.1. Понятие о технике плавания

Под техникой спортивного плавания понимают систему движе­ний, позволяющую пловцу преодолевать соревновательную дис­танцию с возможно более высокой скоростью, оптимальной за­тратой сил и в соответствии с правилами соревнований. Сюда вхо­дят выполнение старта, передвижение по дистанции, выполнение поворота, касание стенки бассейна во время финиша.

Спортивными способами плавания являются кроль на груди, кроль на спине, брасс, баттерфляй (дельфин). В каждом способе существуют варианты рациональной техники. При выборе для своего ученика того или иного варианта техники тренер (инструк­тор по плаванию) учитывает цели и условия занятий в воде, уро­вень двигательной и технической подготовленности занимающе­гося, его возрастные и индивидуальные особенности. Большую помощь тренеру в работе над техникой плавательных движений ученика оказывает знание основных закономерностей биомехани­ки плавания.

2.1.2. Гидростатическое равновесие тела пловца

На поверхность тела, погруженного в воду, действует гидроста­тическое давление; оно возрастает с глубиной погружения. Боль в ушах, которую испытывает пловец, нырнувший на большую глу­бину, вызвана гидростатическим давлением на барабанную пере­понку уха.

Когда тело пловца находится в воде неподвижно, на него дейст­вуют только сила тяжести тела и выталкивающая сила воды (рис. 8). Сила тяжести Р постоянна по величине и приложена к общему центру тяжести тела (ОЦТ).

32

Выталкивающая сила Q обусловлена разностью гидростатиче­ского давления на нижнюю и верхнюю поверхность тела, погру­женного в воду, и направлена вверх (закон Архимеда). По величи­не она равна силе тяжести воды, вытесненной телом. Центр тяже­сти вытесненного объема воды называют центром давления (ЦД). К этой точке и приложена выталкивающая сила.

Тело находится в гидростатическом равновесии, если сила тя­жести Р уравновешивается выталкивающей силой Q: Р = Q.

Если на заданной глубине на тело пловца не действуют никакие другие силы и Q>P, то тело всплывает до тех пор, пока не будет вы­полнено условие Р = Q. При P>Q тело тонет.

Плавучесть человека зависит от средней плотности тканей его тела, вдоха или выдоха, плотности воды. Чем меньше сред­няя плотность тканей тела пловца, тем лучше его плавучесть. При полном вдохе пловец, как правило, обладает положитель­ной плавучестью; при полном выдохе — отрицательной (то есть тонет). В более плотной, морской, воде плавучесть тела повы­шается.

У пловца, находящегося в воде в горизонтальном положении, руки у бедер (см. рис. 8, а), ОПТ расположен, как правило, ближе к ногам по сравнению с ЦД тела. Так как сила тяжести тела и вы­талкивающая сила воды имеют противоположное направление и линии их действия не совпадают, то возникает вращающее дейст­вие пары сил. Равновесие тела нарушается: ноги и нижняя часть туловища опускаются вниз. Если пловец вытянет руки вперед, равновесие тела улучшится (см. рис. 8, б).

Рис. 8. Действие силы тяжести Р и выталкивающей силы Q на тело пловца при неуравновешенном (а) и уравновешенном (б) гидростатическом его положении.

33

2.1.3. Силы реакции воды при движении тела

Динамическое взаимодействие тела с водой зависит от скоро­сти его движения относительно воды и обусловлено наличием в ней сил внутреннего трения и давления.

При движении тела в воде распределение давления отличается от его распределения в жидкости, находящейся в покое. В потоке возникают области повышенного и пониженного давления Об­ласть повышенного давления образуется на той части тела кото­рая встречает (атакует) поток воды, а область пониженного давле­ния - позади тела, где возникает вихреобразование (рис. 9) Ре­зультирующая сила реакции воды R в приведенном примере пре­пятствует продвижению пловца вперед; в подобных случаях будем называть ее силой гидродинамического сопротивления.

Рис. 9. Сила гидродинамического сопротивления R и ее разложение на две составляющие: fix (лобовое сопротивление) и Ry (подъемная сила)

Аналогичная (по природе возникновения) сила реакции воды будет образовываться и на рабочих поверхностях рук и ног пловца во время гребков, например на рабочей поверхности кисти (рис 10) Так как эту силу пловец использует, чтобы продвигать себя вперед опираясь о воду, будем называть ее силой реакции опоры. Результи­рующую силу реакции опоры обозначим тоже латинской буквой R. Сила приложена перпендикулярно рабочей плоскости руки выполняющей гребок.

Сила реакции воды есть векторная величина; она всегда дейст­вует в определенном направлении. Графически вектор силы мож­но представить в виде суммы двух других векторов, т.е. разложить на составляющие. Направление действия составляющих выбира-

34

ется заранее. Чаще всего мы раскладываем вектор R по направле­нию продвижения пловца вперед и перпендикулярно этому на­правлению.

В случаях, представленных на рис. 9 и 10, силу R можно разло­жить, применяя правило параллелограмма, на две составляющие: Rx (лобовое сопротивление) и Ry (подъемная сила). В первом слу­чае (см. рис. 9) сила Rx тормозит продвижение пловца вперед, во втором (см. рис. 10) служит ему опорой для продвижения.

2.1.4. Анализ сил, тормозящих продвижение тела пловца

Лобовое сопротивление — главная сила, препятствующая про­движению пловца вперед. Величина лобового сопротивления за­висит от формы и обтекаемости тела, его положения (ориентации)

Рис. 10. Сила реакции опоры R, возникающая на рабочей поверхности кисти во время гребка рукой в кроле на груди, и ее разложение на составляющие Rx и Ry

35

относительно потока воды. Она пропорциональна площади попе­речного сечения тела (площади проекции тела на плоскость, пер­пендикулярную направлению движения) и квадрату скорости дви­жения тела относительно воды:

Rx^SV, (1)

где S — площадь поперечного сечения тела, V— скорость движе­ния тела относительно воды.

Проекция тела на фронтальную плоскость - это, образно гово­ря, контур пловца, который мы увидим, если будем смотреть на него спереди через подводное окно (рис. 11). При скольжении пловца в вытянутом горизонтальном положении площадь проек­ции его тела будет минимальной (см. рис. 11, а). В отдельные мо­менты цикла движений при плавании тем или иным способом эта площадь может существенно возрастать (см. рис. 11,6). Соответст­венно будет возрастать и величина встречного гидродинамическо­го сопротивления.

Рис. J /. Площадь поперечного сечения тела пловца (заштрихованный контур справа): а - при скольжении под водой в вытянутом горизонтальном положении; 6 - при плавании брассом

36

Сопротивление продвижению тела пловца вперед увеличивает­ся при недочетах в технике: например, при излишнем сгибании ног в тазобедренных суставах при плавании кролем и брассом; при опускании таза глубоко в воду («сидячем» положении) при плава­нии на спине; при поднимании головы вверх и излишнем проги­бании туловища при плавании баттерфляем.

Ориентацию тела пловца во время движения характеризуют уг­лом атаки, т.е. углом между продольной осью тела и направлением движения (см. рис. 9). С увеличением угла атаки возрастает лобовое сопротивление. Углы атаки тела пловца, превышающие 10—15°, не являются рациональными. В этом случае существенно возрастает площадь проекции тела на фронтальную плоскость, ухудшается об­текаемость, увеличивается вихреобразование за спиной и тазом пловца — и в целом увеличивается лобовое сопротивление.

Гидродинамическое сопротивление тела теоретически можно разделить на сопротивление трения, волнообразования и формы (вихреобразования).

Сопротивление трения возникает в силу вязкости воды. Ее части­цы и слои, непосредственно прилегающие к телу, образуют своего рода водный чехол, двигающийся вместе с телом вперед. На приве­дение этой массы воды в движение затрачивается энергия. Сопро­тивление трения составляет незначительную часть общего гидро­динамического сопротивления. И все же не следует забывать, что плохо подогнанный плавательный костюм, да еще изготовленный из грубой, ворсистой ткани, может отрицательно сказаться на ско­рости плавания за счет повышения сил сопротивления трения.

Сопротивление волнообразования возникает во время движения по поверхности. Когда тело рассекает неподвижную поверхность, сдвигаемая масса воды приходит в колебательное движение, обра­зуя волны. На преодоление сил тяжести и инерции сдвигаемой массы воды затрачивается часть энергии пловца (с увеличением скорости плавания энергозатраты возрастают). Чем меньше вели­чина вертикальных колебаний тела пловца, чем меньше он сдвига­ет воду передней частью тела (т.е. чем лучше наскальзывает на во­ду и рассекает ее), тем меньше величина волнового сопротивле­ния.

Сопротивление формы представляет наибольший практический интерес, так как на его долю приходится около 70% общего гидро­динамического сопротивления тела. В соответствии с формулой (1) сопротивление формы изменяется пропорционально квадрату скорости плавания, площади проекции тела на поверхность, пер­пендикулярную движению. Существенно зависит оно от продоль-

37

ного профиля тела (собственно формы) и ориентации тела в пото­ке (угла атаки тела).

Для пловца наиболее обтекаемым по форме является вытянутое (относительно продвижения вперед) положение тела: руки вытя­нуты вперед, кисти соединены; голова находится между руками; ноги вытянуты и соединены, носки оттянуты (см. рис. 11, а). Такое положение рекомендуется принимать, например, во время сколь­жения после старта и поворота. Если в это время нарушить рацио­нальное положение рук (например, развести кисти на ширину плеч, вытянуть руки вдоль бедер), силы сопротивления заметно возрастут. То же произойдет и при нарушении рационального по­ложения головы, туловища, ног.

2.2. Общие требования к рациональной технике плавания

Общие требования к рациональной технике плавания относят­ся прежде всего к положению тела пловца в воде, гребковым дви­жениям руками (как основному источнику движущих сил), обще­му согласованию движений при плавании любым из спортивных способов.

2.2.1. Положение тела пловца в воде и движения ногами

Тело пловца должно занимать в воде хорошо обтекаемое, вытя­нутое и уравновешенное положение с оптимальным углом атаки.

Для техники квалифицированных спортсменов свойственны минимальные углы атаки тела (3—5°). Для техники плавания, кото­рую осваивают новички, характерны несколько большие величи­ны угла атаки (8— 10°), что позволяет придать телу «глиссирующее» положение, облегчающее выполнение подготовительных движе­ний руками и дыхание.

Мышечные группы туловища служат основой двигательного механизма пловца. С одной стороны, эти мышцы обеспечивают обтекаемое и уравновешенное положение тела за счет оптималь­ной степени своего напряжения. С другой стороны, они принима­ют активное участие во всех наиболее мощных гребковых движе­ниях руками и ногами. Во время подготовительных движений мышцы туловища, прежде всего мышцы спины, должны быть по возможности расслаблены.

38

Существенное влияние на положение тела пловца в воде оказы­вают положение головы и движения бедер. На протяжении боль­шей части полного цикла движений голова находится почти на продольной оси тела, мышцы шеи расслаблены; пловец смотрит вперед-вниз (при плавании на груди) или назад-вверх (при плава­нии на спине).

Бедра пловца занимают положение у поверхности воды. Грубой ошибкой является «зависание» бедер — излишнее глубокое опус­кание их вниз и движения ногами не от бедра, а от колена. Чтобы избежать подобной ошибки, например при плавании кролем, пловцу необходимо выполнять движения ногами с небольшим размахом, активным посылом бедра вверх, к самой поверхности воды, во время удара стопой вниз. При плавании брассом бедра в конце отталкивания ногами назад также выходят к самой поверх­ности воды и сохраняют вытянутое, расслабленное и хорошо обте­каемое положение на всем протяжении гребка руками.

2.2.2. Движения руками

Руки являются главным движителем* при плавании спортив­ными способами. Даже в брассе, где движения руками и ногами примерно в равной мере создают движущие силы, техника движе­ний руками в большей мере влияет на общую координацию дви­жений, определяет темп и ритм плавания, тесно связана с дыхани­ем. Значит, движения руками имеют решающее значение для осво­ения рациональной техники этого способа плавания.

Кисть и предплечье следует рассматривать как один из основ­ных элементов движителя — его основную рабочую плоскость. Функция кисти и предплечья во время гребка — обеспечивать по­стоянную опору о воду. Во время гребка кисть и предплечье удер­живаются жесткой (оптимально напряженной) «лопаточкой». Кисть движется непрерывно и с высокой скоростью относительно воды, о которую она опирается.

Гребок начинается полностью (или почти полностью) выпрям­ленной в локтевом суставе рукой. Основная же часть гребка долж­на выполняться с оптимальной степенью сгибания к разгибания ру­ки в этом суставе (конкретные величины сгибания руки в локтевом суставе приведены в главе 3 — при описании техники плавания от-

* Движитель — совокупность звеньев тела, механически взаимодействую­щих с водой с целью создания движущей силы.

gigabaza.ru

Математическое моделирование в биомеханике плавания рыб Текст научной статьи по специальности «Биология»

УДК 532.3

В.Н. Колескин, В.В. Колескин

Математическое моделирование в биомеханике плавания рыб

Рассмотрен биомеханический подход к биологии рыб, сопоставлены характеристики поведения рыб с типом их плавания и образом жизни. Раскрыта роль биомеханики в решении фундаментальных проблем биологии.

Ключевые слова: бросковое плавание, крейсерское плавание, маневренное плавание, локомоторная волна, ундуляци-онное движение, осцилляторное движение, пропульсивный элемент, каудальное отклонение, присоединенная масса, хвостовой стебель, эндотермия, циркуляция, функционально-морфологическая плоскостная модель.

V.N. Kolioskin, V.V. Kolioskin

Mathematical Modeling in Biomechanics of Fish Swimming

The biomechanical approach to fish Biology is considered, characteristics of fish behaviour are compared with their type of swimming and a way of life. The biomechanics role in the solution of fundamental problems of Biology is revealed.

Key words: burst swimming, cruiser swimming, maneuverable swimming, a locomotor wave, undulation movement, oscillation movement, an propulsive element, a caudal deviation, the attached weight, caudal peduncle, endothermy, circulation, a functional and morphological plane model.

Движение рыб в водной среде изучается биомеханикой, которая возникла на стыке биологической и физической областей знаний. Следовательно, для изучения движения рыб необходимо раскрыть механическую и биологическую природу этих процессов.

Попытки объяснить движение рыб предпринимались в Индии еще 2500 лет назад. В Европе до конца XIX в. были приняты гипотезы Аристотеля, который полагал, что рыбы отталкиваются от воды с помощью двух пар плавников или четырех изгибов тела, или и того, и другого вместе. Актуальность взглядов Аристотеля сегодня объясняется тем, что плавание рыб представляет сложную проблему, требующую многочисленных наблюдений и их анализ.

Развитие эксперимента и теоретические достижения гидродинамики в конце XIX в. стимулировали изучение сил, действующих при плавании рыб. Как и перемещение любого твердого тела, движение рыбы представляет собой результат действия сил, способствующих этому движению, и сил, препятствующих ему. В данном случае движущей силой является сила тяги, возникающая при плавательных движениях, а препятствующей силой - сопротивление воды.

F + F = ma

-L тяги -L conp

К 30-м годам американец Ч. Бредер и англичанин Дж. Грей описали кинематику плавания - совокупность движений, из которых складывается процесс плавания.

К 60-м годам Дж. Грей, Р. Бейнбридж и Дж. Бретт внесли вклад в изучение энергетики плавания - взаимодействия сил и энергии при поступательном движении. Количественные закономерности, установленные Дж. Лайтхиллом, Т. By и Д. Вейсом позволяют объяснить, как рыба создает тягу и как можно вычислить ее величину, как форма рыбы влияет на эту тягу и на преодоление сопротивления воды. В конце прошлого века начали понимать, какое значение имеет форма рыбы для способов плавания и образа ее жизни.

Создание движущей силы и преодоление гидродинамического сопротивления делает рыб, обладающих продолговатой формой тела, более приспособленными для броскового плавания, а обладающих иной формой тела - для крейсерского или маневренного плавания [4]. Это три основных типа плавания рыб. У некоторых рыб форма тела приспособлена к какому-то одному из них. Например, тело щуки подходит для броскового плавания, она не может быстро маневрировать и крейсировать.

© Колескин В.Н., Колескин В.В., 2011

Многие виды рыб не обладают специфическими приспособлениями - это «генералисты», строение их тела дает им возможность с одинаковым успехом использовать все три типа плавания. Так, окунь может находиться в крейсерском плавании, способен к маневрированию и броскам, однако он не столь искусен в бросках, как щука, плавает не так быстро, как тунец, а его маневренность хуже, чем у морского ангела. Поведение рыб зависит от их способности к плаванию, следовательно, необходимо сопоставить форму рыбы с ее образом жизни.

Волнообразные и колебательные движения

В основе движущих (локомоторных) функций лежат единые принципы. Знание этих принципов позволяет разделить рыб на несколько групп в соответствии с типом плавания. Первый принцип состоит в различии между волнообразным (ундуляционным) и колебательным (осцилляторным) движениями. При волнообразном движении локомоторная волна проходит вдоль пропульсора - структуры (участка тела с группой мышц), порождающей движущую силу. Волнообразное движение создается структурами двух типов:

1) телом и хвостовым плавником, действующими как единое целое;

2) плавниками, соединенными с телом.

Движение обеспечивается волнообразным движением тела и хвостового плавника.

При колебательном движении часть тела, которая создает тягу, двигается вперед и назад благодаря вращению своего основания, а волнообразное движение при этом отсутствует. Колебательное движение, как правило, обеспечивается плавниками, соединенными с телом посредством коротких оснований. В основе поступательного движения, вызванного движением плавников, могут лежать два различных физических закона. Вообще, колебательные движения плавников, не сопровождаемые движениями тела, используются при медленном плавании, когда требуется точное маневрирование (при добывании пищи или спасении от опасности). Более быстрое передвижение требует большей силы, и в этом случае в дело вводится скелетная мускулатура - крупные массы мышечной ткани, расположенные по бокам тела, которые обеспечивают большое ускорение и высокую скорость плавания. Более других изучены совместные волнообразные движения тела и хвостового плавника. Когда тело рыбы волнообразно изгибается, по нему от головы к хвосту проходит одна или больше полуволн со скоростью, превышающей скорость движения рыбы относительно воды. При прохождении волны по телу пропульсивный элемент (создающий тягу небольшой сегмент тела) сообщает ускорение прилежащей массе воды. Мускульная сила рыбы воздействует на воду, а равная ей противоположная сила, сила реакции, действует на пропульсивный элемент (III закон Ньютона). С другой стороны,

¥=т а,

где ¥ - сила реакции, перпендикулярная пропульсивному элементу, а - ускорение воды, т - масса воды, получившая это ускорение.

Сила, действующая на пропульсивный элемент тела, имеет две составляющие (см. рис. 1). Рассмотрим движение рыбы по прямой.

Р = Р1 + Ри ,

где р1 - перпендикулярна направлению движения - боковая сила; рп - параллельна направлению движения рыбы - это продольная сила.

Когда рыба плывет, делая поворот, ее движение обусловлено только продольной силой - р11.

Возникновение тяги

Продольная сила, создаваемая пропульсивными элементами тела, находящимися ближе к хвостовой части, больше силы, создаваемой элементами, расположенными у головы. Причина этого - каудальное отклонение околохвостовых сегментов тела по сравнению с окологоловными сегментами. Чтобы понять, что такое каудальное отклонение, представим себе линию, проведенную вдоль оси пропульсивного элемента, то есть вдоль срединной линии тела рыбы (см. рис.1). Когда локомоторная волна проходит по телу, линия, соответствующая оси элемента, изгибается таким образом, что сторона, которой рыба отталкивается от воды, оказывается обращенной к хвосту. Теперь представим другую линию, перпендикулярную первой. Эта линия представляет собой силу реакции, действующую на каждый элемент и направленную к голове. При прохождении локомоторной волны околохвостовые элементы сильнее изгибаются назад, чем около головные. В результате сила реакции на заднем конце тела имеет направление, более близкое к главному направлению движения рыбы, и сила действия воды на пропульсивные элементы в основном парал-

лельна движению рыбы.

Вторая причина того, что для поступательного движения важнее околохвостовые элементы, состоит в следующем. Во время прохождения локомоторной волны задняя часть тела, изгибаясь, перемещается на большее расстояние, чем передняя. Поэтому скорость движения околохвостовых элементов больше, и они сообщают воде большее ускорение, чем элементы передней части тела рыбы.

Способ возникновения тяги в результате движений пропульсивных элементов при прохождении локомоторной волны по телу и хвостовому плавнику в значительной мере обуславливает форму тела, наиболее соответствующую потребностям данного вида рыб. Плавание, основанное на движении тела и хвостового плавника, можно разделить на прерывистое и непрерывное. Прерывистое плавание характеризуется быстрым стартом и крутыми поворотами, а движения, создающие тягу, короткие и с большей амплитудой. Эти движения длятся несколько десятков миллисекунд, и хвост рыбы проходит расстояние, равное половине длины ее тела.

Непрерывным плаванием называют всякое продвижение с циклически повторяющимися плавательными движениями. У рыб, которым свойственны внезапные ускорения, форма тела иная, чем у рыб, которые преодолевают огромные расстояния, плывя с постоянной скоростью.

Прерывистое плавание

Наиболее важным элементом механизма, с помощью которого возникает движение вперед, является силуэт рыбы в профиль. Пропульсивный элемент тела при своем движении сообщает ускорение какой-то массе воды, которую обозначают как добавочную, или присоединенную, массу. По величине она равна массе воды, содержащейся в цилиндре с диаметром, равным высоте пропульсивного элемента (то есть с малой длиной).

Отсюда следует, что рыбы, использующие при плавании движение тела и хвостового плавника, создают тем большую тягу, чем большую высоту имеет пропульсивный элемент; в результате максимальную тягу создают рыбы, обладающие высоким силуэтом. При непрерывном плавании действие одного элемента существенно влияет на действие другого элемента, от этого взаимодействия элементов и зависит, какой силуэт будет обеспечивать наибольшую эффективность движения. При прерывистом плавании взаимодействие между элементами сведено до минимума, и усиление тяги определяется высоким силуэтом рыбы.

У таких рыб, как камбала и бычок-подкаменщик, очень высокое тело и серединный плавник, для них чаще всего характерно прерывистое плавание.

Эффективность движения, обусловленная определенной формой тела, зависит не только от силы тяги, но и от равновесия между ней и гидродинамическим сопротивлением:

F тяги = F con

Для прерывистого плавания характерно большое ускорение (a), и F возникает в основном

con

из-за инерции ( F ~ I) ). Ее можно свести к минимуму путем уменьшения, насколько это воз-

con

можно, немышечной массы тела. У рыб, которым свойственно прерывистое плавание, скелетная мускулатура может составлять 60% массы тела [1].

«Специалист» в бросковом плавании - щука. Форма ее тела обеспечивает малое гидродинамическое сопротивление. Мышцы составляют 55-60% массы тела. Однако щука не обладает формой тела, оптимальной для прерывистого плавания, силуэт у нее высокий только в хвостовой части тела, а ближе к голове он низкий. Максимальная тяга при внезапном броске достигается при высоком силуэте всего тела, а низкий силуэт головной части щуки должен мешать ей при ловле мелкой рыбы. Было установлено, что рыбы, являющиеся жертвами хищников, слабее реагировали на щуку, чем на других хищников: в 70-80% случаев щука хватала рыбу еще до того, как жертва проявляла реакцию бегства. Мелкие рыбы были более расторопны при спасении от других хищников - только 80% случаев нападения окуней были успешными.

Различие в порогах реакции у рыб-жертв по отношению к хищнику связано в основном с формой поперечного сечения его тела, на которую реагируют жертвы, когда хищник на них нападает. Поперечное сечение судака, окуня приближается к вытянутому по вертикали эллипсу, а рыбы-жертвы очень чувствительны к такой форме. У щуки же поперечное сечение головной части ближе к кругу, поскольку ее спинные плавники расположены ближе к хвосту. Таким образом, требование оптимальной формы, отвечающей локомоторной, у щуки отчасти отступает в связи с реакцией ее жертв [1].

У рыб, приспособленных к непрерывному плаванию, взаимодействие между их телом и окружающей средой совершенно по-иному повлияло на оптимальную для них форму тела и плавников, чем у щуки. При крейсерском и спринтерском плавании движения, создающие тягу, повторяются циклически. Из-за этих повторяющихся движений непрерывное плавание можно рассматривать как периодическое проталкивание. При крейсерском движении в определенном направлении с достаточно высокой постоянной скоростью (тунцы, макрели и т. д.) и спринтерском движении с ускорением на короткие дистанции (многие речные рыбы) амплитуда ударов хвоста меньше, чем при прерывистом плавании. Хвост редко перемещается на расстояние, превышающее 20% длины тела, что делает возможным прохождение по телу большего числа локомоторных волн. При поступательном движении на воду, которой сообщено ускорение одним пропульсивным элементом, влияет также элемент, расположенный за ним. Скорость движения задних частей тела больше, чем передних, и, чем ближе к хвосту, тем больше каудальное отклонение пропульсивных элементов. Поэтому каждый задний элемент увеличивает ускорение, сообщенное воде расположенным впереди элементом. При периодическом поступательном движении происходит взаимодействие пропульсивных элементов, и последний хвостовой элемент определяет «чистое» ускорение, сообщаемое воде. У большинства рыб движение задней кромки определяет также величину конечной присоединенной массы. Таким образом, задней кромке хвоста принадлежит наиболее важная роль в создании тяги. Это значит, что кончик хвоста должен быть как можно шире в вертикальном направлении. В связи с большим значением задних пропульсивных элементов при непрерывном плавании может создаться впечатление, что оптимальная форма тела у рыб, проводящих большую часть времени в крейсерском плавании, должна включать высокий силуэт задней части тела - похожий на силуэт задней части тела щуки. Однако по ряду причин этого не происходит. Можно показать, что оптимальная форма тела для периодического плавания предполагает утончение тела перед хвостом с образованием узкой хвостовой части (стебля), к которой прикреплен хвост. Эта особенность характерна для рыб, проводящих большую часть жизни в крейсерском плавании.

Тонкий хвостовой стебель

Одно из его преимуществ связано с боковой силой - той составляющей силы реакции которая не участвует в движении вперед, а разворачивает рыбу. Боковая сила (стремится вызвать боковое отклонение передней части тела рыбы или ее колебательные движения (рис. 1). При периодическом плавании из-за боковой силы расходуется большое количество энергии. Если бы все пропульсивные элементы были одинаковой высоты, боковая сила (была бы максимальной у задних элементов тела. С уменьшением высоты тела перед хвостом величина боковой силы уменьшается.

Увеличение массы головной части тела по II закону Ньютона тоже влечет за собой подавление боковых колебательных движений. Сопротивление передней части тела действию боковой силы увеличивается также с помощью плавника, расположенного на верхней поверхности тела; отсюда становится понятным присутствие передних серединных плавников.

Тонкий стебель помогает снизить гидродинамическое сопротивление. Оно зависит от степени возмущения среды (число Рейнольдса - Яв). Наибольшая степень возмущения находится в пограничном слое [2]. Сопротивление вооы, обусловленное ее вязкостью (п), пропорционально площади поверхности (5) и квадрату ее скорости (и ):

¥=фи2

Продвижение, вызванное изгибанием тела, увеличивает сопротивление воды, поскольку при движении пропульсивных элементов увеличивается их скорость относительно окружающей жидкости. Кроме того, движения рыбы изменяют локальный характер течения и увеличивают возмущение воды, что ведет к возрастанию силы трения.

Уменьшение сопротивления воды

В результате перечисленных выше сил хвостовая часть гибкого объекта (рыбы) испытывает сопротивление на порядок больше, чем сопротивление движению неизгибающегося объекта. Общее же сопротивление, испытываемое телом рыбы при ее движении, в среднем в 2-4 раза больше, чем в случае неизги-бающегося тела. Сопротивление воды уменьшается при уменьшении площади движущегося тела. Это уменьшение особенно велико, если площадь тела уменьшается непосредственно перед хвостом, поскольку

именно в этом месте возникает сопротивление движению тела [4]. Вот почему и нужен тонкий хвостовой стебель. Узкая хвостовая часть делает возможной меньшую подвижность передней части тела и способствует созданию обтекаемой веретенообразной формы тела, что также уменьшает сопротивление воды.

Теперь можно представить себе оптимальную форму тела рыб, использующих непрерывное плавание. Эта форма представляет собой жесткое тело, к которому с помощью тонкого хвостового стебля прикреплен высокий узкий хвост. Само тело имеет веретенообразную форму: наибольшая высота находится в области между третью и половиной расстояния от головы до хвоста, и оно постепенно сужается к хвосту. Форма тела тунца в наибольшей степени приближается к оптимальной для непрерывного плавания (рис. 4).

Среди рыб, образ жизни которых связан с крейсерским плаванием, существуют отклонения от оптимальной для этого типа плавания формы тела. Наиболее заметны они у акул. Эти различия в форме тела обусловлены разницей в характере плавания. Плавательные движения, типичные для акул, больше похожи на движение угрей (рис. 2), чем тунцов. Однако тело акулы по форме ближе к веретенообразному, чем тело угря. Но у угря отсутствуют хорошо развитые серединные плавники, тогда как у акулы их несколько и они довольно велики. У акул есть большой серединный плавник и чуть меньший по размеру задний. Спинные плавники разделены значительными промежутками. При свойственных акуле плавательных движениях промежутки между серединными плавниками имеют большое значение с точки зрения механики. Это связано с тем, что плавник с острым задним краем создает позади себя струю. Более того, из-за периодических движений при непрерывном плавании эта струя приобретает синусоидальный характер.

Плавники акулы

Движение всех пропульсивных элементов и тела рыбы целиком (угорь, форель и др.) можно описать уравнениями гармонических колебаний.

Рассмотрим струю, создаваемую плавником акулы, при условии, что он имеет ту же скорость, что и рыба, и направление его движения совпадает с направлением ее движения. В этом случае струя будет направлена к хвосту. Скорость струи по отношению к рыбе будет равна скорости рыбы. Локомоторная волна также движется по направлению к хвосту рыбы, однако скорость этой волны больше, чем скорость движения рыбы. Поскольку локомоторная волна движется быстрее, чем струя, создаваемая плавником, существует разность фаз между синусоидами, характеризующими эти движения. Возникают два гармонических колебания одинакового направления, мало отличающихся по частоте. Результирующие колебания при этих условиях можно рассматривать как гармоническое колебание с пульсирующей амплитудой:

x1 = axcosaxt, x2 = a2 cosa21,

L Aa ^

x = x1 + x2 =1 2acos—— t I• cosat,

где a1, a2 - частота колебаний; a2 = a1 + Aa , причем Aa << ax. Амплитуды ax и a2 приблизительно одинаковые [4].

Результирующая амплитуда (множитель 2a cos —^ t) влияет и на фазу колебаний. Это проявляется в том, что отклонение соответствующих соседних максимумов (пропульсивных элементов) имеют противоположные знаки.

Если рыба плывет с постоянной скоростью, разность фаз будет постоянной в любой точке течения сзади ее плавника. Из этого следует, что в таком случае будет действовать постоянная толкающая сила.

Рассмотрим второй плавник, находящийся ближе к хвосту, чем первый. Если возле него разность фаз между локомоторной волной и струей, создаваемой первым плавником, «правильная», то всякий раз, когда второй плавник начинает двигаться наружу, струя начинает двигаться внутрь. В таком случае сила толчка, возникающая в результате движения второго плавника, значительно увеличивается. Это можно сравнить с следующей ситуацией: человек толкает вращающуюся дверь в тот самый момент, когда ее открывают с другой стороны (знаки моментов сил противоположны).

Оказывается, минимальная разность фаз, необходимая для описанного усиления тяги, равна 90°. Из

экспериментов с акулами (Р. Кейс, П. У. Уэбб) установлено, что для их плавания взаимодействие переднего и заднего плавников ведет к усилению тяги [4].

Одна из причин того, почему в основе плавания акул лежит механизм усиления тяги, а не форма тела, как у тунца, связана со строением скелета акулы. У акул не костный, а хрящевой скелет. Хрящевые элементы не могут выдерживать таких изгибов тела, какие выдерживает костный скелет. Это одна из причин, почему акулы не могут плавать так же быстро, как тунцы.

Морфофункциональные различия между акулами и тунцами отражают глубокие экологические различия между этими двумя группами рыб. Как утверждает Дж. Катчелл, тунцы расходуют много энергии, плавая с большой скоростью и преодолевая большие расстояния. Эта возможность обеспечивается эндотермией - внутренней регуляцией температуры тела. В свою очередь, продолжительное плавание и эндотермия требуют постоянного пополнения энергии за счет пищи; вот почему тунцы носятся по океану в постоянных поисках пищи.

Акулы: накопление энергии

Акулы тратят энергию очень экономно. Энергия на непосредственное движение практически не расходуется.

Так, энергия двух пропульсивных элементов [4]:

Следовательно, полная энергия соседних пропульсивных элементов остается постоянной и переходит от одного элемента к другому с частотой биений. Это подтверждается и биологией акул. Эндотермия встречается у акул очень редко. В то же время уровень обмена у них очень низкий в сравнении с большинством других рыб. Часто акулы останавливаются и отдыхают на дне. Их низкие энергетические возможности позволяют им пассивно дожидаться случайной добычи и пользоваться разнообразными источниками пищи. Два различных пути накопления и расходования энергии - по типу тунцов и по типу акул - определяют строение и поведение животных во всем животном царстве.

Плавание, основанное на волнообразных движениях тела и хвостового плавника, наиболее хорошо исследовано. У многих рыб в основе плавания лежат не движения тела, а колебательные движения плавников. Такой тип плавания характерен для рыб, которые в поисках пищи используют точное маневрирование на малых скоростях.

Плавание, основанное на колебательных движениях плавников, не так хорошо изучено, как плавание с помощью волнообразных движений тела. Р. Блейк [1] предложил два механизма, обеспечивающих колебательные движения плавников. Эти механизмы можно назвать весельным и крыловым. Пары плавников, функционирующих по тому или иному механизму, находятся по сторонам тела рыбы и обычно действуют синхронно. Однако производимые ими движения различны.

Плавники, работающие по весельному принципу, двигаются по горизонтальной плоскости вперед и назад, чередуя мощный взмах с возвратом в исходное положение. При взмахе плавник движется против направления движения рыбы. Лопасть плавника перпендикулярна направлению движения, причем мах плавника происходит быстрее, чем плывет сама рыба. При возвращении в исходное положение плавник движется в том же направлении, что и рыба. Мощный взмах создает большую силу, направленную так, чтобы подтолкнуть рыбу в нужном направлении. При возвратном движении плавника толчка не возникает, а его лопасть увеличивает сопротивление, препятствующее продвижению рыбы в толще воды. Последний эффект сводится к минимуму благодаря сплющиванию лопасти плавника и ее расположению параллельно току воды.

Форма плавника определяет силу толчка, производимого его лопастью. Плавник разделен на узкие полоски, подобные пропульсивным элементам, используемым при волнообразном движении. Вклад каждого элемента лопасти и плавника в силу толчка пропорционален площади элемента и

Разность энергий:

Отсюда следует:

Еа = — Е[1 + соб^ - а>2))], Еъ = — Е[1 - СОБ^ - а>2))].

1 2

2

1

квадрату его относительной скорости (и относительная скорость рыбы).

Элементы плавника, наиболее удаленные от тела (находящиеся у конца лопасти), проходят при взмахе наибольшее расстояние. Именно эти элементы определяют силу толчка. Элементы, близкие к основанию плавника, движутся так медленно, что скорее препятствуют движению рыбы, а не помогают ему. Поэтому оптимальная форма плавника, работающего, как весло, это треугольник с вершиной у основания плавника.

Плавники типа крыльев

В то время как лодка движется вперед, благодаря равнодействующей силы тяги и силы сопротивления воды, крыло самолета поднимает его в воздух за счет подъемной силы, которая тоже является равнодействующей (рис. 7).

F

под

R

Рис. 7. Возникновение подъемной силы

R - полная аэродинамическая сила, Гпод - подъемная сила,

Fcom - сила лобового сопротивления, а - угол атаки.

Из-за различия в движущих силах различны и очертания плавников, работающих на основе того или иного механизма. При движении веслообразного плавника толчок создается в той же плоскости, в какой движется лопасть плавника. А подъемная сила направлена перпендикулярно ей: когда самолет находится в воздухе, подъемная сила направлена вертикально, хотя крыло движется в горизонтальной плоскости.

Поэтому, чтобы рыба могла продвигаться вперед, плавник, создающий подъемную силу, должен двигаться вниз и вверх в плоскости, почти перпендикулярной продольной оси тела (а ~ 0). Поскольку подъемная сила направлена под прямым углом к плоскости лопасти плавника, нет необходимости в движении, возвращающем лопасть в исходное положение. Плавник-«крыло» создает подъемную силу и при взмахе вверх, и при взмахе вниз.

Как и сила сопротивления, подъемная сила пропорциональна площади плавника (S) и квадрату скорости его движения

Fпод= S и2 .

Однако в силу анатомических особенностей плавника F может быть на порядок больше F ,

-L под -L conp

создаваемой плавником с той же площадью лопасти. В результате сила и продолжительность толчка, производимого плавниками за счет силы тяги, больше, чем сила толчка, производимого плавниками за счет силы сопротивления. Поэтому наиболее быстрые пловцы среди рыб, использующие колебательные движения плавников, имеют плавники, работающие наподобие крыльев; к ним относятся дитрема, губаны и рыба-луна. В отличие от веслообразных плавников крылообразные плавники располагаются не только по бокам тела, но и на его спинной и брюшной поверхности.

Плавники, создающие подъемную силу, имеют форму, отличную от формы плавников, создающих силу сопротивления. Одна из причин этого связана с необходимостью уменьшить завихрение воды, возникающее вокруг вершины плавника. Такое же явление наблюдается при полете самолета, когда

вокруг вершины его крыла образуется завихрение воздуха (циркуляция). Через циркуляцию вокруг крыла, по теории Н. Е. Жуковского, можно определить величину подъемной силы.

Р = Геру,

где: Г - циркуляция скорости, в - длина хорды крыла,

р - плотность жидкости, V - скорость потока.

В обоих случаях завихрение ведет к уменьшению подъемной силы и к увеличению сопротивления.

У крыла самолета завихрение уменьшают, делая сужение к его задней кромке. Крыло сужается по всей длине от основания к вершине. Однако для плавника это не годится, поскольку он должен быть узким уже у основания, иначе не может свободно перемещаться. Поэтому плавники, создающие подъемную силу, имеют форму, близкую к ромбовидной, с сужениями на внутреннем и наружном концах.

Плавники, создающие колебательные или волнообразные движения, служат для медленного плавания и маневрирования. Плавники, обеспечивающие возможность такого плавания, должны быть способными к изгибанию и вращению в разных направлениях. Рыбы, которые могут передвигаться в геометрически сложных местах обитания, обладают уплощенным с боков телом, имеющим форму диска или ромба.

Подобная форма обеспечивает наименьшее сопротивление вращению в серединной вертикальной плоскости тела. Таким образом, плавники, за счет которых происходит движение, распределены вокруг центра масс тела, в результате бросок может быть направлен в любую сторону (рыба-бабочка) (рис. 5).

Анализ трех основных типов формы тела у рыб, приспособленных для прерывистого и маневренного плавания, приводит к важному заключению: сочетание черт строения, оптимальных для различных типов плавания, у одного вида рыб невозможно. Это принцип взаимоисключения оптимальных форм.

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что элементы формы тела, отвечающие условиям прерывистого плавания и периодического плавания, исключают друг друга. Резонно предположить, что в теле рыбы, строение которой оптимально для маневрирования, не может быть элементов, оптимальных для броскового плавания или для спринтерского или крейсерского плавания. Например, короткое тело рыбы-бабочки не дает возможности для развития мышечной массы, а значительная немышечная масса неудобна для быстрого старта. Кроме того, такое строение тела затрудняет движения с большой амплитудой, необходимые для быстрого ускорения.

В то же время рыбы, у которых плавание обеспечивается движением тела и хвостового плавника, плохо справляются с медленным плаванием и маневрированием. Они имеют жесткие плавники, служащие килями и обеспечивающие устойчивое положение тела, и рули глубины, контролирующие глубину погружения (рис. 4). Жесткие плавники малопригодны для точного броска, требующегося при маневрировании на малой скорости. Удлиненное тело «специалистов» прерывистого плавания мешает им занимать геометрически сложно обустроенные местообитания.

Функционально-морфологическая плоскостная модель

У рыб существуют три основные взаимоисключающие формы тела, оптимальные для разных типов плавания. У большинства рыб локомоторный аппарат состоит из комбинаций элементов, характерных для специализированных форм. Поэтому с точки зрения локомоторных приспособлений большинство рыб относится к «генералистам», нежели «специалистам».

Несмотря на то, что лишь немногие рыбы имеют форму тела, близкую к оптимальной для определенного типа плавания, принцип трех основных форм не нарушается. Все морфофункциональные варианты локомоторного аппарата рыб заключены в фигуру, имеющую вид треугольника, вершины которого соответствуют трем основным формам тела. Большинство рыб находит свое место на этой фигуре, определяемое сочетанием элементов специализированных форм, свойственным данному виду (рис. 8).

Крейсирование Маневрирование

Рис. 8.

Свойства «генералистов»

Сегменты треугольника соответствуют группам рыб с различными локомоторными особенностями, которые составляют некий континуум, основанный на различии в характере используемых ресурсов. Одна из них - успешность нападения на жертву. Тунец, занимающий левый угол треугольника, ловит 1015% рыб, на которых он нападает. Это связано с тем, что форма тела тунца, очень эффективная для крейсерского плавания, ограничивает способность рыбы к броску и маневрированию. Однако при длительном плавании с большой скоростью тунец может встретить больше потенциальных жертв и совершить больше нападений.

Рыбы, сходные по форме тела с щукой, находящейся в верхнем углу треугольника, ловят 70-80% рыб, на которых они нападают. Поскольку щука не способна к длительному крейсированию, она вынуждена подстерегать добычу, и число встреч с жертвами у нее ограничено. Такие рыбы, как форель и окунь, занимают промежуточное положение по успешности нападений. Они ловят обычно 40-50% рыб, на которых нападают, и, будучи «генералистами», способны также к длительному плаванию в поисках добычи. Сочетание в форме тела различных элементов дает этим рыбам возможности для питания, близкие к тем, которые имеются у специалистов.

Биомеханический подход к биологии рыб проливает свет на те аспекты их жизни, которые не могут быть понятны с помощью других методов изучения. С помощью этого метода становится возможным сопоставление точно измеренных характеристик поведения рыб с типом их плавания и образом жизни. Такая модель открывает пути получения новых данных. Общее значение полученных результатов показывает, какую роль может сыграть биомеханика в решении фундаментальных биологических проблем.

Функционально-морфологическая плоскостная модель типов плавания рыб

Рыбы, занимающие углы треугольника, специализированы для какого-то одного типа плавания: тунец - для непрерывного плавания; щука - для броска, обеспечивающего нападение на жертву;

рыба-бабочка - для медленного маневрирования среди коралловых рифов. Такие «специалисты» мало приспособлены к другим типам плавания. Дитрема (центр треугольника) относится к «генералистам». Она может делать броски, длительно плавать и маневрировать, но во всех типах плавания она не так искусна, как «специалисты». Между центром треугольника и его углами располагаются рыбы, более специализированные, чем дитрема, но менее, чем тунец, щука или рыба-бабочка.

РИС. 1. Тяга создается движением пропульсивных элементов - мелких сегментов тела рыбы. На рисунке показаны силы, действующие в случае двух таких элементов. При прохождении по телу локомоторной волны каждый элемент двигается в сторону и сообщает некоторое ускорение прилежащей к нему массе воды. Когда элемент отклоняется по направлению к хвосту, вода получает ускорение в том же направлении. Перпендикулярная сила, равная силе, оказывающей давление на воду и противоположная ей по направлению, давит на пропульсивный элемент. В этой силе две соответствующие: ]ч1 - перпендикулярная движению рыбы, и ]7Д - сила толчка (тяга), параллельная направлению движения. За счет тяги, возникающей в результате движения всех пропульсивных элементов, рыба плывет вперед. Величина тяги, создаваемая одним элементом, увеличивается по направлению к хвосту.

РИС. 2. Тело угря при крейсировании движется сквозь толщу воды, изгибаясь больше, чем на полную длину одной волны. Здесь показано положение центральной линии тела рыбы во время поступательного движения. Во всех случаях вдоль тела проходит локомоторная волна со скоростью более высокой, чем скорость рыбы относительно воды. При периодическом перемещении все движения носят циклический характер (по Дж. Грэю).

РИС. 3. Тело форели при броске изгибается не на полную длину волны. При таком прерывистом плавании общее поступательное движение не носит циклического характера. При прерывистом плавании пропульсивные движения наибольшие и кратковременные (по Дж. Грэю).

РИС. 4. Полосатый тунец - пловец крейсерского типа, форма его тела идеальна для длительного плавания. У него жесткое тело обтекаемой формы. Высокий и узкий хвостовой плавник создает сильную тягу. Хвостовой плавник присоединен к телу тонким хвостовым стеблем. Такое строение тела обеспечивает максимальный по силе толчок и небольшое сопротивление воды.

РИС. 5. Рыба-бабочка имеет форму, оптимальную для маневрирования на малых скоростях. Колеблющиеся плавники, создающие движущую силу, распределены вокруг центра масс тела так, что рыба может совершать небольшие точные перемещения в любой плоскости.

РИС. 6. Щука специализирована для броскового плавания, форма ее тела обеспечивает минимальное сопротивление движению. При прерывистом плавании сопротивление создается в основном из-за инерции. Высокий силуэт тела около хвоста обеспечивает сильный толчок при броске на добычу. Круглое поперечное сечение тела около головы дает щукам преимущество, поскольку рыбы-жертвы слабо реагируют на такие очертания.

Выводы

1. Рассмотрено морфологическое строение тела и плавников рыб и влияние его на гидродинамику плавания.

2. Рассмотрено возникновение силы тяги, накопления энергии на примере акул и ее связь со строением тела.

3. Рассмотрен принцип взаимоисключения оптимальных форм: сочетание морфологических черт, оптимальных для различных типов плавания, у одного вида рыб невозможно.

4. Приведена функционально-морфологическая плоскостная модель, различающая оптимальные для разных форм тела и плавников типы плавания.

5. С помощью биомеханических методов можно сопоставлять характеристики поведения рыб с типом их плавания и образом жизни.

Библиографический список

1. Аминева, В.А., Яржомбек, А.А. Физиология рыб [Текст] / В.А. Аминева, А.А. Яржомбек. - М. : Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 200 с.

2. Голубева, О.В. Курс механики сплошных сред [Текст] / О.В. Голубева. - М. : Высшая школа. - 1972. -368 с.

3. Крауфорд, Ф. Волны [Текст] : [пер. с англ.] / Ф. Крауфорд. - М. : Наука, 1974. - 527 с.

4. Уэбб, П. У. Корреляция между формой и функцией плавания у рыб [Текст] / П. У. Уэбб // В мире науки. - 1984. - № 9. - С. 34-48.

cyberleninka.ru

4. Структура и содержание дисциплины «плавание»

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов.

№ п/п	Раздел дисциплины	Семестр	Неделя семестра	Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)	Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Форма промежуточной аттестации (по семестрам)
1.	Теоретический раздел	2	1-8	Лекции (16) Самостоятельная работа (16)	Формы текущего контроля успеваемости: тестирование, устный опрос Форма промежуточной аттестации: зачет
2.	Практический раздел	2	1-17	Практические занятия (40) Самостоятельная работа (32)	Формы текущего контроля успеваемости: сдача контрольных и промежуточных нормативов Форма промежуточной аттестации: зачет

5. Образовательные технологии

Темы теоретических занятий и их содержание

1. История развития плавания.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В РАЗВИТИИ ПЛАВАНИЯ

Исторические факты и основные этапы развития плавания. Применение плавания в древние времена. Плавание в Древней Греции. Плавание как массовый вид спорта у древних славян. Значение плавания в XVI – XVIII веках. Чемпионаты мира по плаванию. Плавание на олимпийских играх.

Плавание как жизненно необходимый навык. Плавание как двигательное действие. Оздоровительное значение плавания. Профессионально-прикладное плавание. Плавание как средство физического воспитания и спортивной тренировки.

Спортивное плавание и водные виды спорта. Оздоровительно-реабилитационное плавание. Зрелищно-театрализованные мероприятия и праздники на воде.

2. Биомеханические основы техники плавания

Понятие о технике плавания. Физические свойства воды: вязкость воды; плотность воды; удельный вес воды; сжимаемость воды; общий центр тяжести пловца в воде. Гидростатическое равновесие тела пловца. Силы реакции воды при движении тела. Силы, тормозящие продвижение тела пловца (угол атаки; сопротивление трения; сопротивление волнообразования; сопротивление формы). Общие требования к рациональной технике плавания: положение тела пловца в воде; движения ногами и руками в воде).

Основные понятия и закономерности гидродинамики: принцип обращения движения; линия тока; уравнение неразрывности струи; статическое давление воды; динамическая опора; закон Бернулли; сила реакции воды.

3. Техника плавания способами кроль на груди и кроль на спине

Развитие техники плавания способами кроль на груди и кроль на спине. Общая характеристика способа плавания кроль на груди. Положение тела, фазовая структура движений ног и рук. Механизм гребковых движений рук и ног. Схема последовательности методики обучения способу кроль на груди. Общая характеристика способа плавания кроль на спине. Положение тела, фазовая структура движений ног и рук. Механизм гребковых движений рук и ног. Схема последовательности методики обучения способу кроль на спине.

4. Средства и методы обучения и тренировки

Методы и средства обучения. Организация процесса обучения. Факторы, определяющие программу обучения плаванию: задачи; продолжительность курса; контингент занимающихся.

Основные понятия спортивной тренировки и ее задачи. Особенности телосложения пловца и значимость развития основных физических качеств для достижения высоких спортивных результатов. Основные средства тренировки в плавании. Основные методы тренировки в спортивном плавании и их варианты. Модельные характеристики юного пловца в зависимости от факторов, определяющих спортивные достижения. Планирование и организация начальной тренировки. Этап предварительной спортивной тренировки. Этап базовой подготовки. Техническая и тактическая подготовка пловца. Планирование тренировочной деятельности. Контроль и самоконтроль.

studfiles.net

Биомеханический анализ стартового прыжка в плавании вольным стилем с использованием эффекта кавитации Текст научной статьи по специальности «Физическая культура и спорт»

Вестник КемГУ

№ 2

2008

Физкультура и спорт

УДК 37.037

БИОМЕХАНИЧЕСКИИ АНАЛИЗ СТАРТОВОГО ПРЫЖКА В ПЛАВАНИИ ВОЛЬНЫМ СТИЛЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА КАВИТАЦИИ

Р. С. Жуков, Д. М. Дмитриев, А. Н. Волков

Плавание - один из наиболее массовых и популярных видов спорта, он включает шесть дисциплин - плавание вольным стилем, брассом, на спине, баттерфляем, комплексное плавание, эстафеты. Плавание является вторым после легкой атлетики видом спорта по количеству разыгрываемых медалей на Олимпийских играх.

Подготовка пловцов высокого класса, способных устанавливать мировые рекорды, добиваться побед в крупнейших соревнованиях, ведется во многих странах мира. Только в течение последнего десятилетия чемпионами Игр Олимпиад и мира становились пловцы из США, Австралии, России, Германии, Китая, Украины, Венгрии, Ирландии, ЮАР, Финляндии, Канады, Испании, Японии, Новой Зеландии, Бельгии, Коста-Рики, Польши, Швеции, Нидерландов, Франции [3,10].

Наиболее существенное дополнение к программе соревнований по плаванию последних лет -«сверхкороткий» спринт («суперспринт»). Он существенно повысил зрелищность состязаний пловцов, расширил круг болельщиков, в том числе и телевизионных. Дистанция 50 метров собирает наиболее атлетичных спортсменов. Для нее характерна острейшая, подчас драматичная борьба. Малейшая оплошность на старте или на финише исключает возможность успеха: пловцов на финише разделяют, как правило, тысячные доли секунды. Какова же их цена? Вспомним финальный заплыв на Играх Олимпиады 1996 года в Атланте. На трибуне - Президент США Билл Клинтон, он лично собирается вручить миллион долларов американскому спортсмену, если тот победит на этой самой престижной сверхкороткой дистанции. Золотую же медаль выигрывает российский пловец Александр Попов [2].

Уже одного этого факта достаточно, чтобы убедиться, сколь высока конкуренция и сколь эффективной должна быть методика подготовки пловцов-спринтеров, которая позволила бы им включиться в борьбу за мировые рекорды, победы в Играх Олимпиад, чемпионатах мира и Европы. С каждым годом эффективность подготовки пловцов все в большей мере определяется уровнем знаний тренеров, владением ими тонкостями технического, тактического, функционального и психологического совершенствования спортсменов.

Старт пловца является предметом пристального внимания отечественных и зарубежных специалистов на протяжении многих лет, и это не случайно. В настоящее время на международной арене значительно возросла конкуренция, иногда победителя от преследователей разделяют сотые доли секунды. Тогда как хорошо выполненный старт может принести пловцу уже в начале дистанции выигрыш до

0,5 с, что в условиях острой конкуренции может сыграть решающую роль в достижении победы [1, 10].

Как показывает анализ научно-методической литературы, стартовая подготовка остается одной из актуальных проблем современного спортивного плавания.

Во-первых, в тренировочном процессе пловца зачастую используется недостаточно эффективных средств, способствующих совершенствованию стартового прыжка.

Во-вторых, большие объемы и интенсивность тренировочного процесса (на всех этапах и периодах подготовки) не оставляют места для акцентированной стартовой подготовки пловцов.

В-третьих, отсутствие должного внимания стартовым движениям приводит к тому, что на тренировочных занятиях спортсмены проплывают даже соревновательную дистанцию не со старта, а оттолкнувшись от бортика бассейна.

Сегодня по технике старта спортсмены и тренеры не имеют экспериментально обоснованных модельных характеристик всех фаз и элементов техники старта. Нет данных о пространственных, временных, силовых и других параметрах старта пловцов различной спортивной квалификации. Все это приводит к тому, что уже в начальном периоде обучения процесс овладения техникой старта проходит без конкретных рекомендаций и указаний со стороны тренера. Разработка экспериментально обоснованной системы модельных характеристик, предназначенных для обучения и совершенствования техники старта, является крайне необходимой задачей.

В структуре стартового прыжка имеют место элементы, фазы, движения, которые требуют расширения арсенала различных прыжковых упражнений, уточнений и экспериментального обоснования новых, так называемых нетрадиционных, средств и методов спортивной тренировки, определяющих двигательный эффект всего комплекса стартового прыжка. Однако именно такого подхода при обучении старту в практике зачастую не наблюдается [3, 9, 10]. Таким образом, предпринятая попытка исследования возможности снижения потерь скорости в подводной части старта и внедрение результатов в тренировочный процесс представляется весьма актуальной.

В связи с этим цель нашего исследования - теоретическое и экспериментальное обоснование эффективности использования эффекта кавитации при выполнении старта пловцов-спринтеров на современном этапе развития спортивного плавания.

Задачи исследования:

|| Вестник КемГУ

1) изучить научно-методическую литературу по исследованию эффекта кавитации при старте плов-цов-спринтеров;

2) экспериментально оценить эффективность применения «горизонтального» старта. Определить глубину выполнения подводной части старта, при которой эффект кавитации максимальный.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: анализ и обобщение данных научно-методической литературы, педагогический эксперимент, педагогические контрольные испытания (тестирования), педагогические наблюдения, хронометрия, подводная видеосъемка, методы математической статистики.

Анализ специальной литературы по гидродинамике показывает, что движущееся в водной среде тело испытывает сопротивление трения, формы и волновое сопротивление. Известны следующие методы снижения сопротивления трения: замена при данном числе Рейнольдса (Яе) турбулентного течения в пограничном слое ламинарным (ламинариза-ция потока), для которого характерно меньшее сопротивление трения, изменение физических свойств жидкости и поверхности обтекаемого тела; уменьшение смоченных поверхностей [6]. Физический смысл числа Re заключается в том, что числитель представляет собой интенсивность движения всего объёма жидкости, а знаменатель - темп теплового движения. При равенстве скоростей наблюдается ламинарное движение жидкости, а при превышении местных скоростей над переносной жидкость двигается турбулентным режимом [5].

Обратный эффект к турбулентности называется кавитация. При кавитации в толще жидкости появляются пустоты. Это поток, который ещё «лами-нарнее» ламинарного потока. Существует три режима движения жидкости: турбулентный, ламинарный и режим кавитации. Качественное различие между режимами заключается в отношении скорости движения молекул жидкости к скорости движения всего объёма жидкости. При равенстве этих скоростей - ламинарный режим движения жидкости. При скорости движения молекул большей скорости движения объёма жидкости - турбулентный режим. При скорости молекул меньшей, чем скорость движения всего объёма, жидкости приходится разрывать молекулярные связи, образуются внутриводные полости-разрывы, это и есть т. н. кавитационный режим движения жидкости [7].

Уменьшение смоченной поверхности обтекаемого тела может достигаться благодаря формированию на его поверхности воздушной каверны (полости), или кавитационных пузырьков. Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения, и плотность ее потока нарушается. Гидродинамическая кавитация возникает в местах понижения давления вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся жидкости [8].

Физкультура и спорт

В области расположения каверны удается почти полностью устранить сопротивление трения. Этот принцип был положен в основу при разработке современных высокоскоростных торпед типа ракеты «Шквал», основа технологии которой основывается на использовании так называемой суперкавитации, когда движущийся предмет окружается облаком пузырьков, которые минимизируют площадь соприкосновения с водой и снижают трение [6].

В чистых жидкостях связь между молекулами является настолько прочной, что для ее разрыва, согласно теоретическим данным, необходимо было бы прикладывать растягивающие напряжения порядка нескольких тысяч килограммов на квадратный сантиметр. В реальных условиях для разрыва сплошности жидкости не нужно создавать больших растягивающих напряжений. В большинстве практически важных случаев разрыв часто возникает даже при положительных значениях давления в жидкости, близких к значениям ее насыщенных паров.

Основная причина большого снижения прочности - наличие в жидкости нерастворенных газов. Газовые включения при рассмотрении кавитационных процессов называют ядрами кавитации. Ядра в потоке кавитационных и гидродинамических труб могут быть значительно больших размеров вследствие роста мелких пузырьков за счет диффузии газа из окружающей жидкости. Хотя диффузия происходит медленно, пузырьки могут достигать значительных размеров, так как многократно проходят по замкнутому циклу через зону пониженного давления рабочих участков экспериментальных установок. За счет диффузии могут вырасти до больших размеров также пузырьки, продолжительное время находящиеся в зоне пониженного давления вблизи корпуса судна.

Для объяснения существования устойчивых ядер в виде свободных пузырьков газа, находящихся в жидкости, вводят гипотезы. Известно, что достаточно крупные пузырьки должны всплывать, а мелкие, участвующие в броуновском движении, вследствие больших сил поверхностного натяжения - растворяться. Чтобы выйти из этого затруднения, допускают существование оболочек из органических веществ, ослабляющих поверхностное натяжение на границе пузырька и препятствующих диффузии газа из пузырька в окружающую жидкость.

Наиболее аргументированной представляется гипотеза, высказанная Е. Н. Гарвеем и др., согласно которой включения нерастворенного газа концентрируются вблизи гидрофобных (не смачиваемых) поверхностей микротрещин твердых тел, а также микроскопического размера частиц, находящихся в жидкости во взвешенном состоянии. На рис. 1 схематически показано сечение микропоры и поверхности раздела между газом и жидкостью. Вследствие того, что граница раздела выпуклостью обращена в сторону газовой полости, силы поверхностного натяжения направлены внутрь жидкости. Это приводит к снижению давления газа внутри полости по сравнению с давлением в жидкости и препятствует диф-

№ 2

2008

| Вестник КемГУ № 2 2008 Физкультура и спорт

фузии газа из полости внутрь жидкости, способствуя стабилизации ядра кавитации [4].

Рис. 1. Сечение микропоры

При быстром и большом по величине понижении давления устойчивое равновесие пузырька может нарушиться, и тогда он будет расширяться очень быстро, взрывоподобно, достигая максимальной величины. Так как диффузия происходит медленно, лишь небольшое количество газа из окружающей жидкости попадает внутрь пузырька, поэтому каверна, достигшая максимального размера, заполнена в основном паром жидкости.

Характер развития кавитации существенным образом зависит не только от наличия ядер кавитации, но и от картины распределения давлений и скоростей в потоке, обтекающем тело. Первые вспышки кавитации, под которыми подразумевается рост ядер до видимых невооруженным глазом размеров, наблюдаются, как правило, в тех областях потока, где давление минимально. Эти области находятся на поверхности тела или внутри потока в ядрах вихрей. Последние появляются при отрыве пограничного слоя от острых кромок и в местах больших положительных градиентов давления на теле. Одним из наиболее характерных примеров таких вихрей являются вихри так называемой дорожки Кармана, которые отчетливо наблюдаются при обтекании цилиндра в направлении, перпендикулярном его оси. Вихри формируются за миделем цилиндра и относятся вниз по потоку [4].

Ряд исследований по применению искусственной каверны на днище транспортных судов также показали, что применение данного технического решения обеспечивает снижение сопротивления воды движению корпуса не менее чем на 18 % [6].

Проведенный анализ выполнения подводной части старта сильнейшими спортсменами, в том числе и на Чемпионате мира 2007 г. в Мельбурне, показал, что в момент входа рук в воду за кистью образуется большое количество пузырьков воздуха, которые обволакивают остальные части тела. Таким образом, эффект кавитации позволяет пловцу проскальзывать на воздушной подушке, снижая тем самым потери скорости в подводной части старта [6].

Влияние кавитационного эффекта оценивалось по скорости продвижения пловца в подводной части стартового прыжка и визуальной оценки отснятых кадров, включая и объем кавитационных пузырей.

Глубина погружения оценивалась по закрепленным меткам ко дну бассейна в виде воздушных шариков небольшого диаметра. Шарики устанавли-

вались на глубине 40, 60 и 80 см от поверхности воды.

Исследования проводились на базе плавательного бассейна ГУСК «Лазурный» г. Кемерово. В эксперименте участвовало 7 пловцов-спринтеров со спортивной квалификацией кандидат в мастера спорта. Все спортсмены-пловцы выполняли четыре попытки в каждом из двух вариантов стартового прыжка. Первый вариант - старт с куполообразной подводной траекторией (глубина погружения 80 -100 см). Второй вариант - старт с горизонтальной подводной траекторией (глубина погружения 40 - 60 см). Учитывалась и анализировалась лучшая попытка. Фиксировалось время от момента погружения головы пловца в воду до пересечения ногами пловца линии, находящейся на расстоянии 7,5 м от борта бассейна (время скольжения). Схематичное изображение траекторий различных вариантов старта показано на рис. 2, 3. Результаты тестирований представлены в табл. 1.

Рис. 2. Траектория старта пловца с куполообразной подводной траекторией скольжения

Рис. 3. Траектория старта пловца с плоской подводной траекторией скольжения

Анализируя результаты оценки времени прохождения подводной части старта пловца с различными траекториями движения, мы зафиксировали достоверные отличия между средними арифметическими значениями (ро<0,001). Таким образом, можно утверждать, что сокращение времени выполнения подводной части старта обусловлено кавитационным эффектом (вариант II) (табл. 1, рис. 4).

| Вестник КемГУ № 2 2008 Физкультура и спорт

Результаты тестирований показывают, что старт с горизонтальной траекторией в подводной части позволяет пловцу выполнить подводную часть старта на более высокой скорости, чем при куполообразной траектории.

Проведение подводной видеосъемки соответствовало всем биомеханическим требованиям для получения информации о технике выполнения стартовых прыжков. Анализ подводной части старта показал, что, если старт выполняется глубоким, с куполообразной подводной траекторией, то кавитационный эффект используется минимально, образующиеся пузырьки воздуха поднимаются к поверхности и в меньшей степени обволакивают переднюю поверхность тела спортсмена. При выполнении старта с переводом подводной траектории в горизонтальную, кавитационный эффект используется в большей степени, пловец проскальзывает на воздушной подушке, что позволяет пловцу выполнить подводную часть старта на более высокой скорости (рис. 5 - 8).

Таблица 1

Сравнительный анализ времени (с) проплывания в подводной части старта с использованием куполообразной подводной траектории (вариант 1) и горизонтальной траектории (вариант II)

№ пловца Вариант I Вариант II Лй лй

1 2,86 2,60 0,26 0,068

2 2,83 2,58 0,23 0,053

3 2,80 2,54 0,26 0,068

4 2,87 2,63 0,25 0,063

5 2,85 2,60 0,22 0,048

6 2,84 2,60 0,24 0,058

7 2,89 2,64 0,25 0,063

Х 2,85 2,60 0,24 0,06

5 0,03 0,03 0,02 0,01

р° <0,001

2,90

2,85

2,80

2,75

2,70

2,65

2,60

2,55

2,50

-2,45-

2,84

Рис. 4. Время выполнения подводной части старта при варианте №1 (куполообразный старт)

и варианте №2 (горизонтальный старт)

1

2

с

Как показал анализ научно-методической литературы, технические элементы при различных способах стартовых прыжков представлены в работах известных авторов с должным биомеханическим обоснованием. Но на сегодняшний день остается нерешенной проблема анализа новых эффективных элементов техники выполнения старта пловцов-спринтеров. Например, старта, основанного на использовании эффекта «мелкой воды». Использование подводной видеосъемки позволило определить временные и пространственные характеристики подводной части старта.

Таким образом, сравнение техники старта с переводом подводной траектории в куполообразную и горизонтальную показало, что кавитационный эффект используется более полно при «горизонтальном» старте. Экспериментально определены глубины выполнения старта, при котором кавитационный эффект максимален, данная глубина - 40 - 60 см. Экспериментально доказана эффективность «горизонтального» старта. Обозначенные положения хорошо согласуются с рекомендациями заслуженного тренера России Г. Г. Турецкого по повышению эф-

фективности выполнения старта, основанном на использовании эффекта «мелкой воды».

Среди упражнений, способствующих освоению наиболее эффективной траектории подводной части старта, можно рекомендовать пловцам выполнение старта с борта бассейна из исходного положения «с колена» (одна нога согнута в колене под углом 900, пальцы ноги на переднем крае борта, другая в упоре на колено). Глубина погружения должна поддерживаться на уровне 40-60 см, при этом необходимо обращать внимание на удачно выполненные старты и запоминание ощущений при подводном скольжении. При обучении старту бывает довольно сложно оценить глубину погружения и спортсмену, и тренеру. Для этих целей использовать воздушные шарики, закрепленные леской к грузу на дне бассейна. При отработке старта и в случае касания телом шариков, спортсмен, посредством обратной связи, корректирует глубину погружения.

| Вестник КемГУ № 2 2008 Физкультура и спорт

Рис. 5. Вход в воду (старт с горизонтальной подводной траекторией), глубина 40-60 см (эффект кавитации максимальный)

Рис. 6. Скольжение (старт с горизонтальной подводной траекторией), глубина 40-60 см (эффект кавитации максимальный)

Рис. 7. Вход в воду (старт с куполообразной подводной траекторией), глубина 80-100 см

Рис. 8. Скольжение (старт с куполообразной подводной траекторией), глубина 80-100 см

Литература

1. Булгакова, Н. Ж. Биомеханический анализ стартового прыжка в плавании / Н. Ж. Булгакова, В. М. Зациорский, Н. Н. Чаплинский, А. А. Дианов // Теория и практика физической культуры. - 1979. - № 4. - С. 12 - 16.

2. Викулов, А. Д. Спортивное плавание сегодня / А. Д. Викулов // Ярославский педагогический вестник. - 2001.

3. Викулов, А. Д. Плавание: учебное пособие для студентов высшего учебного заведения / А. Д. Викулов. - М.: Владос-пресс, 2004. - 367 с.

4. Иванов, А. Н. Гидродинамика развитых кавитационных течений / А. Н. Иванов. - Л.: Судостроение, 1980. - 324 с.

5. Кондратьев, А. Н. Три режима движения жидкости - ламинарный, турбулентный и кавитация / А. Н. Кондратьев: 11-я Международная научная конференция студентов «Актуальные проблемы современной науки». - 2001.

6. Петряев, А. В. Использование эффекта кавитации при выполнении старта в плавании / А. В. Петря-ев // Плавание: исследование, тренировка, гидрореабилитация. - СПб.: Плавин, - 2007. - С. 32 - 35.

7. Проблемы турбулентности: сб. статей. - М.; Л.: ОНТИ, 1976. - 332 с.

8. Рождественский, В. В. Кавитация / В. В. Рождественский. - Л.: Судостроение, 1977. - 248 с.

9. Хальянд, Р. Д. Модели выполнения стартов и поворотов / Р. Д. Хальянд // Теория и практика физической культуры. - 1988. - № 4. - С. 12 - 16.

10. Юхно, Ю. А. Биомеханический анализ техники выполнения стартовых движений высококвалифицированными спортсменами в плавании. Национальный университет физ. воспитания и спорта Украины / Ю. А. Юхно // Эл. ресурс. - Режим доступа: http://sportedu.ru/books/ ХХР1/2006п5/р6065.Йт.

cyberleninka.ru

Биомеханика и медицина в плавании

Биомеханика и медицина в плавании

Биомеханика и медицинское обеспечение спортивного плавания были основными темами симпозиума, который прошел в Осло, Норвегия (Biomechanics and Medicine in Swimming XI: the 2010 International Symposium in Midsummer, Oslo). Симпозиум проводился под эгидой норвежского Университета спорта (Norwegian Sport University) и Всемирной комиссии по спортивной науке (World Commission of Science and Sports). Основная задача этого мероприятия - популяризация достижений спортивной науки в спорте и преодоление разрыва между учеными и практиками.

На симпозиуме присутствовало более 300 делегатов (большинство из которых выступило, по крайней мере, хотя бы с одной презентацией), на пленарных заседаниях было заслушано 9 ключевых докладов ведущих специалистов,  представлено 125 стендовых докладов. Среди новых технологий и методов анализа можно упомянуть: модель распределения давления вдоль поверхности руки; определение активного сопротивления тела пловца на основе вычислительной гидродинамики; методика безмаркерного анализа видео записей; подавление воздушных пузырьков; анализ фронтальной площади поперечного сечения.

Рассматривались вопросы координации конечностей; новости в технике кроля и баттерфлая; особенности исполнения стартов и поворотов; новые подходы к распределению тренировочных нагрузок (сокращение их объема, ликвидация перетренированности, более тщательный контроль функционального состояния пловцов) и т.д. Среди тем, вызывавших повышенный интерес, можно отметить методику поиска и селекции талантов; технику мониторинга двигательной активности и разработку оптимальных траекторий; пути приобретения и развития навыков; экспресс-анализ лактата; оценка роли гидрокостюмов и проч. Следующий симпозиум состоится в 2014 году в Институте спорта г.Канберра, Австралия (Australian Institute of Sport in Canberra).

http://www.sportsci.org/2010/wghBMS.htm

sportfiction.ru

---

• 
  Какие углеводы являются полисахаридами
• 
  Состав сложных белков
• 
  Устройство смотровое
• 
  Биодека обслуживание
• 
  Где научиться плавать в гомеле
• 
  Какие печные колодцы лучше вертикальные или горизонтальные
• 
  Обогреватель из лампочки накаливания
• 
  В детский бассейн
• 
  Чтпз бассейн
• 
  Какой слив у биде
• 
  Что включает в себя турпоход гто