Сопротивление движению тел

Все силы, действующие на тело пловца при его движении в воде, можно разделить на внешние, возникающие вне тела при взаимодействии с внешней средой, и внутренние, к которым относятся мышечные силы. Перемещение может осуществляться только при взаимодействии внутренних и внешних сил.

Внешние силы. При неподвижном положении тела в воде на него действуют: гидростатическая выталкивающая сила и сила тяжести. При движении тела кроме гидростатической и выталкивающей силы и силы тяжести действуют сила лобового сопротивления (полная сила сопротивления), подъемная сила, сила тяги, топящая сила.

Сила лобового сопротивления (общее сопротивление) включает в себя: сопротивление формы, сопротивление трения, сопротивление волнообразования.

Сопротивление формы. При оценке техники плавания оно представляет наибольший интерес, т.к. на его долю приходится около 70% от общего сопротивления. Несмотря на то, что тело пловца с точки зрения гидромеханики относится к телам неправильной формы, все же, при определенных положениях туловища и конечностей, можно получить благоприятные условия для уменьшения сопротивления.

Наибольшее сопротивление в воде возникает при движении пластины плоскостью вперед, т.к. перед ней возникает повышенное давление воды, а за ней вода находится в разряженном состоянии. Разность давлений спереди пластины и сзади и энергия, расходуемая на образование вихревых потоков и определяет величину сопротивления. Величину сопротивления можно уменьшить, если улучшить условия обтекания пластины. Наименьшим сопротивлением обладают формы с овальной передней поверхностью и плавно уменьшающейся задней поверхностью тела.

Сопротивление трения. При движении тела в воде молекулы воды прилипают к нему и движутся со скоростью тела, увлекая за собой соседние слои. В результате этого вместе с телом перемещается значительная толщина окружающей воды. Она тем больше, чем больше скорость движения тела и вязкость окружающей жидкости. Слой воды, вовлекаемый в движение телом, носит название пограничного слоя. Внутри пограничного слоя могут иметь место ламинарный (частицы следуют по траекториям, представляющим собой плавные, лишь слегка изменяющиеся кривые) и турбулентный ( движения с хаотически переплетенными и быстро изменяющимися во времени траекториями, с поперечными и даже попятными по отношению к общему движению перемещениями отдельных малых объемов воды) режимы перемещения и течения жидкости. На величину силы трения влияют величина поверхности и степень шероховатости тела, скорость движения тела и характер движения жидкости в пограничном слое.

Волновое сопротивление. Волна представляет собой процесс колебания водных масс. Энергия волны равна расходу кинетической энергии на ее образование, отнесенную на единицу пути ее движения. Сопротивление волнообразования зависит от скорости движения тела пловца, его удельного веса и техники движений. Его доля составляет 20% от общего сопротивления. В жидкостях возникают гравитационные (косые или расходящиеся, попереречные и круговые), капиллярные и упругие волны.

Внутренние силы.  К ним относятся мышечные силы, которые определяют не только положение тела и конечностей, но и их перемещение. Однако для перемещения тела в водной среде одних только внутренних сил недостаточно. Перемещение может осуществляться только при взаимодействии внутренних и внешних сил. Действуя конечностями и туловищем, человек встречает внешнее сопротивление, в результате которого возникают силы, воздействующие на тело и обеспечивающие возможность перемещения его в воде. Плотность и вязкость воды дают возможность, с одной стороны, использовать ее для опоры, с другой стороны, эти свойства воды затрудняют продвижение тела, создавая сопротивление.

Сила сопротивления движению тел в воде

Тело человека, в связи с имеющимися у него криволинейными поверхностями, относится, с точки зрения гидромеханики, к плохообтекаемым телам. На это указывает большое количество возникающих при движении турбулентных потоков и вихревых движений воды. Общая сила сопротивления движению тела в воде равна сумме сил всех видов сопротивления и является результатом потери телом кинетической энергии на единицу пути движения.

Ориентацию тела пловца во время движения характеризуют углом атаки, т.е. углом между продольной осью тела и поверхностью воды. С увеличением угла атаки возрастает лобовое сопротивление. Углы атаки, превышающие 10-15°, не являются рациональными, т.к. увеличивают коэффициент сопротивления. При движении тела человека в воде величина полного сопротивления растет пропорционально квадрату скорости. Если пловец увеличивает скорость в 3 раза, то сопротивление возрастает в 9 раз.