第09章 游泳中的阻力

1、第九章 游泳中的阻力a .r. vorontson and v .a. rumyantsev9.1流体阻力的特性和组成游泳者的身体在水中运动时感受到的阻碍力称为流体的阻力。流体阻力的动力学特征可由水的物理特性如内部压强、密度（影响流体静力学特性）和粘滞性等来描述。当人体在水中前进时，将排开其前进路线上的水，水对运动着的身体的反作用为:（i）前进方向正前方的压力；（ii）身体表面的摩擦力。由于游泳发生在无重量的流体静力学（即重力几乎等于流体浮力，译者注）状态下，游泳者提供的大部分机械功直接克服流体阻力。流体阻力最明显的表现之一是，当游泳者跳入水中滑行后不久，滑行速度减慢，然后停下来。更好地了解游

2、泳者的身体与水流之间如何相互作用和如何利用游泳规则限制内的合理的技术使流体阻力下降，将有助于游速的提高并最大限度地提高游泳成绩。流体阻力（hdr）可分为二种：静态阻力。该阻力是游泳者在流动水流的水槽中被拖着滑行而不做任何动作时体现出来的力。动态阻力。该阻力是游泳者在游泳时体现出来的力。它由身体的静态阻力和由于游泳动作引起的波浪和涡流产生的阻力组成（clarys,1978,kolmogorov与 duplisheva,1992）。实际上，游泳者向前运动时受到的动态和静态阻力有下面几个部分：(1)水上部分身体的空气阻力以及手臂还原时的阻力（仅当在水面游泳或拖行时）。(2)水与身体表面的摩擦力。(3

3、)压差阻力，它包括：（a）由身体运动在其身后形成的涡流引起的形状阻力。（b）波浪阻力。空气阻力在游泳时是非常小的，对总的流体阻力几乎没有什么贡献。因为游泳的速度与陆地上运动的速度或划船速度相比是很低的，并且暴露在空气中的部分相对于整个身体来说是极小的。因此，教练员和游泳运动员主要关注的问题将集中在摩擦、波浪和压差组成的流体阻力上。9.2静态阻力游泳者在出发和转身以后、也可能在动作周期内转换姿势后的滑行时，受到的只是静态阻力（尤其是蛙泳和蝶泳）。有关静态流体阻力的组成和该阻力在不同流速下与游泳者身体大小以及身体伸直度之间的有关知识，是正确的游泳技术发展的基础。这就是为什么在游泳运动中静态流体阻力

4、是特别受欢迎的研究课题。 静态阻力的大小可通过实验确定。实验方法是用拖槽拖游泳者或把受试者置于水槽的水流中。该阻力可用下式表示：这里是水的密度，v是身体与水流的相对速度，sm是中心截面积，cdp是流体动力学系数或阻力系数，一个无量纲的量。它被定义为：。阻力系数是另一个无量纲的被称为雷诺数（re）的函数。是水的密度，v是流速（或拖的速度），l是身体长度，是动力学上的粘滞系数（=0.98710-3n s m-2，水温为26c）。在流体力学中，雷诺数（re）是一个衡量流体流线是否是完全稳定的流（如片流），还是有较小波动的定常流以及湍流的标准。在游泳者周围的水流特性（如它是片流还是湍流）决定流体阻力的

5、大小。 片流是水以平稳并作直线的流动，而没有任何扰动。每条流线上的每一点的速度和压强保持常数。片流可以描述为由很薄的水平层或片组成，所有的片都相互平行。片流通常发生在身体轮廓上有稳定的流线，且其速度较低时。随着速度的增加，发生乱流和涡流，直到流的方式非常混乱变成湍流为止。 湍流也发生在固体物在稳定的水中运动时的边界层内。此时边界层内的摩擦变得非常大，在游泳和被拖进时都能发生。边界层是与身体表面接触的一个很薄的液体层，边界层的流体由摩擦决定，整个边界层中流体速度的范围从最大值到零。边界层在身体前端的边缘较薄，身体后端的边缘较厚。边界层中的流体通常在前端或身体的上游部分为片流，在后端或身体的下游部

6、分为湍流。 按照clarys（1979）对游泳比赛中雷诺数的测量，其值是2.01052.5106。 在较高的re时，惯性力占主导地位。这意味着沿着稳固的身体表面的层流可以认为是湍流，与片流比较其阻力有非常显著的增加。在较大的re值的分布范围内，人体采用不同的姿势进行了大量的实验。结果表明，阻力系数（cd）是re的函数。根据re并结合9.2式，通过特定的图表，能够判定c0值。9.2.1摩擦阻力摩擦阻力（或表面张力）发生在边界层。在游泳时，水层与身体表面接触，水“粘住”人体并与游泳者以同样的速度运动。由于水的粘滞性，内层与邻近外层间产生相互作用，带动外层运动。然而，其速度与最内层相比稍微慢了一些（

7、整个边界层依此构成）。游泳者拖着他身后的非常巨大的水前进，这些较大质量的水便是摩擦阻力。身体表面、皮肤、头发和紧身游泳衣的光滑程度以及游泳衣的布料的特性都对摩擦阻力产生重要的作用。因为它们都使边界层里的涡流增加。边界层内涡流的增加将伴随着阻力的增加。形成涡流的水分子使来自于游泳者身体的动能减小。因此，摩擦使得游泳者的速度慢下来，并增加能量的消耗。摩擦力可按下式计算： 为动力粘滞系数(=0.89710-3nsm-2,t=26)，dv为水层与水层之间速度的变化,dz为水层厚度上的变化.sfr为在水中人体的表面积。 摩擦阻力可认为是静态阻力的主要部分,但它肯定要使游泳者在滑行时的速度下降,游泳时水流

8、沿着人体的某些阶段是片流。在高速游进时，边界层中形成的涡流转移了某些身体推进的能量，从而使游泳技术的效率减小。这就是为什么光滑的表面（剃光皮肤）和对泳衣进行特殊的设计将有助于减小人体表面与水之间摩擦的原因。上述这些都被认为是提高游泳成绩的重要参数。另外较高的浮力能使浸入水中的身体面积减少，因而减小了摩擦阻力。 对于剃光皮肤能否真正减小边界层的湍流从而减小摩擦阻力，或者是否是心理作用使得成绩提高仍需进行讨论。sharp和costill(1989)发现在比赛前剃光他们皮肤的游泳者与没有剃过皮肤的游泳者相比，游泳时显示出能量消耗相对较少，并有较大的工作距离和较快的游速。这些增加的成绩可能是皮肤摩擦阻

9、力减少的结果。 其他致力于减小摩擦阻力的研究是对泳衣进行更好的设计和利用更好的布料。现代的设计结合了不透水性和超薄的弹性布料，使得身体具有最大的光滑性。利用这种布料犹如润滑剂，使它仅能“帮助”一小片水。这些都是泳衣制造商之间竞争十分激烈的领域。9.2.2压差阻力（形状阻力）任何物体在它前进的方向上都受到来自于水流阻力fd的作用。游泳者在静态的水中运动同样产生阻力。依据伯努里（bernoulli）原理，任何水流动能的变化都与身体表面压强的变化成反比： 1/2vi2是单位流体体积上的动能,pi是单位体积上的压力势能。(9.4)式表明,作用于身体表面的垂直方向上的压力的大小随流速的平方变化. 发生在

10、运动人体前部与后部的流体动力学过程导致压差阻力。身体运动部分的水压要比作用于人体前方的水压小。由于边界层相对于身体的每一部分运动，做了一定的机械功，将使它慢下来，并在它到达身体后部之前与身体表面分离。水层的分离形成涡流，如使水高速旋转。因此，在分离点的后面形成了低压区。在身体前部与后部之间压强的差异压强梯度，决定了作用在身体前进方向上最大横截面（sm）上的压差阻力的大小。所以压差阻力是由于游泳者在水中推进时前面的高压与游泳引起涡流时的低压之间的压强梯度造成的。当身体以慢速运动并保持一个好的流线时，边界层光滑地滑过表面，几乎不形成涡流，此时，压差阻力将趋近于零，总的流体阻力主要由摩擦阻力决定。当

11、游速增加，身体的边界层增加时，皮肤的摩擦阻力的作用与随之增加的压差梯度的作用相比变得越来越不重要。涡流增加，边界层的分离点越接近身体前部。当接近最大的流速时，呈现出游泳者四周环绕着大片的涡流“云”。 压差阻力的变化为：sm是身体与水流相互作用的最大横截面积，cd是无量纲的阻力系数。实验研究（karpovich,1993,onoprienko,1968;clarys,1978）表明，身体的形状（纵向剖面上的外形）对压差阻力的影响最大。这种人体形状的影响主要体现在cd的大小上。因此，压差阻力也表示为形状阻力，cd表示为形状阻力系数。快速游动的鱼和海中的哺乳动物（如海豚），身体形状（纵向轮廓）是一个

12、很好的流线型。人的身体与海豚相比，有相同的长宽比，但在一样的速度下有较大的流体阻力。其原因是存在大量的压差阻力中心头、肩、臀、膝、脚跟等。clarys（1978)报道了对于长度和横截面积相对接近，但他们的流体动力学外形不同的人体，cd值有很大的差异（表9.1）。表9.1 不同身体形状的雷诺（reynold）数和形状阻力系数身体形状雷诺数re=vl/v*形状阻力系数cd水滴1041060.05海 豚7.5104-7.01070.050.08人 体6.6105-3.51060.581.04 *v=/由于形状阻力随流速的平方增加，它在游泳比赛中的重要性比摩擦阻力更大，因为摩擦阻力随游速线性增加。由（

13、9.5）式得，以同样的速度游泳时，影响形状阻力大小的因素是形状阻力系数（cd）和前部的横截面积。形状阻力也依赖于身体的浮力，身体露出水面较高将使得在游泳时置于水流中的横截面积减小。 形状阻力是如比之大，怎么样使它减小？这对教练和游泳运动员来说是一个重要的现实问题。形状的边缘有助于形成涡流，因而阻力增加。游泳者身体的偏离，即头和身体不在同一水平面上运动将增加攻角（身体相对于来流的投影面），同时也能使形状阻力增加，所以应尽量避免。游泳者有可能利用身体的伸展和选择最佳的蹬腿深度以及髋、肩同时运动以改变流过身体的流线，从而减小形状阻力。游泳者主要关心的是游泳周期中拥有合理的身体流线以创造最大的推进力，

14、这将显著增加推进动作的效率（toussiaint 和beek,1992,maglischo,1993）。9.2.3水下扭矩对压差阻力的影响水下扭矩是由于向下的重力与向上的浮力在身体上的作用点不同形成的一对力偶或扭矩而产生的。重力作用在身体的质心，而浮力作用在浮心。浮心定义为排开的水的体积的中心，它依赖于身体排开的流体体积的分布。扭矩将使得重力与浮力趋向于同一条直线上，结果使身体在水中直立。在游泳时，扭矩能影响流体的阻力，因为它能改变身体相对于水流的方位。在速度为零时，游泳者在水中将是一个直立的姿势，此时cd达到最大值；以低速或中速游泳时，游泳者的身体将采用倾斜的姿势，身体纵轴与速度（水流）方向

15、之间的夹角称为攻角，并表示为。由于身体在滑行/游进方向上的投影随着攻角的增大而增大，同时伴随着作用在游泳者身上的静态/动态压差阻力增加，该流体阻力由一个与水流或游泳方向成直角的向上的分量（升力）和一个与游泳速度相反方向的阻力合成（图9.1）。 随着拖/游泳速度的增加，正面来的水流产生的升力将举起腿和较低的身体。因此，攻角和cd减小（alley,1952；onoprienk,1968,clarys,1979）。当身体达到水平位置时升力急剧减小，cd达到稳定值。实验研究发现cd的动力学特性随游速的增加有三个阶段：（1）由于攻角减小，cd减小；（2）稳定阶段；（3）在游（拖）速为1.71.8 ms-

16、1时，由于波浪阻力的增加，流体动力学系数cd增加（alley,1952;counsilman,1955;onoprinko,1968）。在滑行姿势时，对于水下扭矩如何使阻力增加的评定通常采用两种测量方式进行比较：一种方式是在身体被动运动时用人工方法使他呈水平姿势；另一种是保持人体的自然姿势。身体的水平姿势是通过附加的浮力帮助造成的。onoprienko(1968)采用了这种方式，他将阻力较小的很小的球形漂浮物缚在游泳者的两个小腿上。表9.2给出了观察到的在滑行姿势拖行实验时，由于有附加浮力使其水平和没有附加浮力情形下的阻力值。结果表明相对水平的姿势，即一个高髋的姿势是合理的游泳技术的重要特征。

17、表9.2 采用滑行姿势拖行时，水下转矩对流体阻力（fd）的影响（由rumyantsev,1982,选自onoprienko,1968）拖 速0851114519fdsd（n）腿上没有附加支撑拖行3.980.484.990.457.170.7613.641.0腿上有附加支撑拖行3.160.274.460.326.900.7213.481.0差 异（90%）p0.01p0.05游泳比赛中每次划臂明显的生物力学特征之一是攻角的大小。它在自由泳中是最小的并相对不变。然而，在仰泳、蝶泳和蛙泳中，依次增加。蝶泳和蛙泳中的攻角在整个运动周期中不断变化，游泳划水时的攻角可能是正的，也可能是负的（根据肩关节是否

18、在髋关节之上还是之下，见图9.2）。攻角从0增加到5，流体阻力（hdr）将增加15%。当攻角达到18时，hdr增加50%（onoprienko,1968）。尽管周期内攻角的变化不可避免，游泳者努力使其身体上下运动的幅度达到最小（使sm和cd最小），尤其是在划臂这个主要的推进阶段。这将提高游泳周期内的最大速度的平均值。9.2.4波浪阻力 波浪阻力是游泳者在水面或水面下较浅运动时产生的。被身体排开的水从高压地带向低压地带（没有扰动的水平面上）做抛射体状的运动，形成了最初的波浪。这个过程游泳者需要针对重力和大量被提到水平面上水的惯性做机械功。波浪阻力的力值与能量相对应，包括由身体产生的波前或原始波在

19、内，可以计算（rumyantsev,1982）：是水的密度，a是波的振幅，是波长，v是波速（等于游泳或拖的速度）t是单位时间，是总质心（gcm）运动方向与原始波的波前之间的夹角。 按（9.6）式，波浪的力值与游（拖）速三次方成比例关系。然而形状（压差）阻力是随速度的二次方增加。这意味着当游速接近最大值时，波浪阻力对流体总阻力的贡献变得很重要（alley ,1952,gordon ,1968.onoprienko,1968），也是制约游速提高的必不可少的因素。 二种形式波的形成:（1）纵波即“尾波”和“首波”。它被身体的前部或后部推出形成的。（2）横波，它也可在身体的前部或后部形成，但它运动的方

20、向与传播的方向成直角。游泳时，身体的某些部分如肩，臀部以及当头和上躯干做水平和垂直运动时也会产生波。波是导致人体运动中能量损失的明显证据，因为它必须推开前进线路上的水。由游泳者身体所产生的波，其特点是它们以与游泳者一样的速度传播，并且从波峰到波峰的距离与游泳者每次重复动作所经过的距离相等。当游速增加时，峰与峰之间的波长也增加，直到游泳者的水线长度与他形成波的峰与峰之间长度一样为止（当波长l等于其水线长度时被称作船身速度，这个术语由miller(1975)从造船业引入到游泳运动中。当达到船身速度时，游泳者被陷入了由于其身体形成的两个波峰之间的波谷中，运用更多努力的结果将使波谷更深，任何利用进一步

21、提高速度使游泳者“从这个波谷中爬出来”是不可能的。因而可从理论进行假设和类推，在水面上运动的速度要比1个身长s-1快是不可能的。如果在水线长中考虑臂长，则在理论上可推断最大流速vmax对于身高为1.952.00m的个体将在1.92.6 m.s-1之间（由于身体姿势可变），对身高为1.75-1.85 m的个体，vmax在1.72.3 ms-1之间。尽管没有被研究所证实，但专家支持这种观点， 即身材较高的游泳运动员在短距离项目中比较矮的运动员有一定的优势（miller,1975,counsilman,1977,toussaint等，1988）。这个建议基于froude数（fn）。fn是一个无量纲的

22、判定波浪的标准：v是游速，g是重力加速度，l是游泳者的身高。由于fn的值变小与波浪阻力减小相关，增加身高则可减小fn，并减小波浪阻力。toussaint等（1990）报道，经过2.5年的跟踪研究，儿童的身高从1.52m增加到1.69m，在相同的游速（v=1.25 ms-1）下，fn从0.324减小到0.308（表9.3）。由于在两次重复测量中hdr没有发现明显差异，toussain等支持这个观点，即由于受试者身体的横截面积增加了15%所增加的压差阻力被波浪阻力的减小所补偿。表9.3 年轻游泳选手（n=13）2.5年成长期间对不同参数的影响（toussaint等，1990）1985值sd1988

23、值sd值的变化sd显著水平形态学身高1.520.061.690.080.170.05p0.001体重40.06.854.77.114.75.7p0.001身体横截面积0.0640.0040.0740.0060.0100.005p0.001空间形状指数长/宽4.830.294.650.33-0.180.34ns长/深9.353.7539.43.042.973.73p0.05长/厚36.53.5739.43.042.93.73p0.05宽/深1.950.192.130.210.180.24p0.05阻力fd（速度v=1.25m.s-1）(n)30.12.3730.84.500.73.4ns非空间指

24、数雷诺数（v=1.25m.s-1）221060.081062.51060.121060.251060.07106p0.001froude数fn(v=1.25m.s-1)0.3240.0070.3080.006-0.0160.0058p0.001cd(v=1.25m.s-1)0.640.0690.540.077-0.0890.0058p0.001完成的数据100 m(s)72.85.8462.93.25-9.93.1p0.001vmax(m.s-1)1.370.081.530.070.160.05p0.001fmax(n)37.46.5750.27.9212.85.84p0.001pmax(w)

25、51.711.5877.214.8125.59.66p0.0019.2.5浸入深度对阻力的影响 如果身体在水下运动，在水表面不产生波浪，这意味着在身体上面水层的势能将大于或等于作用于身体上的水层高度产生的压力的能量。因此。当水面不产生波浪时，最小的滑或游的深度波平衡深度可用下式决定：v是身体速度、g是重力加速度，cw是无量纲的波浪系数。实际上，游泳者可能受到他所产生的波的影响，hp能够用波基准波的能量恰好对身体不产生作用时的深度决定： 是波长，它与流速相等，这似乎表明在波浪阻力可以忽略时其深度在0.7 m和1.2 m之间。当身体运动的深度超过hp时，身体阻力不变。假如游泳（拖）的深度小于hp，

26、人体在水中运动时将形成波浪使总的流体阻力增加。当部分身体在水面上时，向前的截面积减小，将使压差阻力、摩擦阻力变得很小，但波浪阻力将急剧增加。在水面上运动总的hdr实际上要比在水下游泳大得多。 由于波浪阻力随流速的三次方变化，在最大流速时，它将是总的hdr中最大的部分。在出发和转身后滑行的速度比比赛时平均速度要高得多。然而在深滑时不产生波，这将对使用腿鞭打达到和保持较高速度并滑行较长的时间是有益的。 由于拖的装置设计和采用的程序（人的姿势、拖的深度）等方面的不同，游泳者在水面上和水下所受的流体阻力大小实际研究的结果仍保持着异议（表9.4）。研究发现采用游泳者与拖的装置的软连接方法，在水面上拖时比

27、在水下拖时阻力更大。这种连接物给水流中的人体在水下拖与在水面上拖相比具有更高的稳定性，用以解释在水面上拖比在水下拖发现更大阻力的原因。然而有些作者采用了硬连接物连接游泳者这种拖的装置，并用完全相同的人体姿势和身体方位在水面上和在水下拖，却发现了相反的结果（clarys 等，1978，1979，clarys和jiskoot,1974）。表9.4 游泳者在水面和水下以相同的滑行姿势被拖时，流体阻力相关性的测量研究者拖的连接方式受试者（人数和性别）拖的深度拖 速水面上/水面下的差异（%）schramm(1959)软n=2,男0517105ilyin(1961)软n=1,男10. 41.864onop

28、rienko(1968)软n=1,男0.51.11.9139gordon(1968)软n=15，男051.51.91510clarys(1974)硬n=53,男0.51.51.9-22-18*引自runyantsev(1982) 某些杰出的运动员（如d .berkoff,i poliansky ,d suzuki,d pankratov,和m .hyman）在仰泳和蝶泳训练中，在整个比赛距离的50%-60%以上在水下，仅采用蝴蝶式向前和侧面打腿，获得了非凡的结果。这些成绩为重新评价在水面上和在水下流体阻力的比率提供了强大的基础。水下游泳真的比水面上游得快吗？运动实践表明，在水下仅用蹬腿至少不比

29、在水面上充分地划臂慢。即使有人接受生理学上的结果，即蹬腿要比划臂效率低得多，上术结果是可能的，因为，高速运动时水下游泳的总阻力中缺少了波浪阻力，使其与水面游泳相比要小得多。蹼泳的纪录表支持这种观点，蹼泳比赛项目包括水面和水下项目，每一项水下项目的记录的时间都比水面上明显短得多（表9.5）。更有趣的一个事实是核潜艇用相同的动力在水面上或水下运动，当完全潜入水中时，达到最大速度（俄罗斯潜艇保持的纪录是44.5节或82.5mh-1）。当在水面上时，其最大速度要比潜入水下的最大速度小一半以上。尽管在水下潜艇的摩擦阻力、形状阻力和其他附加阻力要比在水面上大得多。表9.5 在水面和水下项目的世界游泳记录项

30、 目水 面（仅15m潜水）屏气或手中呼吸器*男子 女子男子 女子50 m16.07 18.58 14.83* 16.28*100 m 36.44 40.98 33.65 36.26400 m 3.04.58 3.20.37 2.52.65 3.01.84800 m 6.34.18 6.59.44 6.08.29 6.30.14最近，国际业余游泳联合会（fina）规定游泳比赛中限制水下游的距离，允许游泳运动员有15 m的完全水下游的距离。然而对游泳者在水面上或水下所受到的阻力的特性需更进一步的研究，因为游泳者除了出发或转身，在水下仍能运动更长的距离。9.2.6流体总阻力普遍认为，人体在被动拖时的

31、流体总阻力是摩擦、波浪和形状阻力之和，rumyantsev(1982)利用这个公式并结合某些数值计算了游泳者人体受到的流体总阻力，见表9.6。对于2.0 ms-1的流速，这些成分值的大小接近： 表9.6 总阻力中不同种类阻力计算的方程和值（范围）压差（形状）阻力（fd）摩擦阻力（ffr）波浪阻力（fw）a：波的振幅；cdp：阻力系数；dv：水层之间的速度变化；dz：水层厚度变化；sfr：水中的人体表面积；sm：人体最大横截面积；v速度；：质心运动方向与其波正前方的夹角；：波长；：流体粘带系数；：水的密度。流体总阻力是98.55 n。这些计算不能认为是精确的，但它们有助于评估在不同的拖和滑的的速

32、度时摩擦、波浪和形状阻力相对于流体总阻力的贡献。在水速为2.0 ms-1或以上时，波浪阻力的成分可能达到它的最大值。在较低速度时，波浪阻力明显减小。计算表明，摩擦阻力不到压差阻力的12%。由于摩擦阻力是沿着人体表面，在片流时它的作用效率最高。转变为湍流后，正面的阻力将超过摩擦阻力并占优势。人体不是一个完美的流体动力学体系，在较高的拖速时，造成一个很大的环绕边界层和运动体的湍流区，摩擦阻力对总的hdr作用减小。然而，某些研究者仍支持在游泳时摩擦阻力在总阻力中占主要作用。按例说，这个结论是建立在人体表面积与流体总阻力的相关关系的分析上（karpovich,1933,onoprienko,1967a

33、,1968）。实际上，极大多数研究发现流（拖）速与流体总阻力之间成二次方的关系，更支持了在游泳中形状（压差）阻力占主要作用。假如摩擦阻力是主要的，可以预料它们将是一种线性关系。miyashita和tsunoda(1978)发现训练有素的游泳者与初学者相比流体总阻力要小得多，尽管后者身体表面积比前者小二倍。这似乎是有经验的游泳者可能显示出在水中有更好的流线姿势，因而减小横截面积和形状阻力（从水流中获得的数据看上去似乎是可能的，熟练的游泳者在身体运动中能够控制和减小湍流，而且大腿动作较好使得压强梯度较小）。因此，由于表面积较大而增加的摩擦阻力将不产生明显的作用，而由于人体流线引起的压差（正面的）阻

34、力的减小将使总的hdr减小。身体较长的人由于其边界层的分离点更接近于后部从而形成较小的涡流，所以比较短的人有更好的流线。通过身体的姿势相对于水流的方位对hdr大小影响的研究，有证据表明形状阻力是流体总阻力的主要部分。实验表明（counsilman,1959,onoprienko,1968;chernyaev 和maltsan,1974）：最好的流线姿势是躯体伸展、脚尖绷直、手臂伸过头、一只手压在另一只手上，两臂紧靠耳朵的滑行姿势。由于前部用手臂破水，使流线的效果更好。在出发和转身后的滑行时，头、手臂和腿只要有一点点的偏差都可能导致阻力的增加（图9.3）。采用滑行姿势，在边上或后部拖与向前的滑行

35、姿势相比，流体阻力似乎要高得多（counsilman,1955用0.6 2.2 ms-1的速度拖，clarys 和jiskoot,1974-拖速为1.9 ms-1）。这些研究结果都支持身体形状（不是身体表面积）是确定流体总阻力大小的决定性因素这个观点。由于人体的流线和人体在水平线的偏差都将引起阻力的变化，因此腰部背屈或抬头引起的攻角增加导致阻力增加，当v=1.1,1.45和1.9 ms-1时，阻力增加分别为26%，20%和12%（onoprienko,1968）。当速度较高时，躯体屈曲对阻力的影响减小。因为身体相对于水面较高运动，可获得较大的升力，这就抵消了增加的阻力。为了便于呼吸，将保持相对

36、较高的头部。结果发现在流速1.72.0 ms-1时，头部相对于水平哪怕有很小的偏离都将使流体总阻力增加2%-7%。最大可达30%-40%（onoprienko 1968,miyashita和tsunoda,1978）。表9.7显示游泳姿势对流体总阻力的影响（onoprienko,1968;chernyaev和maltsan,1974;rumyantsev,1982;makarenko,1996）。分析人体的结构和成份对流体阻力影响，对静态阻力最有价值的特征是身体的最大截面积以及头和肩的周长（表9.7），这再次强调了在游泳中压差阻力的重要性。通常能证明横截面积与纵向长度相比对静态阻力有更高的相关

37、性。表9.7 人体姿势对游泳阻力的影响姿 势与较好流线型的滑行比较，总流体阻力的差异（%）两手臂紧贴躯体+37 (v=1.1-1.45 ms-1)+28(v=1.9 ms-1)两手臂以肩同宽前伸过头+7.7(v=1.1-1.8ms-1)+9.5(v=1.9ms-1)足与肩同宽并以=90屈曲+26 (v=1.9 ms-1)一只手臂沿着躯体，另一手臂前伸+12.5(v=2.0 ms-1)clarys(1978)和其他的研究者发现人体的重量和体积与静态阻力呈显著的正相关，体重和体积与横截面积高度相关（r=0.9）。某些研究者发现阻力与人的表面积显著相关（clarys等，1974）。同时另外的研究者（

38、miyashita和tsunoda,1978）发现静态阻力与任何流体静力学变化无关。表9.8 体形特征与流体阻力的相互关系研究者clarys(1978)safarian(1968)onoprienko(1968)miyashita&tsunoda(1978)拖的方法电动的可流动的载人厢电动的固定平台电动的固定台水槽受试者的情况n=44,男性，身高=180.9(6.4)cmmg=73.88.1n=77 男性身高=176.7(6.2)cmmg=70.88.1n=92，男性n=67 女性n=8 女性身高=153.7 cmmg=46.310姿 势向前滑行向前滑行向前滑行向前滑行拖速（m/s）1.5-2

39、.01.81.90.8-1.6胸围p0.05p0.05-r=0.48-0.60r=0.84体表面积-p0.05p0.05体 重p0.05p0.05-p0.050.620.57身 高-p0.050.62-p0.050.53人体体积p0.05-mg=体重在造船业，对称指数广泛用于描述船体的流体动力学特性。探索人体的流体静力学特性以代替船体指标方面已经做了大量的尝试，clarys (1978),miyashita和tsunoda(1978),onoprienko(1968)和safarian (1968)等研究了静态阻力与流体静力学的对称性指数之间的关系。他们发现流体总阻力（hdr）与人体的对称性之

40、间的相关系数非常不明显（p0.05）。所有这些作者都认为流体静力学指标对于描述人体流体动力学特性是没有用的（表9.8）。与光滑的船体相比，人体有大量的压力点存在。骨峰突出的人体表面（像膝关节和跟骨等）能造成涡流的增加，因而增加了游泳时的阻力，它可能破坏了身体对称性对流线总阻力的影响。由于皮脂能提供浮力和使身体外形光滑，它可能对人体的流体动力学特性起正的作用。可以假定，人体的皮肤和皮下脂肪层能减小边界层的湍流，因而减小阻力。采用真人大小的人体模型和一个有丰富皮下脂肪的女游泳运动员以1.5 ms-1速度拖行实验时，在hdr上显示没有差异。然而，当以1.9ms-1速度拖时，运动员与她自己的身体模型相

41、比阻力减小6%。尽管假设皮肤厚度能明显减小游泳时的流体阻力，然而，事实上杰出的运动员之间皮脂厚度的差异较小。众所周知，制造泳衣的布料要光滑、薄、不透水，并使泳衣紧贴人体的表面。schramm（1959）发现游泳者穿大2个尺码的泳衣以1.7 m s-1的速度拖行时，阻力有明显的增加。onoprienko(1968)发现，以v=2.0 ms-1的速度拖一个女子游泳者，穿羊毛泳衣与穿丝绸泳衣相比阻力增加3%（羊毛泳衣能在游泳者后面携带大量的水，附加了较大的摩擦阻力）。9.2.7静态阻力的评价要分别确定摩擦、波浪阻力是非常困难的，因为游泳者沿水面推进被看作为收集大量的压力点（miyashita和tsu

42、noda,1978）。因此研究者们通常测量游泳者相对于某个速度时受到的总的水阻力。对静态流体阻力的评价是建立在拖或把固定的身体置于水流中进行测量的基础上。在这种实验中，必须遵守下列条件：1、 在拖时，游泳者必须保持稳定不变的姿势。任何一个很小的姿势变化或对水流的方位变化都可能引起阻力的明显变化。拖连接的类型（硬或软连接）都对身体姿势的稳定性有很大的影响（表9.4）。2、 拖力将与水平保持平行。3、 拖的装置在整个拖的过程中必须提供相同的速度。在加速和减速时，计量器将同时记录游泳者的惯性质量和阻力。 惯性类的拖行装置，由于固定的体重所降低的势能转换成拖力，它不能提供一个恒定拖速，大多数可靠的精确

43、的测量静态阻力的方法是利用电动的拖的设备。它由功率可变的电机构成，利用精确的控制系统，获得所需要的恒定的拖速。这种实验在水槽中采用固定的平台和能流动的载人箱。 在测量流体阻力时，把游泳者的身体置于人工的由螺旋浆产生的迎面水流中游泳（holmer,1974,miyashita和tsunoda,1978;gordon等，1985），游泳者与计量器用电缆相连接（放在甲板上），这种方法非常简单并允许观察游泳者的姿势。由于在高流速下游泳者身体上举的影响，用这种方法测量到的流体阻力的相对值比在水槽中拖测量到的值稍低。 由于在不同的研究中采用不同的方法和受试者，在参考文献中有大量的有关流体阻力的数据，大部分

44、值可能具有相对性，如阻力的变化与流速的变化、在相同的研究中采用不同的身体姿势比较阻力的大小等。9.3动态流体阻力（动态阻力） 如果静态阻力是人体采用不变的姿势、在静止的水中拖或将人体置于流动水的水槽中受到的阻力，那么，动态阻力就与游泳运动相关。静止阻力主要依据人体的大小与形状，而动态阻力则看成是动作的函数，同时也是人体形态和人体固有的力学特性的函数。建立在不同测量技术上的实验研究在动态阻力与流速的平方关系上是一致的（di prampero等，1974，clarys,1979;toussain等，1988;kolmogorov 和duplisheva,1992）。这意味着在游泳时，压力成分是动态

45、阻力的主要贡献者，动态阻力可表示为：cda是动态阻力系数，a是人体形态学变量。 研究仍停留在揭示动态阻力与形态学特征之间的关系上。clarys(1979)检测了自主推进身体时的阻力值，发现与被动拖行身体所记录的值相比明显偏大。他阐述了不论是身体形状还是它的成分或皮肤表面积都对动态阻力产生影响。它可以认为是形状和大小（如游泳技术）系统变化的产物以及由身体周围的水流特性所决定。最近，huijing等（1988）发现动态阻力与最大人体横截面有较高的相关性（r=0.87）。toussaint等（1988）也发现在动态阻力的相关性上男性（fda=30 v2）与女性（fda=24v2）之间不同，男性游泳者

46、比女性有较大的横截面（分别是0.09 m2和0.075 m2）。男性与女性之间动态阻力最大的差异是在流速为1.0 ms-1时发现的，然后随着流速的增加，它将急剧地减小。因此，人体形态特征对动态阻力（如同静态阻力）的贡献，将在高流速时减小。 toussaint等（1990）对某一年龄组游泳者的动态阻力经过2.5年的跟踪研究发现动态阻力没有任何增加。尽管身体横截面积和皮肤表面积等指标增加了，根据假设由于上述两项指标的增加将使压差（形状）、摩擦和总阻力增加，但实际上它没有发生。 最有意思的是发现动态与静态阻力的大小之间没有关系（clarys,1978,kolmogorov和duplisheva,19

47、92）。更进一步，toussaint等（1988）和kolmogorov等（1977）发现动态阻力的值比其他采用非直接测量的研究者报告的值小了23倍。如果把动态阻力表示为由静态和由于人体运动引起的波浪和湍流阻力简单的代数和，那么他们测量到的值比能够预测到的值要低得多。尽管水流的扰动明显不同，然而，独立的个体样本在静态阻力和动态阻力的大小之间没有明显的不同。杰出的游泳选手在整个速流范围内，动态阻力要比一般的游泳选手小得多。9.3.1动态阻力的测量（1） 直接法早期的动态阻力（ad）测量是依据在游泳者身上附加阻力负荷而发生的氧耗变化进行间接计算（di prampero,等，1974，clarys,

48、1979）。这些研究中发现的ad要比静态阻力（pd）高得多。最近，已经引用了动态阻力的直接测量法，称为动态阻力测量系统（mad）（toussaint 等1988）和速度扰动法（kolmogorov和duptisheva,1992）。mad系统和速度扰动法这两者测量的结果都表明：有较好技术的杰出游泳选手与一般的选手相比在整个游速范围内，动态阻力（ad）更小。因此，ad游泳时的减小值作为游泳时较先进的划水技术的指标。(i)动态阻力测量（mad）系统（toussaint,1988,1990） mad系统是根据类似于游泳的动作来测量平均推力（这个系统仅允许测量向前爬泳时的推力）。游泳者正对把手推，这个

49、把手缚在水下0.8 m固定的管上（图9.4），在管上固定力的传感器，因而可记录游泳者在推出时所用的力。由于游速恒定，测量到的平均推力fp1与平均动态阻力fda相等。这种方法能提供游泳者的平均动态阻力。作者发现在游速为1.48 ms-1时平均推力（仅用手臂推）为53.25.8n，这个值比其他作者所报道的动态阻力值小23倍。然而，拖游泳者时的静态阻力与其他报道的值一致。 在速度为1.0 1.8 ms-1范围内，发现fda与游速v的关系为男性是2.120.20次幂；女性是2.280.35次幂。男性和女性在动态阻力和阻力系数上最大的差异是在流速为1.0 ms-1，分别为阻力28.95.1n和 20.4

50、1.9 n；阻力系数0.640.09和0.540.07。当流速更高时，这些差异变得较小。(ii)速度扰动法 速度扰动法是采用游泳者拖一个已知阻力值的流体动力学体。由于附加了阻力使得其最大流速发生变化（图9.5）。游泳者在附加了这个流体阻力体（hb）和不附加流体阻力体（hb）的情况下，以最大速度游30m，hb放置在游泳者身后一定的距离，此地的水没有湍流，这个距离大约为3.5-4.5 l(见图9.5)。在上述两种方式游泳时测定游速v和阻力f。作者假设在没有hb时输出功率（pt01）和在有hb时的输出功率（pt02）是相等的，即pt01=pt02。然而不是所有在游泳时产生的功率都能用于克服阻力，它的

51、一部分将转化成流体的动能（pk）。因此，以下问题将是近似的（toussaint 等，1990）。根据kolmogorov和duplisheva(1992)的观察，速度不同（v2 和v1）是由于附加阻力的影响。因此，在自由游泳（无阻力）情况下功率输出为pt01=fr1v1，在游泳者缚上hb从而附加了阻力后游泳时，其输出功率为pt02=fr2v2这里fr1，fr2是动态阻力值，由于又因为消去cd可得由于fb是已知的，评估动态阻力的大小变得非常简单，只要测量在没有负荷和有负荷情况 下游泳时的速度。 kolmogorov和duplisheva法允许在游泳时采用四种比赛时的划姿来测量动态阻力，而mad系

52、统和直接测量法仅能应用于向前爬泳。这种方法评估的误差不高于6%8%。 kolmogorov和duplisheva建立了以下结论： 1、cda和cdp之间不相关。2、男性和女性的cda值没有稳定的显著性差异。3、游泳划水阻力（从低到高）排列为：自由泳仰泳（bk），蝶泳（fly）蛙泳（br）。4、青少年游泳者与成年人相比ad较低。5、男子自由泳时的fda值与以前通过间接法预测到的（di prampero,1974,issurin ,1977;clarys,1979）或利用mad系统获得的（toussaint等，1988，1992）要低得多。6、 游泳选手在游泳技术上显示出来的生物力学效益是在最大v时，fda值较低。这个结果与clarys和toussiaint(1988)所提出的划水技术对于ad的降低比身体结构更重要的观点是一致的。在被动拖时，cdp依据游泳者身体的形状、皮肤和头发等的特性。在主动游泳时，cda是运动人体不同部位与流体“被动的”流动之间相互作用的定量化反映。由于速度v的增大，使得流过游泳者身体水流的湍流增加，促使cda增加。（2） 动态阻力的间接测量法（i） 生物能方法 这些方法是建立在重新评价拖速大小、附加力和与之有关的代谢能变化的基础上（di prampero等，1974）。在主动游泳时，游泳