游泳常用的力学原理分析

来源：整理自豆丁网《游泳力学原理》

我们用自己的力量从这儿到那儿所有可能存在的方式中，游泳的效率显然是最低的。确实，我们可以漂浮、踩水或者相对悠闲自在地躺着戏水，可是我们在水中即使很慢地行走也需要很多的有效能量。事实上，世界游泳冠军的游泳速度最快也不过是每小时5英里，然而一只海豚在合适的动机激发下，时速可以达到25英里。

这其中的主要原因是水的密度大约是空气的1000倍。不像跑步、骑自行车或者其它常见的人类运动形式，可以将肌肉的大部分能量转换成前进运动，我们游泳时几乎要消耗90%多的能量去克服液体的阻力。

当然水的密度也多少能给我们提供一些昂首翘尾的机会，这意味着我们可以或深或浅地在水面漂浮，但是这要取决于我们身体的胖瘦比例和肺活量的大小。水的密度还容许我们在水中保持水平的身体姿势，使我们至少可以像光滑的赛艇或鱼雷一样游进，而不是像一座耸立的雕像或一艘粗笨的驳船那样游进。

是什么决定我们的游进方式？

简而言之，游泳也是牛顿第三运动定律的另外一种表现形式∶我们的手、臂和腿推水时，水同时以大小相等的反作用力推进我们前进。

但是问题还远不止于此，许多科学家强调：我们人类在水中游泳、F-15在天上飞行、摩托艇在水中破浪前进都是同一个原理，可是水介质对我们游泳的影响真是太大了。

流体动力学告诉我们游泳运动取决于二个基本因素∶我们施加的推进力和我们遭遇到的阻力或者是障碍力。不管我们如何使自己的身体保持流线型，阻力都是难以克服的。也就是说全凭力气游泳并不会使你成为游泳好手，然而知道一些物理知识迟早会派上用场的。

奥运会最好的游泳选手在游四种竞技泳姿中最快和效率最高的是自由泳，仅有9%的能量使身体前进（按照平均速度和效率划分，其次是蝶泳、仰泳和蛙泳），然而对我们其余的大部分人来说，要用差不多98%的能量去克服水的阻力。

阻力是使游泳效率低得惊人的主要原因，由于我们在水中移动时的身体形状造成了形状阻力，这种形状阻力很大程度地减少了我们前进的动量。当我们前进时，水就会在我们头前形成水压，同时，我们身后也会生成湍流区。这种压力的不平衡会产生一种力，使水从高压区流向低压区，并试图向后推动我们。形状阻力是以速度的平方指数增加的，关键取决于活动物体前端截面面积的大小。

这就是舟艇设计者为什么把赛艇船体造成长而窄而不是粗而短的原因。这也解释了为什么许多世界上游得最快的游泳选手，看上去更像职业篮球运动员，而不是举重运动员。

美国游泳健将马特·比昂迪和俄罗斯游泳健将亚历山大·波波夫就是很完美的例子，他们在100米自由泳奥运会项目上获得很高的成就，他们身材清瘦，身高分别是6英尺7英寸和6英尺6英寸。为了使形状阻力降低到最小程度，竞技游泳选手在水中都更注重向下按压躯干，同时抬高臀部，这会弥补上身原有浮力的不足，使他们以水平的而不是腿从水面下垂倾斜的身体姿势游泳，以便减少迎面或者前端截面的阻力。

许多优秀的自由泳和仰泳选手还掌握了身体从一侧转动到另一侧的游泳技术，每次划水时提肩出水，使身体形成较窄的轮廓，并且尽量前伸，由此增加身体长度，尽可能使身体细长并更有效率地滑行（如果你划过二种形状相似但长度不同的爱斯基摩独木舟的话，你也许会注意到较长的独木舟尽管很重排水量很大，但每次划浆时都能滑行得更远）。

此外，身体从一侧转动到另一侧会产生一种扭力，在游进方向加上旋转向量，这有助于推进游泳者前进，像一枚螺丝钉被拧进木头一样，并允许他们像使用手臂和腿一样，使用髋部和躯干的肌肉群。

竞技游泳选手还设法使物体在水中移动时的"粘性"——摩擦阻力减到最低程度，一件松松垮垮的泳装或者过长的体毛会使体表粗糙增加摩擦阻力，所以许多游泳选手都穿紧身大小相称的泳衣，并往往在大赛前刮除体毛。

制造波浪就是制造最有害的阻力形式——波浪阻力。不像形状阻力是扯我们的后腿，而波浪阻力就在我们前面产生的高压区排斥我们。当我们游泳时，水花飞溅或者在水里做任何一种动作都会产生波浪。

在游泳池里推进得越快，我们头前生成的波浪就越大，就会形成一堵水墙限制我们的前进，波浪阻力不同于其它大多数流体阻力形式以速度的平方指数来增加，它是以速度的立方指数来增加的，因而在水中当你速度加倍时，波浪阻力的减速力就会增加倍。

特德·伊莎贝尔是一位专业工程师，也是加州奥克斯纳市河间岛水上运动俱乐部的游泳教练，他说：许多顶尖游泳选手发现，他们转身后立即在水下打腿可以更快地游进相当长的距离（而不是很快地上升到水面游），这是因为水下消除了大部分波浪阻力。

伊莎贝尔认为，与在水面有明显优势的高瘦的竞赛选手相比，矮壮的竞赛选手在水下两腿并拢进行海豚式打腿做波浪动作，也许他们矮小的体表面积可能更占优势。他说：因为在水下移动的物体主要是受摩擦阻力的影响，所以减小物体的表面积就能减少所遇到的阻力，因为短小粗矮的物体与高大细长的物体相比表面积较少，所以船舶设计师把潜水艇设计成矮短粗圆的外形，而把水面船舶设计成高大细长的外形。

影响波浪阻力的另一个因素是一个物体在水面移动时的流畅程度，因为波浪也能携带能量，所以游泳者在水中做任何不平稳的或是多余的动作而产生的波浪都说明是能量的损耗。这就是为什么一个肌肉发达的小伙子在相邻的泳道中游泳时，手臂像风车一样抡圆了划水想加快速度，但前进速度似乎并不像他应该游得那么快的原因。

在1996年奥运会上，科学家们在研究运动员比赛时，发现用较少划次完成每趟赛程的游泳选手实际上是很可能赢得比赛的人。自由泳运动员波波夫就非常注重保持完美的身体形状，训练时似乎从不快游，将游完每池长的划次减到最少。

因而他把形状阻力和波浪阻力都降低到了最低程度，这对提高比赛速度会越来越重要。他的教练吉纳迪·图列斯基根据流体力学的基本原理和对鱼游泳进行观察的方法作为他的非传统的训练方式，图列斯基说，鱼及其它动物都是以每个动作越过更长的距离来提高速度的，而不是提高动作的速率。在1992年奥运会上，当波波夫在50米自由泳比赛中击败比昂迪赢得第一枚奥运会金牌时，与比昂迪游完全程用了36下划次相比，他用了33下划次。

泰利·拉夫林说，计算划次最终会使他们学会消除不必要的动作并使效率最佳化。

“计算划次很重要，因为它是你如何使用能量的最明确的标记。”他说。“在游泳竞赛中，大约只有2%的人本能地用长划幅划臂，对我们其余的人来讲，有影响力的本能且告诉我们划得快才能游得快。波波夫及其他顶尖游泳选手们可以毫不费力地划臂七到八次就能游过25码长的距离，”拉夫林说。“我在当地的基督教青年会游泳时，无论什么时候数划次，平均划频都是25下或者更多。”

推水时什么时候发力？如果加快划频会不会游得更快？增加划水强度又会怎么样？或者像划舟人用大桨划舟似地把更多的水推向身后？

早在我开始同别人比赛游泳的六十年代，那时的教练们把游泳运动员看成是靠向后推水推进的明轮船，他们告诉我们说，向前游进的最有效方法是用手抱住水，然后从头部直接向臀部推水。

然而，当时最好的竞技游泳运动员通过高速水下摄影却显示了他们的手是沿S型路线迂回划动的。然后是七十年代，印地安那州立大学游泳队主教练詹姆斯·康西尔曼博士，因为是马克·斯皮茨的教练而出名，他在黑暗的游泳池内，拍摄手上戴着闪光灯的竞技游泳运动员游泳时，发现运动员的手、脚的大部分动作是上下或左右，而不是前后。

这就给科学家们提供了论据，说明游泳运动员推动自己前进的主要是升力，这与飞机在空中飞行的原理是相同的。因为飞机机翼上翼面是弧形的，所以与空气直接在机翼下流过相比，空气越过上翼面流动到机翼后面时的行程要远一些。

十八世纪瑞士科学家丹尼尔·伯努利发现了流体速度越快，压力就越低的原理。在飞机上，机翼上方快速流动的气流使机翼上面压力小，使机翼下面压力高。由此产生的作用力会使飞机起飞，或者升高。

伯努利原理也适用于液体，但对游泳运动员来说，上升是水平方向的而不是垂直方向的，这是因为升力是以垂直于由高低压差产生的阻力方向推进身体前进的。并且这种拖曳力也包含了游泳运动员的推进力，根据一些运动科学家的说法，推进力主要是由手和脚的上下运动产生的。

但也有一些运动科学家强调：当游泳运动员以S型路线划水时，手和脚像螺旋桨一样不断变换倾斜度推进自己向前游进。他们测定自由泳大约80%的推进力来自手臂划水，20%来自打腿。像海豚尾部向下打水一样，向下打腿动作会使脚部上方和下方产生压差，当脚打水幅度较大时，推进力就会增加，但这要借助于屈膝和增加踝关节的柔韧性。

当手以一定的角度倾斜入水时，水流流过手指的速度比掌心快，因而手的下划动作使手背上方产生低压区，掌心下方产生高压区，根据科学家和亚利桑那州立大学游泳教练欧内斯特·马格利索所说，当游泳运动员的手和脚改变划水方向和倾斜度时，四周的水流也会随着改变方向，所以它们的作用就象螺旋桨的叶片一样。

也许很多其他的科学家不同意这种解释。他们说，手和脚的表面积或曲线形状还不至于产生足够的升力，使游泳运动员以他们游进的速度向前推进。而且，因为游泳运动员根本不能以肩关节为轴旋转手臂，并且每次只能完成一半的划水周期，所以把划水比喻为螺旋桨是没有根据的。

而当一些科学家又回到推进力仅仅是手臂向后运动的观点时，其他大多数人却承认他们对此无能为力了。“坦白地讲，我认为谁也没搞清楚这件事，”伊莎贝尔承认道。然而，不管用什么样的方式，游泳运动员就是靠手和脚推进自己的，拉夫林强调说，在自由泳和仰泳中，要通过“身体核心推进力”辅助推进身体前进，而“身体核心推进力”要通过髋部和肩部的转动来完成每个划水动作。

“游泳运动员是动态的，”拉夫林说，“不是静态的，”和“游泳中的身体旋转会产生动力，就像打棒球、高尔夫球或网球（或投掷标枪、拳击）一样，都会发生生物力学的链式反应。腿部带动髋部，髋部带动躯干，躯干又带动动力学链最后的链环- -肩部和手臂。”

“最有功效的运动不会在任何一个连接点起始和终止。当我们利用精确的人体力学时，力量会涟漪整个身体，就像抽鞭子一样啪地一声最后到达力量的释放点。” 但是游泳运动员如何使用动力学链，这与以陆地为基地的运动员相比存在着关键性差异。

在陆地上，链式反应是腿支撑在地面上，从身体反向摆动开始，这个动作被称为弹性载荷，就像一条被拉伸的橡皮筋。臀部的摆动动作就像一条鞭子的把，通过躯干向上投掷能量，使肩部和手臂增加速度和力量。

“因为游泳运动员不能把脚支撑在地面上，所以髋部就不能起到鞭把的作用，达不到使力量集中一点推动整个身体的实质目的。当我们以最大效率游泳的时候，躯干轴向转动推动在移臂的手臂前伸入水，同时也驱动另一只手臂向后推水。”“我们不要靠举重的方法增加划臂的力量，而要把消极的身体转动变成强有力的身体转动，通过这样的手段来增加力量，暂时征用强壮的躯干肌肉把力量传递给手臂。”

然而，对我们大多数人来说，我们游泳时不可能像我们想的那样每个动作都做得很完美，但必须通过不断的练习训练我们的神经肌肉系统，最重要的是要找个好教练帮助我们。

“最好的游泳与其说是一门科学，到不如说是一种艺术，正如世界上最好的游泳选手所例证的那样，他们向我们其余的大多数平凡人展现了一种不可思议的雅致、高效和流畅。”