游泳与力学的距离.doc

游泳与力学的距离开场白通常，游泳者问得最多的两个问题是：1）我为什么一直学不会游泳？2）为什么我游不快，游不远？我以为，游泳技术问题是一个符合解剖生理的力学问题。游泳的每一个细节都与这两者息息相关。虽然，道理归道理，一个人一但下了水，很难还能去考虑什么力学问题，但是，对于这些道理的熟悉和了解，对学习游泳可以产生一种潜移默化的作用，可能突然地在某一天，你会对自己的某个动作细节有一种“灵感”，这时你再回过头来想想这些道理，或许就能有一个明白的认识，就能帮你提高游泳水平。对于公众，任何道理都应该通俗简单明了，在下面的文字中我将尝试做到这一点。1、 沉浮与升降大家都知道阿基米德（原谅我引用洋人的名字，下不为例），知道那个著名的王冠的故事以及流体中静止物体的浮力定理。说到游泳首先便是沉浮问题，有意思的是人体的比重刚好稍微小于水的比重，结果是你想把自己全部都泡进水里的话，则偏有一部分要浮出水面；而你想要把身体某一部露出水面的时候，其它部分就不免沉入水中。对于刚学习游泳急于要明白如何才能换气的学习者来说，这给你的启示就是：为了露出嘴巴，必须把身体的其它部分都没入水中！阿基米德定理只适用于静止物体。飞机的比重远大于空气比重，停机坪上的飞机所获得的空气的浮力和飞机的重量相比不过九牛一毛。可是飞机能飞上天！因为它在空气中运动的时候可以获得足够的升力。这一点给我们的启示是，即便你非常的消瘦，就算你的比重要大于水的比重，你也可以照样学会游泳！问题就在于如何在游动中获得额外的浮力升力。见过飞机的翅膀吗？它的下面是平的，上面是鼓起来的，就是说机翼断面是向上凸的。根据一条著名的流体力学定理，当空气分别流过这样的机翼上下两侧的时候，机翼下面会产生较大的压力，这个压力是向上的，称为升力，从而能把飞机托起来。如果机翼的断面是下凹的话，那么由于产生的“升力”是向下的，飞机就永远飞不起来了。（与升力有关的另一个问题是合适的迎角，就是前端稍微上抬）。现在，你对自己游泳时身体躯干该保持一个怎样的位置形状是否有了一些朦胧的认识？正确的形状是：头略高，脚略低（就是有一点点迎角），躯干保持平直地卧/躺在水中。经常见到一些游泳者费力地抬头换气，越努力抬头越难抬起头来。他们可能同时违背了上面的两个道理：水面露出部分过多造成浮力减少身体下沉（从而身体有一个周期性的上下运动，纯粹是白费力！）；抬头时提臀塌腰使躯干成为下凹的形状，使“升力”向下，人下沉。仰泳时也是一样，弯腰抬头（身体呈凹状）想看脚的方向往往很困难，而当你鼓起腰，将眼睛尽量向后方水平线方向看的时候（身体呈上凸），你的头甚至肚皮都非常容易露出水面了。2、 铅球与轮浆大家都知道作用力与反作用力的道理：二者大小相等、方向相反，分别作用在两个物体上。我们游泳时不论是划水或者打腿，都是为了获得水对我们的反作用力，推动我们前进。大家推过铅球或某个重物吗？推动它也许需要大的力气，但当物体开始滚动或滑动的时候，继续推动它就不再需要那么大的力了，当然，此时物体对我们的反作用力也减小了。此时，为了持续保持物体对你的大的反力，你需要加力去推它，让它提高滚动或滑动的速度才行。任何一种泳姿的手部划水动作，当你开始划水，并造成那部分被你划着的水跟着你的手滑动的时候，它就不能继续为你提供前进的动力了。这时侯你就必须去划另外的新的、未被你划动的水，或者对已经被你划动的水加力，才能继续获得水对你的反力来推动你前进。从这里引出的道理是：游泳的手部划水路线，其深度和左右位置都是始终在变化的（即符合生理，又正好能让你寻找到未被划动的水），即是一个S形。不论蛙泳还是爬泳，由于人体的结构所限，后半程很难再划到所谓的未被划动的新水，因此解决的办法就是在划水的后半程加力。特别是爬泳，当胳膊划过胸前之后，如果不加力，很容易丢失水对手臂的压力感，这一点对高速短距离的游进特别重要。大家可能记得尼罗河傍的惨案里的轮船，推动船的叶轮象两个转动的大水车。爬泳的手臂动作有点象这个大转轮，当胳膊划至与身体垂直位置（就是胸前）的时候，获得的力量最大，这个力量的大小等于图1-1里三角形的面积，划水力量越大，三角形的底边越长，面积越大。三角形顶的位置相当于我们的肩膀，底相当于我们的手掌。因此尽管划水时手掌是最有效的划水部位，但整条胳膊都发挥到作用才是主要的。如果给你一只浆，让浆垂直于水面平移地划水，那么得到的划水力量是多大呢？是图1-2里的矩形面积。用的力量越大，底边越长，面积越大。从这里我们可以得到一个加大划水力量的办法：利用肩的灵活性。如果你的肩拉不开，那么你的划水就以肩为轴，力量就象上面提到的轮船的叶轮；如果你能拉开肩膀，让肩产生一个后拉的动作，那么你获得的力量将是叶轮与浆的叠加，就会等于图1-3中的面积。因此，现在我们知道，对于爬泳和蝶泳，肩关节的灵活性具有多么重要的作用。图1-1：缺乏灵活性的肩部，胳膊划水以肩为圆点的效果。图1-2：用浆平移划水的效果。图1-3：灵活的肩部，积极参与回拉时的划水效果（比图1-1大出一块矩形面积）3、 魔术师与芭蕾舞你一定和我一样，羡慕魔术师灵巧的双手和芭蕾舞者站立时踝关节部所形成的曲线。它们和游泳有关吗？当然。我们已经知道手掌总是划水最有效的部位，而腕关节又是身体最灵活的一个关节。因此，不论何种泳姿，通过转动手腕，总能在划水的有效行程里对准水（也就是抓住水），从而产生好的划水效果。这一点，大家在练习时比较容易体验到。而踝关节刚好相反，游泳中脚掌的重要性不如手掌，灵活性也差，往往被人忽视。以蛙泳来说，如果收腿后你的踝关节打不开，那么收腿后应该形成的大写的W上的那两个短横就没了，也就是说蹬水的有效面积就减小了（图2-1）。而当蹬夹水的动作结束，开始漂移时，如果踝关节绷不住，那么脚掌的对水面积就显著增大，产生的阻力也大（图2-2）。不仅于此。我们知道人的浮心靠上，重心靠下，因此如果平躺在水中的话，腿部是要下沉的。对于爬泳和仰泳，要靠腿部上下交替打水来获得维持腿部平衡所需的浮力。如果交替打水的上踢腿与下压腿的形状、用力相同的话，那么两腿产生的垂直方向的力量大小是相等，相互抵消的结果是无法使腿获得浮力。见过一些爬泳初学者，无论双腿多么努力打水，腿总是浮不起来，而另一些人，爬泳时腿部只做轻巧的打水就能很好地维持平衡。问题在那里？在于两腿打水的力度和踝关节形状。我们知道力是矢量，可以在相互垂直的方向上进行分解。假如上踢腿和下压腿的用力相同，如图3-1所示，那么P=P，显然是不会产生浮力的。如果下压腿的踝关节不好，展不开（3-1A），向下打水时的面积减小，可能还要产生下沉的力。因此，打腿的时候下压（打）的那条腿力量要大些，要展平踝关节。也就是说要着重下压的那条腿，上踢的那条腿随它自然。但实际上，我们希望腿部的打水能尽可能地产生前进的动力。也就是说，希望水平的分力F与F尽量大些。这时候我们就需要有一个芭蕾舞者的踝关节了。如果你踝关节的灵活足够好的话，你腿部打水的力量分解就是图3-2的样子，显然F与F较图3-1要大的原因是踝关节象芭蕾舞者一样变弯了。图2-1收腿后踝关节要打开图2-2，瞪直腿后踝关节要绷平图3-1：爬泳打腿，踝关节至少要展平，下压腿用力稍大图3-2：有效的打腿，下压腿的踝关节要象芭蕾舞者一样能够弯曲，以获得大的水平力F4、 速度与代价追求快速几乎是每一个游泳者都在追求的目标。但是快速的代价是什么？流体力学里速度与阻力之间最常见的便是所谓的阻力平方关系，也就是说，速度增加一倍，阻力要增加为原来的4倍。因此，由于你的体力有限，为了获得更快的速度，除了施加更强有力的划水外，还要考虑更有效的划（打、瞪，下同）水。划水的绝对效果取决于：划水的力量、面积与距离。大的划水力量、大的划水面积和长距离的划水路线当然会有好的效果。爬泳、仰泳和蝶泳中，对划水的力量、面积和距离都好理解，上面提到的爬泳肩部的展开和回拉就是加长划水距离和力量的一个有效方面。但这个问题对于蛙泳来说就变得复杂了，演变成瞪腿与收腿、划水与出手之间的面积差、力量差和距离差。由于收腿与瞪腿、划水与出手之间效果的相互抵消，你为了提高速度而用来抵消收腿出手这些负面动作效果的力量也将成倍增加！在速度和代价这个问题上还有另一个问题：你把有限的力量用在何处？要知道，参与运动的躯体的枝干越大，耗氧越多。疲劳越快。显然，运动胳膊比腿的耗氧少，运动腿比躯体的耗氧少。产生的前进力与耗氧之比大的（看做性价比高低如何？），首推爬泳。当你以为蛙泳适合长距离游泳的时候，不知道你见过50公里海泳比赛没有？我是说你见过多少真正用蛙泳进行全程长距离游泳的？我以为，从省力高效的角度，蛙泳不是一个好的泳姿，不适合做真正长距离的游进。当然，蝶泳由于躯干的波浪运动，其耗氧让人很难持续，更不适合做长距离的游进。所以，你知道，我鼓吹爬泳和仰泳，是因为它们的高效。回到蛙泳上来。告诉你我不喜欢蛙泳的原因之一是它讲起来麻烦。我说过，与其它泳姿不同，蛙泳动作的效果取决于1）如何获得最大的瞪腿与收腿、划水与出手动作之间的力量差、面积差、和路线差；2）如何最大限度地化解蹬腿与出手、划水与收腿这一对冤家的矛盾。5、 画方与画圆大家可能都做过这个试验：一只手画圆，另一只手同时画方。通常你不是双手同时画成圆就是同时画成方。这个问题本身与游泳无关，可要命的是，在水中，当你蹬腿的时候，你很可能习惯地同时向前伸手，划水的时候又同时收腿！给你一只船，一大一小两只浆。现在要求你：每向后划一浆，就必须向前划一浆，你怎样划才能最快？你当然会说：用大浆用力向后长长地划一浆，再用小浆轻轻短距离地向前划一浆。不错。你实际已经回答了上面的第一个问题。现在问你：这一大一小、一轻一重、一长一短的两浆是同时进行好呢，还是交错开，哪样划船会比较快？力学解答的结果是：如果同时划由于二者效果抵消严重，船前进的少；而交替划船前进的比较多。因此对于蛙泳，对至关