Гидродинамические качества в плавании

Свойства движущейся жидкости значительно отличаются от свойств жидкости, находящейся в  покое, поэтому, как только рука и  вода начинают двигаться относительно друг друга, возникает гидродинамическое сопротивление — сила, обеспечивающая движение объекта в жидкости. Анализ механики гребка обычно делался без учета такого сопротивления и результирующих реакций течения.

При анализе гребка за основу можно взять принципы гидродинамики. Это дает возможность: понять сущность движущей силы и уяснить особенности воздействия на воду при гребке с различной траекторией; проанализировать движущую силу путем соотношения реакций течения с особенностями механики гребка посредством оценки размеров и формы завихрений, а также места их возникновения; проанализировать условия обеспечения наибольшей движущей силы.

Как и любая жидкость, под воздействием силы вода изменяет свою форму, что проявляется в течении и изменении ее упругости, которая, в свою очередь, обусловлена вязкостью. Течение и упругость являются теми характеристиками движущейся воды, которые довольно объективно может оценить любой квалифицированный пловец.

Линию тока (обтекания), указывающую направление и скорость течения, определяют как кривую, всегда касательную к течению. Поэтому жидкость не может пересекать линию тока, она только течет вдоль нее. Скорость движения жидкости выше там, где линии тока ближе друг к другу, и ниже — там, где расстояние между ними больше.

Если линии тока сохраняют  одинаковую форму, можно говорить о равномерности течения. Анализировать структуру равномерного течения намного легче, чем неравномерного.

Течение вокруг погруженного в воду объекта можно изобразить на диаграмме линиями тока. В случае если скорость жидкости в данной точке  зависит не только от ее положения, но и от времени, линии тока постоянно изменяются. Совокупность всех линий тока в тот или иной момент образует сиюминутную структуру течения, которую можно представить линиями тока, показывающими направление течения в различных точках. Из бесчисленного количества линий тока обычно выбирают пять —десять линий, чтобы они разделили течение на несколько «каналов», каждый из которых несет одинаковое количество воды за равное время. Уменьшение ширины способствует увеличению скорости течения. По структуре течения определяют не только его направление, но и скорость в любой точке потока воды (рис. 2.1), а зная ее, специалисты в области гидроаэродинамики могут определить и силу давления в границах течения.

 

Рис. 2.1

Структура течения  вокруг крыла с указанием направления и скорости течения; меньший промежуток между линиями тока показывает участки наиболее высокой скорости

Рис. 2.2

Классическая  гидродинамическая модель структуры течения «идеально» текущей среды без учета вязкости жидкости; рисунок иллюстрирует структуру течения вокруг препятствия цилиндрической формы

Еще в XVIII ст. Эйлер и Бернулли основали школу классической гидродинамики для изучения движения в гипотетической «идеальной» жидкости. Однако линии на диаграммах структуры течения такой жидкости правильны, постоянны (рис. 2.2) и не объясняют явления, при которых важна роль вязкости. Без стрелок, указывающих направление течения, его невозможно было бы определить из-за абсолютной симметричности структур течения и давления. Кроме того, согласно теории идеальной жидкости, она скользит за телом, «не прилипая» к нему и не образуя пограничного слоя. Симметричность структуры течения и отсутствие слоя «задерживающейся» жидкости в этой идеальной невязкой жидкости означает, что на цилиндр не действует сила сопротивления.

Ввиду относительно небольшой  вязкости воды и воздуха, по крайней мере по сравнению с такими жидкостями, как масло, в некоторых случаях можно было бы допустить применение теории идеальной жидкости, однако не при анализе структуры их течения мимо твердого объекта, когда их вязкостью нельзя пренебречь (рис. 2.3).

Рис. 2.3 Турбулентное течение позади погруженных тел: цилиндрической формы (а); обтекаемой формы (б); пограничные слои «замедленной» жидкости заштрихованы

Тонкие линии на рис. 2.3 отражают средние траектории движения потока. Имеется и пограничный слой «замедленной» жидкости вокруг передней половины цилиндра (заштрихованной), в котором элементы жидкости прилипают к объекту, что повышает вязкость и замедляет движение их «соседей». С другой стороны, движущиеся «соседи» воздействуют в направлении вниз на «приклеивающиеся» элементы, которые, в свою очередь, сообщают его телу в виде поверхностного сопротивления.

Вода не может ускоряться до бесконечности именно из-за своей вязкости (внутреннего трения), при отсутствии которой скорость течения в реках достигала бы сотен километров в час, что имело бы довольно плачевные последствия. Пловец способен «захватить» воду лишь потому, что вязкость воды способствует разделению потока, а это приводит к различию давления вокруг руки. При определенных условиях этот дифференциал давления обеспечивает сопротивление, вследствие которого возникает движущая сила (Каунсилмен, 1982). Однако вязкость не только помогает пловцу продвигаться вперед, но и создает сопротивление формы, затрудняющее его продвижение, в результате чего к телу «прилипают» контактирующие с ним элементы жидкости. Относительно этих элементов двигаются соседствующие с ними, что «включает» противодействующие движению и вызывающие трение силы сопротивления.

Большая часть вязкой деформации происходит в пределах пограничного слоя — относительно тонкой зоны, непосредственно прилегающей к поверхности тела, которое движется в водной среде. Пограничный слой, который состоит из ряда очень тонких слоев, всегда   имеет   градиент   скорости; это означает, что каждый последующий слой движется с большей скоростью, чем предыдущий. На поверхности скорость равна нулю, поскольку первый слой «приклеился» к коже, а каждый последующий слой двигается со все более высокой скоростью.

Всякий раз когда  на пути движения жидкости возникает неподвижное препятствие или когда в ней движется твердое тело, притяжение молекул предотвращает относительное движение между жидкостью и телом на его поверхности. Поэтому какова бы ни была скорость движения жидкости по трубе, у стенки она равна нулю.

Сопротивление движущемуся  в жидкой среде объекту составляет встречная его движению и направленная перпендикулярно ему подъемная сила, в котЪрой сопротивление меньше. Преграда же вынуждает объект отклоняться от обычной прямой, что связано с реакцией на препятствие в виде сопротивления. Чем больше отклонение, тем выше сопротивление. Поэтому форма и расположение тела во многом его предопределяют (рис. 2.4).

Рис. 2.4

Отклонение  потока воды и его сопротивление, вызванные различным расположением находящегося в нем предмета: a - минимальное отклонение потока и соответствующее сопротивление при расположении тонкой пластинки параллельно потоку; б — резкое отклонение потока и несоизмеримо большее сопротивление при ее расположении перпендикулярно потоку воды.

Тонкая пластинка, расположенная под наклоном к потоку, образует «угол атаки» (рис. 2.5). Если он невелик, то давление под пластинкой выше, чем на ее поверхности, что образует действующую перпендикулярно течению подъемную силу. Однако такой силе всегда сопутствует сопротивление, действующее в направлении, противоположном движению объекта, т.е. на пластинку действует совокупная сила, направленная назад и вверх.

Движение пропеллера самолета образуется еще вращением  вокруг своей оси и движением  самолета вперед, вследствие чего лопасти  двигаются вперед по спирали. Такая спиралеобразная траектория эффективна при движении руки пловца во время гребка и, особенно, в его переходных фазах, когда кисть меняет направление движения.

Каунсилмен (1982), ссылаясь на закон Бернулли, отмечал, что движения кистей и ступней пловцов создают подъемную силу подобно крыльям самолета, и в этом плане имеет многих единомышленников.

Однако принципы гидродинамики заставляют усомниться в том, что механизм крылоподобных движений кистей и ступней пловца такой же, как у механических пропеллеров. Реакции течения, вызываемые движениями квалифицированных пловцов, свидетельствуют о «нетрадиционных» механизмах образования подъемной силы, которые все же принципиально не отличаются от встречаемых в природе.

При прохождении потока жидкости вокруг крыла течение над его верхней выпуклой поверхностью быстрее, что, согласно закону Бернулли, сопряжено с более низким, чем у нижней поверхности, давлением, и соответствующая разница образует подъемную силу.

Фундаментальным понятием гидроаэродинамики является циркуляция, вызываемая даже брошенным камнем. Циркуляция в виде сопровождающего тело и присоединенного к нему вихря способствует созданию обеспечивающей продвижение подъемной силы. При плавании присоединенный вихрь проявляется в виде вихревого течения вокруг кистей и ступней (Colwin, 1984 а).

Необходимая циркуляция потока в основном создается изменением направления движения кисти, имеющей форму крыла, в сочетании со значительным вращением ее и предплечья.

Чтобы понять, что происходит в начале движения «крыла» в неподвижной жидкой среде, возьмите кусок наклоненного и находящегося в дыму картона, переместите его и увидите завихрения у его задней кромки. Это начальное завихрение, которое всегда возникает в начале движения крыла, а также тогда, когда кисть или ступня пловца начинает движение в определенном направлении.

Один из законов гидроаэродинамики гласит, что завихрение вызывает равной силы антизавихрение, циркулирующее в противоположном направлении (закон сохранения количества движений). В случае «с крылом» антизавихрением является отвечающий за циркуляцию и образование подъемной силы присоединенный вихрь, который продолжением своего существования «обязан» сдвигающим силам над поверхностями «крыла». Эксперименты с вращающимся в потоке воды цилиндром показали, что завихрение, подобное начальному, возникает повторно когда течение и циркуляция прекращаются. В технике такое завихрение называется конечным.

Математически доказано, что если поток не имеет циркуляции в момент начала движения, то он не может  ее иметь и по окончании. Конечное завихрение в конце каждого движущего импульса во время гребка указывает на прекращение движущего усилия в данном конкретном направлении.

Таким образом, любой  из производящих подъемную силу механизмов сопряжен с тремя видами завихрений: начальным, присоединенным вихрем и конечным.

Помимо подъемной силы, разница давления у нижней и верхней поверхности «крыла» образует также сбегающий вихрь. Иными словами, сбегающий вихрь возникает в силу свойства жидкости перемещаться из участков высокого давления в участки низкого. Ввиду отсутствия каких-либо «преград» на конце крыла, разделяющего участки высокого и низкого давления, жидкость перемещается из-под крыла на его верхнюю часть, что смещает движение жидкости на верхней поверхности крыла слегка вовнутрь, а на нижней — наружу, тем самым знакомя нас с третьим измерением потока вокруг «крыла». Встречающиеся на задних кромках крыльев потоки, пересекаясь, образуют ряд небольших сбегающих вихрей, которые объединяются в один большой. Энергия, используемая для образования такой вихревой дорожки, представляет собой индуктивное сопротивление. Вполне очевидно, что для увеличения скорости необходимо приложить дополнительные усилия для преодоления индуктивного сопротивления, и продвигающийся   преимущественно   за   счет подъемной силы пловец всегда его создает. Случайная аэрация течения (захват воздуха водой) является очевидным доказательством образования сбегающих вихрей на кистях плывущего кролем на груди, на спине или баттерфляем (рис. 2.13).

 

Рис 2.13

"Отрыв"  сбегающих вихрей от кистей пловца в начале гребка при плавании кролем на груди (а), баттерфляем (б) и  на спине (в)

 

    Понятие «организованная система вихрей» относится к продвижению вследствие крылообразной подъемной силы при наличии присоединенного вихря и сбегающих с конца «крыла» вихрей. Пропеллер представляет собой вращающееся «крыло» и, когда подъемная сила равномерно распределяется вдоль его лопастей, возникает организованная система вихрей, которая имеет место и при движении кисти пловца.

Использование крылоподобной движущей силы ограничено условиями, при которых структура постоянного течения не изменяется. Это характерно Для традиционного создания подъемной силы, при котором «крыло» располагается под углом атаки, обеспечивающим устойчивую циркуляцию потока над поверхностью крыла. При слишком большом угле атаки поток разделяется и теряет устойчивость, что, в свою очередь, приводит к нарушению необходимой для создания подъемной силы вихревой циркуляции. Это явление называется «срывом потока».

Рис. 2.14

Различие  скорости течения над рукой и под ней образует дифференциал давления

 

Рука пловца при соответствующем ее положении (рис. 2.14) служит подобием «крыла»; например, при входе руки в воду при плавании кролем на груди с высоким положением локтя относительно запястья поток воды быстрее движется у верхней поверхности и медленнее вдоль нижней. В этом случае подъемная сила действует вверх, обусловливая высокое положение верхней части тела в воде, но не способствует продвижению вперед. Последующее движение кисти образует более благоприятный угол для создания направленной вперед под наклоном подъемной силы. Соответствующее положение сохраняется недолго.

Квалифицированные пловцы обычно в начале гребка задают стабильное (с организованной системой вихрей) движение потока, однако последующие изменения направления движения кисти и конечности увеличивают угол атаки. Хотя кисть и предплечье и сравнивают с лопастью пропеллера, но в силу анатомических причин они не могут подобно механическому винту вращаться вокруг своей оси на 360°.

Рис. 2.15

Выполнение  гребка при плавании баттерфляем, при котором правая кисть образует неустойчивое, а левая стабильное течение

 

На рис. 2.15 показано, что  если кисть образует слишком большой  угол атаки (в данном случае правая), то это ведет к увеличению сбегающего вихря и началу его «разрывания». При этом сбегающий вихрь готов «оторваться» от кисти, что указывает на завершение действия подъемной силы, обеспеченной крылоподобным положением кисти. Кисть левой руки, напротив, находится под идеальным утлом атаки и тонкие сбегающие вихри отражают стабильность потока.