Наука плавания

Люди произошли от морских существ, но, глядя на
наши тела, вы никогда этого не узнаете. Мы не могли бы быть менее приспособлены к
перемещению в воде, даже если бы попытались. Мы не очень хорошо плаваем, не можем
долго дышать под поверхностью и быстро устаем, когда продираемся
сквозь волны, пытаясь двигаться вперед; в гонке по прямой
с дельфином или акулой вы всегда придете последним!

Но у нас, людей, есть одно большое преимущество : мы знаем о науке. Мы
понимаем, как работают силы и как использовать их в своих
интересах. Если вы никогда не думали о плавании как о науке, сейчас
самое время начать. Примените немного научного мышления, и вы обнаружите, что
можете плавать гораздо эффективнее. Если вы нервный непловец,
размышления о надежной науке, которая держит людей на плаву, могут придать вам
достаточно уверенности, чтобы преодолеть свой страх. Так чего же мы ждем?
Давайте сделаем решительный шаг — с более пристальным взглядом на науку
плавания!

Фото: Плавание возвращает людей с суши в океан или бассейн! Вам приходится прикладывать силы, чтобы двигаться в воде, а другие силы вас замедляют. Поймите эти силы, и вы сможете плавать гораздо эффективнее. Фото Р. Джейсона Брансона предоставлено ВМС США и Wikimedia Commons.

Что такое плавание?

Это звучит как тривиальный вопрос, но он помогает
внести ясность.

Плавание — это перемещение тела в воде
(умеренно вязкой жидкости), которая либо неподвижна (как в бассейне), либо бурлит (как в океане), либо находится
где-то посередине. Если вы плаваете полностью под поверхностью
(например, ныряете с аквалангом), вы движетесь в относительно неподвижной
воде; в других случаях вы будете двигаться по более
бурлящему интерфейсу между воздухом и водой, при этом ваши ноги, руки,
голова и тело будут перемещаться из одного элемента в другой и обратно,
ускоряясь или замедляясь при пересечении границы.

Фото: Даже лучшим пловцам приходится двигаться по изменчивой границе между воздухом и водой.
Это самое неэффективное место для плавания, но единственное место, где вы можете это сделать, если вам нужно дышать воздухом. Фото Майкла Р. Хольцворта
предоставлено ВМС США.

Вода против воздуха

Прежде чем мы сможем понять науку плавания,
полезно вспомнить, что воздух (газ) сильно отличается от воды (
жидкости). Самое большое отличие в том, что вода намного плотнее (
тот же объем весит намного больше) и вязкая (другими
словами, гуще — так же, как патока более вязкая, чем
вода).

Произведение искусства: Вода намного плотнее воздуха (на единицу объема приходится гораздо больше молекул), поэтому в ней труднее плыть и она кажется холодной, даже если ее температура такая же, как у воздуха
над ней. Попасть в «холодную» воду — это как прикоснуться к «холодному» металлу: оба кажутся холодными, потому что они очень эффективно проводят (и крадут) тепло у вашего тела.

Разница между воздухом и водой имеет огромное
значение для того, как мы можем передвигаться по воздуху и земле. Когда вы ходите по земле,
основное, что должно делать ваше тело, — это работать против силы тяжести (поднимать
ноги, размахивать руками и не падать,
постоянно корректируя равновесие) и небольшого трения, когда ваша обувь касается земли. Если вы
двигаетесь быстрее (например, на велосипеде), сопротивление воздуха становится
более важной силой, чем сила тяжести; если только вы не идете против очень сильного ветра, вы
едва замечаете воздух во время ходьбы. Когда вы находитесь в воде,
сила тяжести гораздо менее важна, потому что ваша плавучесть (склонность
всплывать) в значительной степени нейтрализует ее. Основная сила,
о которой вы должны думать как пловец, — это сопротивление — сопротивление воды.
Мы вернемся к этому через минуту.

Другие различия между водой и воздухом
важны, если вы плаваете на открытом воздухе, особенно в зимние месяцы:
поскольку вода намного плотнее воздуха
(точнее, поскольку она содержит гораздо больше молекул на единицу объема,
и эти молекулы связаны друг с другом), она отводит тепло от вашего
тела примерно в 25–40 раз быстрее, чем воздух той же температуры. (Вот
почему серферы и «дикие» пловцы на открытом воздухе, как правило, надевают гидрокостюмы, чтобы
избежать гипотермии, очень опасного охлаждения ядра тела, которое
может вас убить.) Поскольку вода намного плотнее воздуха, ей требуется гораздо больше времени, чтобы
нагреться. Вот почему температура океана обычно отстает от
температуры суши на 2–3 месяца в таких странах, как Восточное побережье США
и Великобритания (где океан часто бывает самым теплым в сентябре).

Законы плавания Ньютона

Если вы любите науку, но плавание вас пугает,
вам будет очень полезно — как это было со мной, когда я учился плавать — подумать
о трех законах движения Ньютона. Среди самых фундаментальных
правил физики, этих трех основных принципов достаточно, чтобы
полностью объяснить движение почти каждого отдельного объекта, с которым вы когда-либо
столкнетесь.

Первый закон описывает концепцию инерции .
Он гласит, что вещи остаются неподвижными или движутся равномерно (с той же скоростью),
если только что-то не толкает или не тянет их (если только не приложена какая-то сила
). Второй и третий законы представляют больший интерес. Второй
закон объясняет связь между силой и ускорением : если вы
толкаете или тянете что-то, оно начинает двигаться (если оно было неподвижно изначально
) или движется быстрее (если оно уже двигалось); чем больше сила, которую
вы прикладываете, тем большее ускорение вы получаете; чем дольше вы прикладываете силу
, тем большего изменения импульса вы можете достичь.

Когда речь идет о плавании, третий закон, возможно, самый важный. Он гласит, что когда вы прикладываете силу к объекту
, объект возвращает вам услугу и прикладывает равную силу к
вам — в противоположном направлении. Этот закон часто называют действием
и противодействием , и это самый простой способ для ученого,
не умеющего плавать, понять воду. Вы, вероятно, уже знаете,
что если вы ударите ногой назад о стенку бассейна,
вы вылетите вперед по воде. То же самое относится и к
настоящим плавательным гребкам. Проще говоря, если вы хотите плыть вперед
по воде, вам нужно тянуть воду назад руками
. Если вы хотите, чтобы ваше тело оставалось на поверхности
, вам нужно отталкиваться ногами . Если вы
плывете и хотите резко остановиться и встать, вы можете
опустить руки перед собой (своего рода круговым движением — немного
похоже на поклон), и ваши ноги опустятся позади вас, так что
вы приземлитесь в вертикальном положении на ноги. Освойте эти базовые
движения — простые применения третьего закона Ньютона — и вы обнаружите,
что сможете легко плавать и уверенно останавливаться, когда это необходимо.

Фото: Исаак Ньютон говорит нам, что мы должны тянуть воду назад, чтобы двигаться вперед, как это делает этот пловец, используя вытянутую руку и предплечье как весло. Эта часть гребка называется «захват
и тяга». Фото Алана Д. Моньеля предоставлено ВМС США
и Wikimedia Commons.

Минимизация сопротивления

Фото: Велосипедисты понимают, что им нужно минимизировать сопротивление, потому что они чувствуют, как воздух
сильно давит на них. Несмотря на то, что вода «густеет» и пловцы чувствуют сопротивление воды гораздо сильнее, они не всегда осознают важность минимизации сопротивления.

Множество других научных факторов оказывают большое
влияние на то, насколько хорошо вы можете двигаться в воде. Как только вы освоите основы науки
плавания, следующим шагом станет минимизация сопротивления воды: это
поможет вам плыть быстрее и дольше, используя
при этом минимальное количество энергии. Многие новички не понимают
этого, но это то же самое, что и езда на велосипеде: так же,
как велосипедисты должны минимизировать площадь поверхности, которую они представляют
ветру (приседать вперед, вытягивать руки и в целом обтекать
себя), так и пловцы должны создавать как
можно меньше сопротивления воде. На практике это означает, что вы должны сделать свое тело
полностью горизонтальным, так что (в случае кроля) ваша голова будет
полностью опущена в воду, а не высовываться, когда ваше тело наклонено вниз за ней. (Вот почему вам
нужно научиться вдыхать сбоку и выдыхать
под водой.) Вы также можете минимизировать сопротивление, вводя и
вынимая руку из воды, чтобы делать гребки, а в кроле вы можете
научиться поворачивать (вращать) свое тело, плывя из стороны в сторону. И это помогает
поворачивать лодыжки и направлять носки ног, как балерина, чтобы ваши
ноги не волочились в воде, как тормоза.

Фото: Даже лучшие пловцы создают сопротивление. Обратите внимание на турбулентность, образующуюся вокруг руки и тела этого пловца, когда он проталкивается через бассейн. Фото Шейна Мэнсона предоставлено Корпусом морской пехоты США
и DVIDS.

Ваша собственная форма тела также играет роль в том, какое сопротивление вы создаете, и хорошо подобранный купальник или гидрокостюм
может иметь большое значение. (Вы заметили, что лучшие пловцы-мужчины всегда носят облегающие
«джаммеры» или короткие плавки вместо мешковатых шорт с нелепыми, вздымающимися карманами.)
Еще одна вещь, которая влияет на сопротивление, — это степень, в которой
вы нарушаете воду во время плавания (чем больше турбулентности вы создаете, тем большую
проблему для вас представляет сопротивление). Аналогично, если вы плывете в чем-то вроде триатлона и можете найти аккуратное место
в струе, обтекаемой движущимся впереди вас человеком, вы минимизируете сопротивление, как велосипедист, обтекаемый автомобилем
или автобусом. Но даже если вы усердно работаете, чтобы минимизировать все эти факторы, вы все равно
обычно тратите примерно в четыре раза больше энергии, проплывая
определенную дистанцию, чем если бы вы пробежали ту же длину.
Плавание — это тяжелый труд! [1]

Фото: Минимизация сопротивления: Этот дайвер входит в бассейн с тщательно обтекаемым положением тела, чтобы минимизировать сопротивление. Его обтягивающие «джаммеры» (плавки) также минимизируют сопротивление, когда он окажется в воде. Фото Тритона Лая предоставлено Корпусом морской пехоты США
и DVIDS.

Стоит отметить, что
в морской воде плавать сложнее, чем в воде бассейна, по нескольким причинам. Во-первых, за исключением
прекрасных спокойных летних дней, океан почти всегда более
бурный , поэтому ваше тело не разрезает воду, как
дельфин. Морская вода также более плотная, чем пресная, из-за
содержащейся в ней соли, и это делает ее немного более вязкой. А
холодная вода (в океане) более вязкая, чем горячая вода (в
подогреваемом бассейне); вязкость воды при 10 °C (50 °F) в два раза больше, чем у воды
при 40 °C (~100 °F). [2] Если вода особенно холодная, ваше тело будет
дрожать, чтобы согреться, и это будет расходовать больше кислорода и энергии.
Все это делает плавание в холодном океане более сложным
занятием, чем плавание в подогреваемом бассейне, но в результате
ваше тело работает интенсивнее и получает больше упражнений.

В отличие от езды на велосипеде или спринта по воздуху, трудно
набрать импульс, когда вы плывете:
хотя вы, конечно, скользите в течение короткого времени, сопротивление воды все равно
быстро остановит вас. Здесь мы имеем первый закон движения в действии. Если бы вода была такой же легкой, как
воздух, но вы все равно могли бы плавать и плыть в ней, вы могли бы грести
некоторое время, а затем отдохнуть, позволяя своему импульсу продолжать двигаться
вперед (так же, как вы можете время от времени прекращать крутить педали на велосипеде).
Но сила воды, толкающая вас, быстро приводит вас в
состояние покоя. Вы также будете испытывать инерцию, когда попытаетесь изменить
направление: поскольку скорость — это скорость в определенном направлении ,
изменение направления означает изменение скорости — и это требует от вас
применения силы, даже если вы плывете с постоянной скоростью. Если вы плывете
кролем и решаете развернуться полукругом
и вернуться туда, откуда пришли, на самом деле довольно сложно изменить
направление вашего движения, не останавливаясь и не разворачиваясь или не делая
сальто.

Эффективное плавание

Плавание — это великолепное аэробное упражнение
(энергичное упражнение, которое действительно качает ваше сердце и легкие) и очень
утомительно; эти две вещи, конечно, связаны. Вы можете плыть
дольше и дольше, плавая более эффективно, что означает использование как
можно меньшего количества энергии для каждого гребка
, минимизируя сопротивление и получая как можно больше толчка вперед.

Цель кроля — вытянуть
руку как можно дальше и отвести ее назад как можно дальше,
втягивая как можно больше воды (согнутой в ладонь рукой и согнутым предплечьем)
. (Учителя плавания называют этот двухэтапный процесс «поймать» и «подтянуть».) Если вы делаете длинный, полный гребок с правильным завершением, вы прикладываете силу тяги дольше,
и каждый гребок будет иметь больший вес. Это можно увидеть во втором законе движения Ньютона
, который часто записывается так:

сила = масса × ускорение

F = ma

Поскольку ускорение равно скорости, деленной на время,
также верно, что сила равна скорости изменения импульса:

F = мв / т

и что:

сила × время = масса × скорость

F t = mv

Другими словами, если вы хотите произвести максимально возможное изменение
импульса, вам нужно прикладывать силу (отталкиваясь от воды)
как можно дольше — с максимально длинным гребком и
хорошим, полным завершением. Также стоит помнить, что
человеческое тело — это машина (в строгом научном смысле этого
слова): наши конечности работают как рычаги, вращающиеся в наших суставах (которые
фактически являются точками опоры), умножая силу или скорость. Когда вы плывете
кролем, важно тянуться вперед и оттягивать руку
назад как можно дальше.
Таким образом, вы получаете больше рычага на воде, а сила, которую вы создаете, отталкиваясь назад, даст
вам больше силы для движения вперед. Хорошее завершение также замедляет ваши
конечности медленнее, а уменьшение ускорения уменьшает силу, которую они чувствуют, снижая
вероятность растяжения мышц и других травм.

Фото: Важно вытянуть руку вперед и максимально вытянуть ее. Фото Джозефа М. Кларка
предоставлено ВМС США и Wikimedia Commons.

Сохранение импульса говорит нам, что импульс,
который вы придаете своему телу, двигаясь вперед, такой же, как импульс,
который вы придаете воде, двигаясь назад. Это означает, что вам
нужно тянуть назад как можно больше воды с каждым
гребком. Помогает сложение руки в форме чаши; также помогает держать локоть высоко, когда вы
тянете назад, так что ваше предплечье работает как своего рода весло,
и вы тянете назад целую руку воды, а не
просто горсть. Вы обнаружите, что это намного сложнее и утомительнее
поначалу, что является хорошим знаком: это показывает, что вы создаете гораздо
больше силы.

Энергия и мощность

Требуется энергия, чтобы протолкнуть ваше тело через воду, и ваше тело теряет такое же количество энергии в этом процессе.
Скорость, с которой что-то использует энергию, называется мощностью .
Согласно интересному сообщению в блоге в Wired
физика Ретта Аллейна, чемпионы по плаванию могут на короткое время достичь мощности в 1200 Вт
(максимальная мощность стиральной машины или очень мощного пылесоса),
что похоже на то, чего может достичь чемпион по велоспорту в течение коротких периодов времени, работая на полную мощность.
В своей книге «Человеческая машина » британский профессор зоологии Р. Макнил Александер
приводит цифры мощности для плавания, которые составляют сотни ватт. [3]
Это согласуется с мощностью, которую обычно генерируют лучшие велосипедисты
(и это также похоже на цифру в расчете в
поле в конце этой статьи.)

Диаграмма: Лучшие пловцы (и велосипедисты) могут вырабатывать несколько сотен ватт мощности,
что примерно вдвое больше, чем у всех остальных из нас. Эта диаграмма показывает, как это количество мощности соотносится с
некоторыми привычными повседневными приборами. Теоретически пловец может питать три ЖК-телевизора, четыре старомодных
лампы или 20 энергосберегающих ламп.

Плавучесть и плавучесть

Вещи плавают, потому что, когда мы помещаем их в воду,
давление воды под ними толкает их вверх и поддерживает
; другими словами, давление воды, толкающее вверх, уравновешивает вес
(силу тяжести), тянущую вниз. Это одна из причин,
почему мы плаваем в горизонтальном положении: расправляя тело, мы заставляем
его работать как плот, поэтому снизу вода оказывает большее выталкивающее усилие
. Вы, вероятно, знаете, что гораздо легче плавать на спине,
чем стоя прямо, когда вам нужно «топтаться на воде»
(толкать и толкать руки вниз, чтобы создать восходящую силу, которая
не даст вам утонуть).

Фото: Наши тела удивительно плавучие, но в некоторых положениях мы плаваем лучше, чем в других.
Этот пловец практикует технику выживания, называемую «лежа на животе» или «поплавок мертвеца», которая помогает вам
дольше держаться на воде и экономить энергию. Фото Уильяма Р. Гудвина предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

Самый большой страх не умеющего плавать человека — это погрузиться под воду
и утонуть, но утонуть во время плавания гораздо сложнее,
чем вы могли бы предположить. (В отличие от случая, когда вы случайно падаете в
реку, где вы с большей вероятностью утонете, потому что ваша
одежда намокает и мешает вам нормально плыть; такие факторы, как
холод воды, также играют свою роль.) В зависимости от вашего телосложения
(насколько вы велики, сколько вы весите, насколько велики ваши легкие, насколько
вы толсты и т. д.), вы можете быть на удивление плавучим :
вам может быть довольно трудно утонуть, даже если вы этого хотите. Достаточно
хорошо известно, что более полные люди более плавучие, чем более худые,
и это потому, что жир менее плотный (более плавучий), чем мышцы.
Ношение гидрокостюма (сделанного из синтетического каучука, называемого неопреном ,
который удерживает внутри себя пузырьки воздуха) делает вас еще более плавучим, поэтому
дайверам обычно приходится носить грузы, чтобы они тонули.

Что лучше — плыть или тонуть? Если вы лодка, то, безусловно, лучше сделать одно или другое! К сожалению,
большинство лодок делают немного и того, и другого: они разбиваются и волочатся прямо по
волнам — в очень турбулентном интерфейсе между воздухом и водой.
Самые быстрые лодки — это суда на подводных крыльях и суда на воздушной подушке (которые стремятся подняться
над волнами) и подводные лодки (которые тонут под
ними). ​​Если вы пловец, ни один из них на самом деле не является вариантом. Мы
не можем выбирать, тонуть или плыть: мы должны волочиться по
воде. Тем не менее, понимание науки плавания и освоение
того, как мы ее применяем, может помочь нам, бедным наземным существам, двигаться в воде как можно эффективнее!

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Аэродинамика
• Энергия
• Законы движения
• Твердые тела, жидкости и газы
• Серфинг
• Наука спорта

Книги для читателей старшего возраста

Наука плавания

• Наука плавания: оптимальные результаты в воде, д-р Джон Г. Маллен (редактор). Ivy Press/Quarto, 2018. Увлекательное, хорошо иллюстрированное руководство, идеально подходящее для взрослых читателей, которым хотелось бы немного научного понимания.
• Наука спорта: плавание, автор Александр Мариноф и доктор Джон Кумбе-Лиллей. The Crowood Press, 2017. В этой книге основное внимание уделяется тому, как привести свой разум и тело в наилучшую форму для плавания; в ней меньше информации о физике, динамике жидкостей и тому подобных темах.
• Физиология упражнений: питание, энергия и работоспособность человека Уильяма Макардла и др., Липпинкотт Уильямс и Уилкинс, 2022. Наука плавания обсуждается примерно на стр. 600 (включая расход энергии, сопротивление, плавучесть и влияние температуры воды).
• «Человеческая машина» Р. Макнейла Александра.
  Columbia University Press, 1992. В этой книге объясняется, как человеческое тело работает как физическая машина, сочетая физиологию с инженерными концепциями. Плавание рассматривается на стр. 112.

Плавание — общее

• Анатомия плавания: иллюстрированное руководство по силе, скорости и выносливости в плавании, Ян Маклеод. Кинетика человека, 2010. Иллюстрированное руководство о том, как работают мышцы человека при плавании.
• Swimming Fastest: A Comprehensive Guide to the Science of Swimming, Эрнест В. Маглишо. Human Kinetics, 2003. Превосходное, подробное, хорошо иллюстрированное руководство, охватывающее все различные стили плавания.
• «Справочник по плаванию» Дэвида Уилки и Кельвина Джубы. Пелхэм, 1996. Книги Дэвида Уилки старые и их труднее найти, но это очень понятные руководства, которые, как я считаю, очень хорошо освещают науку плавания.

Книги для юных читателей

• Наука о плавании, дайвинге и других водных видах спорта, Аманда Лазер. Raintree/Capstan, 2016. Очень простое введение на 32 страницах для детей 8–10 лет.
• «Наука плавания» Элен Будро.
  Crabtree, 2009. 32-страничное руководство для детей 8–11 лет.

Видео

На YouTube есть множество каналов, посвященных плаванию и триатлону; если вы посмотрите несколько из них, вы
быстро поймете, насколько важна наука для улучшения техники плавания. Вот лишь небольшая подборка видео с вольным стилем (кролем) для начала:

• Плавание вольным стилем, плавание по программе Skills NT Swimming.
• Три совета по технике кроля от Freestyle Optimizer.
• «Тяни — как плавать кролем» от GTN.
• Самый простой способ плавать вольным стилем от Phlex Swim.

Рекомендации

1. ↑ «Глава 10: Расход энергии во время ходьбы, бега трусцой, бега и плавания» в книге «Физиология упражнений: питание, энергия и работоспособность человека» Уильяма МакАрдла и др. Липпинкотт Уильямс и Уилкинс, 2015, стр. 601.
2. ↑ Вода — динамическая и кинематическая вязкость: Engineering Toolbox, 2020 [Дата обращения: 25 мая 2020 г.]
3. ↑ Александр цитирует ~200 Вт. «Человеческая машина» Р. Макнейла Александра. Columbia University Press, 1992, стр. 115.