Акваскипер — всё про новый водный велосипед

Гидродинамика движущей силы при плавании

Posted on 27.05.2013 in Плавание | by

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 пересе-

Кать 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.

Еще в XVIII ст. Эйлер и Бернул-ли основали школу классической гидродинамики для изучения дви-

21

ЧАСТЬ 1

Техника спортивного плавания

Гидродинамика движущей силы при плавании

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

Рис. 2.3

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

Гидродинамика движущей силы при плавании

Гидродинамика движущей силы при плавании

Жения 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).

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;

22

Гидродинамика движущей силы при плаванииГЛАВА 2

Гидродинамика Движущей Силы При Плавании

Гидродинамика движущей силы при плавании
Гидродинамика движущей силы при плавании
Гидродинамика движущей силы при плавании

Гидродинамика движущей силы при плавании

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

Гидродинамика движущей силы при плавании

Рис. 2.5

Угол атаки, образуемый Расположением тонкой Пластинки под наклоном К потоку

Гидродинамика движущей силы при плавании

Рис. 2.6

Подъемная сила и сила соп­ротивления, действующие на тонкую пластинку, нак­лоненную под углом атаки

Рис. 2.7

Образование подъемной Силы

Гидродинамика движущей силы при плавании

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).

Тонкая пластинка, расположен­ная под наклоном к потоку, образу-

Гидродинамика движущей силы при плавании

Ет «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 (рис. 2.6).

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 (рис. 2.7).

Фундаментальным понятием гид­роаэродинамики является циркуля­ция, вызываемая даже брошенным

23

ЧАСТЬ 1

Техника Спортивного Плавания

Гидродинамика движущей силы при плавании Гидродинамика движущей силы при плавании

Рис. 2.8

Срыв «вихрей» с задней кромки движущегося крыла

Гидродинамика движущей силы при плавании

Рис. 2.9

Начальный «вихрь», Образование «антивихря» и присоединенного «вихря»

Гидродинамика движущей силы при плавании

Рис. 2.10

Перемещение потока Из-под крыла на его верхнюю поверхность

Гидродинамика движущей силы при плавании

Рис. 2.11

Характер "стекания" Потока с краев крыла

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 (рис. 2.8). 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» (рис. 2.9). 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 (рис. 2.10), что смещает движение жидкости на верхней поверхности крыла слегка вовнутрь, а на нижней — наружу, тем самым знакомя нас с третьим измерением потока вокруг «крыла» (рис. 2.11). 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 (рис. 2.12), и продвигаю­щийся преимущественно за счет

Гидродинамика движущей силы при плавании

Рис. 2.12

Образование вихревой

Дорожки вследствие

Встречи потоков низкого (1)

И высокого (2) давления

24

Гидродинамика движущей силы при плаванииГЛАВА 2 Гидродинамика Движущей Силы При Плавании

Гидродинамика движущей силы при плавании

Гидродинамика движущей силы при плавании

Гидродинамика движущей силы при плавании

Рис 2.13

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

Гидродинамика движущей силы при плавании Гидродинамика движущей силы при плавании

Рис. 2.14

Различие скорости течения Над рукой и под ней образует дифференциал давления

Гидродинамика движущей силы при плавании

Рис. 2.15

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

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).

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».

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 слу-

Чае 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°.

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.

Следует отметить, что реакции потока, вызываемые движениями даже сильнейших пловцов, свиде­тельствуют о том, что их продвиже­ние происходит при нестабильном течении. Двигающаяся с широкой амплитудой кисть очень быстро об­разует такой угол атаки, при кото-

25

ЧАСТЬ 1

Техника Спортивного Плавания

Рис. 2.16

Типичные реакции течения

При различных вариантах

Гребка и механизме крыла:

Гребок непосредственно

Назад (а); механизм крыла (б);

Криволинейная структура

Гребка (в).

При выполнении гребковых

Движений как вовнутрь,

Так и наружу вокруг кисти

Всегда наблюдается завихрение

Гидродинамика движущей силы при плавании

Ром поток уже не может оставаться стабильным. В отличие от крыла пропеллера, обеспечивающего иде­альный угол атаки для создания стабильного потока, кисть пловца на это не способна. Другая причи­на, почему кисть не служит «кры­лом», состоит в том, что в момент начала движения крыла (например, в момент взлета самолета) подъем­ная сила вокруг него очень невели­ка и резко возрастает лишь после того как крыло переместится при­мерно на 10 хорд (хорда — ширина крыла от передней кромки до зад­ней) от исходной точки. В отличие от крыла самолета кисть пловца не может находиться под идеальным углом атаки длительное время, что­бы обеспечить постоянную подъем­ную силу.

Поступательное движение плов­ца в результате подъемной силы обеспечивается в нестабильном по­токе, главным образом, в результа­те изменений направления движе­ния кисти при гребке. Постепенное вращение кисти и предплечья — важнейшая составляющая механиз­ма возникновения подъемной силы. При плавании любым способом гребок начинается в положении, при котором ладонь обращена наружу в той степени, которая за­висит от подвижности суставов пловца, а в середине гребка угол сгибания руки в локтевом суставе достигает максимума (около 90°), что свидетельствует о значительном вращении кисти и предплечья отно­сительно начала гребка. И здесь уместно еще раз подчеркнуть, что

Подъемную силу создает именно вращающаяся единица «кисть — предплечье», двигаясь латерально или поперечно через линию движе­ния тела вперед. Создаваемый при этом дифференциал давления тече­ния создает необходимую для воз­никновения подъемной силы цир­куляцию вокруг кисти и пред­плечья. По мере сгибания руки и вращения кисти и предплечья вок­руг них возникает завихрение, соз­дающее присоединенный вихрь, на­ложение которого на общий поток необходимо для образования подъ­емной силы. По мере выпрямления руки при заключительном движу­щем усилии завихрение в циркули­рующем потоке постепенно ослабе­вает.

Таким образом, движущая сила создается за счет действующих на воду импульсов силы, которые свя­заны с гребковыми движениями. В зависимости от способа плавания при гребке возникают два-три им­пульса силы при плавании с высо­кой скоростью и лишь один при невысокой скорости. У некоторых пловцов, выполняющих классичес­ки длинный гребок, один импульс отмечается и при довольно высокой скорости, однако при таком гребке невозможно ускорить движение в нужный момент.

Итак, изменения направления движения кисти в сочетании со вращением кисти и предплечья «включают» механизм, необходи­мый для создания циркуляции потока. Чтобы проиллюстрировать явные различия между реакциями течения, выполнением гребка не­посредственно назад, обычным ме­ханизмом крыла и криволинейной структурой гребка (рис. 2.16), мож­но провести опыт, перемещая, нап­ример, ложку или какой-либо дру­гой предмет, напоминающий по форме крыло, в разных направле­ниях в резервуаре с водой. При хо­рошем освещении и белом днище резервуара будет видна тень, отбра­сываемая результирующим вихрем на дно резервуара, а также различ-

26

ГЛАВА 2

Гидродинамика Движущей Силы При Плавании

Ные реакции течения, вызванные прямолинейным и криволинейным движением.

Таким образом, с позиций гид­роаэродинамики, образующее подъ­емную силу при плавании поступа­тельное движение включает три последовательных этапа: 1) перед началом движущего импульса на­чальный вихрь образует присоеди­ненный вихрь вокруг кисти или ступни; 2) затем присоединенный вихрь вызывает подъемную силу; 3) когда циркуляция (в виде присо­единенного вихря) больше не под­держивается, происходит срыв вихря, свидетельствующий о прек­ращении движущего импульса. Срыв вихря происходит всякий раз, когда прекращается движу-

Щий импульс. Анализ структуры завихрений, создаваемых каждым гребком, позволяет рассматривать эффективность плавания под иным углом. Структура сорванных вих­рей, которые оставляет пловец в воде, обеспечивает мгновенную «историю» гребка поскольку каж­дый движущий импульс произво­дит отличительный тип завихре­ния, его своеобразную «подпись». По такой подписи можно оценить, как прикладывают силу разные пловцы. Размер, форма, направле­ние, скорость и размещение в поле течения относительно гребка сор­ванного вихря отражает тип ис­пользуемого пловцом движущего механизма и собственно эффек­тивность движущего импульса.

ЧАСТЬ 1

Техника Спортивного Плавания

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

TITLE

TITLE