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自由泳打腿的动力学分析

已有 14430 次阅读 2014-11-7 11:11 |个人分类:科学网大学|系统分类:科研笔记

因为自由泳比赛里普遍采用爬泳,故爬泳又叫自由泳。

手向后划水,是爬泳前进的主要动力,但是对腿的作用莫衷一是。

1手不动的条件下,打腿有推进力

腿不动的条件下,划手也有推进力。

设仅打腿时前进速度是v2,能量氧气消耗量是e2,仅划手时前进速度是v1, 能量氧气消耗量是e1,.经验证明v1=4v2,e2=4e1.

显然,划手事半功倍。


2 双人推车力学分析

一个人拉车,再加一个人推车,显然比一个人拉车走得快。

对于重载火车,也是前面一个车头拉,后面一个车头推,火车走得比较快。

这些和游泳的不同在于,两个人或两个车头功率加倍,而一个人不管怎么动,功率基本不变。


3 打腿会加大前进推力吗?

按照推车的经验,一般人凭直觉推断,在不能量消耗情况下,

爬泳打腿会加大前进推力。

但是这个直觉成立是有条件的。加一个人,或者加一个车头,对车辆只会增加推力,

不会增加阻力。


对于流体力学来说,情况好像大为不同。

假设一个飞机,头尾各有一个螺旋桨。仅头螺旋桨转动时,飞机速度是v11,

仅尾螺旋桨转动时,飞机速度是v22, 如果v11>v22,头尾螺旋桨一起发力,

尾螺旋桨应该产生阻力,v22<飞机速度<v11.


同样,对于以v1速度前进的身体来说,打腿增加了身体通过水的截面积,大大增加了阻力。这时打腿本身带来的阻力(不含身体其他部分产生的阻力)应该大于打腿本身带来的推力。


简言之,正常情况下,v1>>v2, 打腿的合力是阻力。




4 打腿消耗能量反而产生阻力,是否不应打腿?

在计算能量消耗的情况下,e2>>e1.打腿用巨大的能量产生阻力,好像是非常不划算的事情。那是不是不要打腿呢?

对这个问题,没有简单的答案。


考虑跑步运动员,手臂的运动也是很激烈的,也要消耗一部分能量,把手捆起来不能动,是不是跑的更快更远呢?这是不可能的,因为手捆起来,需要耗费更多的力气去维持平衡。游泳与跑步不可比的是,跑步时手的阻力可以忽略。


5. 打腿瞬间会产生推力,

 但不是均匀推力。


6. 理论结论

正常游进时,打腿的合力是前进阻力,但是有助于身体平衡和手部发力,而且会产生不均匀推力

鉴于其阻力和能耗大,在维持平衡的前提下,应该少用腿发力。


因为人体各部位形状和运动配合极为复杂,理论力学模型还做不出,

主要靠各种单因素/多因素实验分析,所以这个理论结论是一家之言。



6 上述理论能较好解释实际现象

运动员一般游短距离时,不介意能耗,打腿频率高而且用力;

游长距离时,保持体力非常重要,打腿维持在最低水平。


事实上,那些用腿夹住浮板腿不动的运动员,和缺失腿的残疾运动员,自由泳成绩和专业运动员差不多。


孙杨等游1500时,前1400米打腿轻而频率低,冲刺时高频用力打腿,

这些实际现象都和前述理论分析吻合。



重要更正:打腿本身有技术,直腿打水腿很累,要脚踝放松,内八,鞭状打腿,动作接近软脚蹼

或者海豚尾。








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1 dulizhi95

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