游泳常用的力学原理分析（涨知识了！)

时间:2019-04-13 12:26　来源：网络整理　 作者:采集侠

游泳常用的力学原理分析

我们用自己的力量从这儿到那儿所有可能存在的方式中，游泳的效率显然是最低的。确实,我们可以漂浮、踩水或者相对悠闲自在地躺着戏水,可是我们在水中即使很慢地行走,也需要很多的有效能量.事实上，世界游泳冠军的游泳速度最快也不过是每小时５英里,然而一只海豚在合适的动机激发下,时速可以达到25英里。

这其中的主要原因是水的密度大约是空气的1000倍。不像跑步、骑自行车或者其它常见的人类运动形式可以将肌肉的大部分能量转换成前进运动,我们游泳时几乎要消耗90%多的能量去克服液体的阻力.

当然,水的密度也多少能给我们提供一些昂首翘尾的机会,这意味着我们可以或深或浅地在水面漂浮,但是这要取决于我们身体的胖瘦比例和肺活量的大小。水的密度还容许我们在水中保持水平的身体姿势,使我们至少可以像光滑的赛艇或鱼雷一样游进，而不是像一座耸立的雕像或一艘粗笨的驳船那样游进。

是什么决定我们的游进方式？简而言之，游泳也是牛顿第三运动定律的另外一种表现形式∶我们的手、臂和腿推水时，水同时以大小相等的反作用力推进我们前进。

但是,这个问题还远不至此。许多科学家强调：我们人类在水中游泳、F-15在天上飞行和摩托艇在水中破浪前进都是同一个原理，可是水介质对我们游泳的影响真是太大了，足于使我们对游泳感到难以思议。

流体动力学告诉我们：游泳运动取决于二个基本因素∶我们施加的推进力和我们遭遇到的阻力或者是障碍力。不管我们如何使自己保持身体的流线型，阻力都是难以克服的。这就是说全凭力气游泳并不会使你成为游泳好手，然而知道一些物理知识迟早会派上用场的。

奥运会最好的游泳选手在游四种竞技泳姿中最快和效率最高的爬泳或者是自由泳时，仅有9%的能量使身体前进，（按照平均速度和效率划分，其次是蝶泳、仰泳和蛙泳），然而对我们其余的大部分人来说，要用差不多98%的能量去克服水的阻力。

阻力是使游泳效率低得惊人的主要原因，由于我们在水中移动时的身体形状造成了形状阻力，这种形状阻力很大程度地减少了我们前进的动量。当我们前进时，水就会在我们头前形成水压，同时，我们身后也会生成较大的压力小得多的湍流区。这种压力的不平衡会产生一种力，使水从高压区流向低压区，并试图向后推动我们。形状阻力是以速度的平方指数增加的，并且关键性地取决于活动物体前端截面面积的大小。

这就是舟艇设计者为什么把赛艇船体造成长而窄而不是粗而短的原因。并且也帮助人们解释了为什么许多世界上游得最快的游泳选手，看上去更像职业篮球运动员，而不是举重运动员。

美国游泳健将马特.比昂迪和俄罗斯游泳健将亚历山大．波波夫就是很完美的例子，他们是100米自由泳奥运会金牌获得者和世界纪录保持者，他们身材清瘦，身高分别是６英尺７英寸和６英尺６英寸。为了使形状阻力降低到最小程度，竞技游泳选手在水中都更注重向下按压躯干，同时抬高臀部，这会弥补上身原有浮力的不足，使他们以水平的而不是腿从水面下垂倾斜的身体姿势游泳，以便减少迎面或者前端截面的阻力。

许多优秀的自由泳和仰泳选手还掌握了身体从一侧转动到另一侧的游泳技术，每次划水时提肩出水，使身体形成较窄的轮廓，并且尽量前伸，由此增加身体长度，尽可能使身体细长并更有效率地滑行。（如果你划过二种形状相似但长度不同的爱斯基摩独木舟的话，你也许会注意到较长的独木舟尽管很重排水量很大，但每次划浆时都能滑行得更远。）

此外，身体从一侧转动到另一侧会产生一种扭力，在游进方向加上旋转向量，这有助于推进游泳者前进，象一枚螺丝钉被拧进木头一样，并允许他们像使用手臂和腿一样，使用髋部和躯干的肌肉群。

竞技游泳选手还设法使物体在水中移动时的"粘性"——摩擦阻力减到最低程度，一件松松垮垮的泳装或者过长的体毛会使体表粗糙增加摩擦阻力，所以许多游泳选手都穿紧身大小相称的泳衣，并往往在大赛前刮除体毛。

制造波浪就是制造最有害的阻力形式——波浪阻力。不像形状阻力是扯我们的后腿，而波浪阻力就在我们前面产生的高压区排斥我们。当我们游泳时，水花飞溅或者在水里做任何一种动作都会产生波浪。

在游泳池里推进得越快，我们头前生成的波浪就越大，就会形成一堵水墙限制我们的前进，波浪阻力不同于其它大多数流体阻力形式以速度的平方指数来增加，它是以速度的立方指数来增加的，因而在水中当你速度加倍时，波浪阻力的减速力就会增加八倍。

特德.伊莎贝尔是一位专业工程师，也是加州奥克斯纳市河间岛水上运动俱乐部的游泳教练，他说：许多顶尖游泳选手发现，他们转身后立即在水下打腿可以更快地游进相当长的距离（而不是很快地上升到水面游），这是因为水下消除了大部分波浪阻力。

伊莎贝尔认为，与在水面有明显优势的高瘦的竞赛选手相比，矮壮的竞赛选手在水下两腿并拢进行海豚式打腿做波浪动作，也许他们矮小的体表面积可能更占优势。他说：因为在水下移动的物体主要是受摩擦阻力的影响，所以减小物体的表面积就能减少所遇到的阻力，因为短小粗矮的物体与高大细长的物体相比表面积较少，所以船舶设计师把潜水艇设计成矮短粗圆的外形，而把水面船舶设计成高大细长的外形。