Виды сопротивления воды

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

 

НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ, СПОРТА И ЗДОРОВЬЯ

имени П.Ф. ЛЕСГАФТА, САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

 

 

Кафедра теории и методики плавания

 

 

 

 

Контрольная работа:   Виды сопротивления воды

 

 

Исполнитель:

Студент 2 курса 1 группы

Заочного  факультета

Карасик Александр  Маркович

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург, 2013

 

Содержание

 

Введение 2

Лобовое сопротивление 3

Волновое сопротивление 5

Подъемная сила и сила тяги 6

Сопротивление трения 8

Вихревое сопротивление 9

Вывод 11

Список  литературы 12

 

 

Введение

 

  Скорость продвижения пловца является результатом действия двух сил. Одна из них тормозит. Это сопротивление (или торможение), вызываемое водой, которую пловец проталкивает вдоль тела. Другая сила, продвигающая пловца вперед называется движущей и создастся с помощью движений рук и ног. Чтобы плыть быстрее, спортсмену необходимо:

- уменьшать сопротивление

- увеличивать движущую  силу (или использовать сочетание этих двух факторов).

Эта задача может  быть решена только при нахождении рациональной техники. Возможно, что  самым большим усовершенствованием  в технике плавания за последние  годы было уменьшение сопротивления.

Занятия общей физической подготовкой способствуют развитию силы, необходимой для быстрого передвижения на дистанции при наименьшем сопротивлении  воды. По мере утомления пловец прикладывает меньшую движущую силу и обтекаемость его тела ухудшается. Изучение спортивного плавания сводится к решению этих проблем.

   Итак, вода оказывает сопротивление движущемуся в ней телу. Сила сопротивления воды действует навстречу телу и тормозит продвижение. При равномерном движении сопротивление пропорционально квадрату скорости и квадрату линейных размеров тела. При неравномерном движении - а именно таков характер движений внутри каждого цикла - приходится дополнительно преодолевать инерцию тела и инерцию окружающей его водной среды. Гидродинамическое сопротивление обусловлено действием на движущееся тело сил трения и давления. Сила трения направлена по касательной к поверхности тела, сила давления -перпендикулярна к ней. Для уменьшения сопротивления воды пловцу необходимо иметь представления о силах, мешающих ему это сделать. Таких сил в плавании четыре: лобовое сопротивление, волнообразование, трение и завихрение. Об этих силах и пойдет речь в данной работе.

Лобовое сопротивление

 

Фронтальное, или лобовое, сопротивление создается водой непосредственно впереди или в любой части тела (на рис. 1 оно изображено стрелами). При анализе техники плавания этот вид сопротивления очень важен.

Лобовое сопротивление может быть вычислено по следующей формуле:

R =CxSPxV2

где Сх - коэффициент лобового сопротивления (величина безразмерная),       S — площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную к направлению движения тела, Р – плотность.

Чем больше коэффициент  лобового сопротивления, тем сильнее  тормозится телом набегающий поток.

C увеличением угла  атаки коэффициент лобового сопротивления  непрерывно повышается и достигает  максимума, когда тело занимает  положение, перпендикулярное к  потоку (а = 90°). Отклонение рабочей  плоскости на 15—20° от перпендикулярного  положения не оказывает существенного  влияния на величину коэффициента.

По экспериментальным  данным , полученным путем буксировки испытуемых в положении скольжения, средняя величина коэффициента сопротивления воды у женщин на 9 % меньше, чем у мужчин (Сжен= 0,366 ± 0,017; Смуж= 0,402 ± 0,024) .

 

Волновое  сопротивление

 

При движении тела пловца вблизи свободной поверхности  возникает волновое сопротивление. Оно появляется при давлении передней части тела на воду, вызывая подъем и спад воды с различным изменением формы ее поверхности, от которой  образуются расходящиеся и поперечные волны.

Если посмотреть на пловца сбоку, то можно видеть, что  у линии головы и плеч поднимается  передняя волна. Следующая волна  поднимается сзади. Впадина между  передней и задней волнами расположена  примерно у поясницы. Выделяют систему  расходящихся волн и систему поперечных волн. Гребни расходящихся волн расположены  по отношению к диаметральной  плоскости под углом 40°. Линии, проходящие через начало косых волн, составляют угол примерно 20° к диаметральной  плоскости. При медленном плавании волны практически не видны. С  увеличением скорости движения волны  выделяются все более и более  отчетливо.

Исследования показали, что доля волнового сопротивления  в общем, гидродинамическом, сопротивлении  возрастает с увеличением скорости. При скорости меньше 2 м/с доля волнового  сопротивления составляет порядка 10—15 %, на скоростях более 2 м/с эта доля возрастает до 25 % и выше. При выполнении гребковых движений положение тела пловца непрерывно меняется, что также сказывается на волнообразовании, увеличивая его. Неблагоприятное влияние волнообразования проявляется еще и в том, что если скорость пловца по каким-то причинам меняется, например, замедляется, волны уходят вперед, отражаются от стенки бассейна и движутся навстречу, создавая дополнительное сопротивление. Аналогичная картина наблюдается, если два пловца плывут рядом с различной скоростью. Ряд исследователей высказывают мнение, что именно волновое сопротивление является лимитирующим фактором, ограничивающим скорость плавания.

  Подъемная сила и сила тяги

 

Рассмотрим вопрос о возникновении подъемной силы и силы тяги при поступательном движении. Возьмем пластинку (рис. 4) которая  имеет незначительную толщину (h->0), и поместим ее в воду под некоторым углом (а), который носит название угла "атаки".

В центре тяжести  тела (О) приложим внешнюю силу тяги - Fтяги, которая будет передвигать тело в воде с постоянной поступательной скоростью. Движение тела вызовет возникновение гидродинамического сопротивления (R), направленного в противоположную сторону движения тела. Первоначально разложим силу R на два направления: ось тела (ОК) и линию, перпендикулярную оси (ОМ).

Получилось две  силы: сила трения - Ftp и сила нормального давления Rj, которая состоит из вихревого и волнового сопротивлений. При дальнейшем разложении силы Rj на горизонтальное и вертикальное направление получим две силы: горизонтальную силу давления Fx и вертикальную силу давления Fy, которая и будет подъемной силой.

Итак, при поступательном движении пластинки в воде под  некоторым углом "атаки", не равным нулю, на нее действует лишь одна положительная сила - подъемная.

Рассмотрим, как  изменяются силы Rj, Fx, Fy и FTp при различных значениях угла (а).

 

1. Если угол а равен нулю, то Rj = 0. Следовательно, Fx=0 и Fy=0, а сила FTP=R. В этом случае отсутствует вихревое и волновое сопротивление.

 

2. Если угол а равен 45°, то Rj = FTp=0,7R. Силы Fx=Fy= R/2

 

В этом случае наблюдается  действие всех видов сопротивления: общее сопротивление значительно  превышает его величину при угле а=0.

 

3. Если угол а равен 90°, то Rj=R, но так как Fy=0, то FX=R. В этом случае действует сила горизонтального давления, есть вихри и волны, а общее сопротивление является наибольшим.

 

Сопоставляя все  три варианта положения пластинки, можно сделать вывод о том, что наилучшее положение ее при  движении в воде будет такое, при  котором она приближается к горизонтальному  положению (угол а=3-5°), так как в этом случае будут действовать необходимая поддерживающая гидродинамическая сила, малая сила горизонтального давления и почти максимальная сила трения.

Теперь представим себе, что вместо пластинки в воде с помощью внешней силы тяги Fтяги с равномерной скоростью движется человек. Тогда при горизонтальном положении на него, кроме силы трения, будет действовать отрицательная сила горизонтального давления Fx, которая возникает в связи с наличием у человека миделева сечения.

Теоретически горизонтальное положение пловца в воде будет  наилучшим, так как сопротивление  будет наименьшим, а плавучесть обеспечивается действием гидростатической подъемной  силы. Однако в связи с наличием миделева сечения и наклоном нижней поверхности тела положение пловца в воде определяется положительными (а в отдельных случаях и отрицательными) углами "атаки", которые колеблются в пределах от 0 до 12° и обеспечивают постоянное действие гидродинамической подъемной силы.

 

Сопротивление трения

 

Возникновение сопротивления  трения обусловлено вязкостью воды и проявляется в слоях непосредственно  прилегающих к телу. Этот прилегающий  к телу слой воды получил название пограничного слоя. У поверхности тела частицы воды движутся с той же скоростью, что и тело. По мере удаления от тела скорость движения частиц воды снижается до 0 м/с. Если частицы воды движутся, не смешиваясь, без завихрений, то такой вид течения жидкости в пограничном слое называется ламинарным. Если слои воды смешиваются, то образуются завихрения - такой вид течения жидкости в пограничном слое называется турбулентным. В турбулентном слое тело испытывает большее сопротивление, чем в ламинарном.

Все способы уменьшения сопротивления трения в спортивном плавании сводятся к возможно большей  обтекаемости ламинарным потоком в  пограничном слое:

- сглаживание выступов и неровностей на теле и в купальном костюме;

использование купального костюма с минимальными показателями шероховатости;

- фиксация положения туловища, так как всякого рода качания тела способствуют возникновению поперечных течений и возмущений пограничного слоя.

В момент смены ламинарного  потока турбулентным происходит скачкообразное увеличение сопротивления. Для различных тел скорость, при которой один вид течения жидкости вблизи тела сменяется другим, будет различна. Эта скорость получила название критической и зависит она от ряда факторов: формы, площади, поверхности, шероховатости и т. п.

 

  Вихревое сопротивление

 

Вихревое сопротивление  возникает в связи с разностью  сил давления воды впереди и сзади  пловца. Когда пловец перемещается в воде, то впереди него образуется область повышенного давления, в  которой он приводит в движение частицы  воды. На это затрачивается определенная часть его энергии. В это же время сзади пловца образуется область  пониженного давления. Попав в  область пониженного давления, частицы  воды по закону трения "прилипают" на мгновение к нижней поверхности  тела (ногам) и некоторое время  движутся вперед. В следующий момент эта часть воды отрывается (отстает) от нижней поверхности тела и на ее место поступают новые порции воды, движущиеся непрерывно спереди  назад. Далее они также изменяют направление движения на обратное и  т. п. Для того чтобы непрерывно изменять направление движения этих частиц воды, т. е. преодолевать вихревое сопротивление, пловец должен затрачивать большое  количество энергии.

Величина вихревого  сопротивления зависит от скорости и формы тела. Проделаем следующий  опыт. Возьмем неполный цилиндр (рис 3) и будем двигать его в воде с равномерной скоростью.

 Полученное сопротивление  примем за единицу. Если закруглить передний конец у цилиндра и замерить его сопротивление при той же скорости, то оно уменьшится в 2,5 раза; если закруглить задний конец, то сопротивление будет в 3,5 раза меньше; если закруглить оба конца, то сопротивление уменьшится в 5 раз, а если придать цилиндру сигарообразную форму, сохранив при этом миделево сечение, то сопротивление уменьшится в 25-30 раз.

Отсюда следует, что для уменьшения вихревого  сопротивления необходимо улучшить обтекаемость тела пловца: определить оптимальные пределы положения  тела на поверхности воды (углы "атаки"), правильный угол выноса рук вперед во время подготовительных движений, уменьшить выход ног из плоскости  тела, найти оптимальный прогиб в  пояснице и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод

 

Тренер или пловец, который хочет знать только «как», а не «почему», не способен анализировать  и в лучшем случае сможет выполнять  только посредственную работу. Пловец должен использовать не только свои мышцы, но и мышление. Именно изучение сил сопротивления поспособствовали  улучшению показателей в плаванье.

Так, В. Н. Платонов ¹ указывает, что начиная с 1960-х годов пловцы для достижения более высокого результата перед соревнованиями сбривали волосы. Исследования показали, что после бритья существенно повышается экономичность работы и эффективность движений, значительно увеличивается длина скольжения. Улучшение результата при бритье преимущественно связано с уменьшением сопротивления трения.

В 1997 году были разработаны  плавательные костюм (они покрывали  тело пловца от шеи до щиколоток), позволяющие  за счет особого материала уменьшить  сопротивление при контакте с  водой. На Олимпиаде 2000 года в Сиднее большинство спортсменов уже  использовали гидрокостюмы. К Олимпиаде 2008 года в Пекине производители начали выпускать костюмы, на 80 % состоящие из полиуретана - материала, который существенно повышает эффект плавучести, а также усиливает жесткость конструкции тела, уменьшая таким образом его сопротивление в воде. То, что раньше считалось особым талантом (таким, например, отличался Александр Попов), с появлением комбинезонов стало доступно любому середняку. Только за 2008 год было установлено более 100 мировых рекордов. С 2010 года Международная федерация плавания (FINA) запретила использование гидрокостюмов².

 

 

 

 Плавание / Т. М. Абсалямов, М. М. Булатова, Н. Ж. Булгакова и др.; под ред. В. Н. Платонова. - Киев : Олимп. лит, 2000. - 495 с.

² Вайцеховская, Е. Тот, кто научил костюмы плавать : интервью Геннадия Турецкого на чемпионате мира в Риме / Е. Вайцеховская // «Спорт-Экспресс». - 2009. - 3 авг. - С. 14.