游泳運動中的物理知識研究及解析

夏昕然●

湖南師范大學附屬中學(410001)

游泳運動中的物理知識研究及解析

夏昕然●

湖南師范大學附屬中學(410001)

游泳增強體質，養生保健，對于鍛煉身體十分有益.同時游泳包含了許多物理知識，本文著重就游泳中阿基米德定律、牛頓第三定律、阻力等物理知識闡述.

游泳；物理知識；解析

游泳，是人在水的浮力作用下產生向上漂浮，憑借浮力通過肢體有規律的運動，使身體在水中有規律運動的技能.游泳是一項很值得推薦的運動，在游泳的同時，全身的肌肉都可以運動，血液循環也會較為順暢，對維持身體的健康相當有幫助.同時游泳運動也包含了許多的物理知識.

一、游泳運動中劃水動作物理知識

劃水是人體在水中小臂到手尖的動作的統稱，在游泳運動中劃水動作是人手臂如船搖櫓，肘關節如支撐軸.游泳運動中劃水過程要求小臂平直，不需大臂擺動，這樣可以保持整體平衡與運動速度.

如游泳運動中劃水過程中劃水中心與腳重心不在同一直線上，身體就會后傾或前傾，影響游泳成績.另外，游泳運動中劃水是靠人的手掌動作獲得力量，因此游泳運動中手掌劃水角度決定劃水是否在中心.一般要求游泳運動員劃水時手掌與小臂之間角度為45度最好.如不是這角度的話，根據牛頓第三定律得知，游泳運動員向下垂直壓水，以至于產生向上推的反作用力，最終結果是游泳運動員身體上下浮動，影響其成績.

二、牛頓第三定律

相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上.人對水的作用力等于水對人的推力.

2016年里約奧運會結束了男子200米自由泳決賽爭奪，中國選手孫楊以1分44秒65的成績獲得冠軍！游泳運動員游泳時向后劃水，運動員向前運動，推動運動員向前運動的力的施力物體是( )，此現象說明力的作用是( ).

分析 當一個物體對另一個物體有力的作用時，另一個物體也同時對這個物體有力的作用，即力的作用是相互的.解決此類題目要結合作用力和反作用力考慮，即一個物體在施力的同時必然也受力，另一個物體在受力的同時必然也是施力物體.

解答 運動員游泳時手和腳向后劃水，手和腳給水一個向后的力，由于物體間力的作用是相互的，水給手和腳一個向前的力，所以運動員會向前運動，此時水是施力物體.

答案：水；相互的.

三、游泳運動阻力

游泳是在水和空氣的界面上運動，所以會受到水與空氣的介質阻力，但空氣的阻力可忽略不計，主要是來源于水的阻力.人體與水的相對運動決定了游進阻力的產生.經多年在該領域研究的知識積累，人們歸納并抽象出三種阻力對人在水中的運動有決定性影響.

1.體表磨擦阻力 體表磨擦阻力，或稱表面阻力或磨擦阻力，是當人體在水中向前運動時，身體周邊的水沿著身體表面輪廓向身體運動方向相反的方向流動時所產生的一種阻力.

在游泳比賽中，運動員常穿特殊的──“鯊魚衣”，穿這種游泳衣作用主要是什么？

分析 當游泳時，會產生液體分子在物體表面的浸潤與粘著，使靠近物體或人體表面的片流分子與物體表面上的水分子微粒相互作用而發生磨擦，片流與其波及的外層片流的磨擦層層波及構成邊界層水流，流體受粘滯性所引起的切應力制動作用的總和就是流體施加在物體或人體表面上的體表磨擦力.生物學家發現，鯊魚皮膚表面粗糙的V形皺褶可以大大減少水流的摩擦力，使身體周圍的水流更高效地流過，鯊魚得以快速游動.

答案：運動員常穿特殊的──“鯊魚衣”減小與水的摩擦力，提高成績.

2.外形姿態阻力 外形姿態阻力，或稱為形狀阻力，或壓差阻力.為提高游泳成績，請從泳姿給運動員提一條合理化建議.

分析 游泳時，人在水中游動時，必須用身體將水擠開才得以前行.身體的外形姿態阻力的大小取決于游泳者身材、體型、游進時的速度，以及肢體是以什么樣的變換動作姿態相對水流的運動方向.由以上這些因素的相互關系作用，決定了外形姿態阻力的大小.

答案：身體盡量形成流線型，減小水的阻力，提高游泳成績.

3.波浪阻力 波浪阻力是指當一物體通過水面，或在水下接近水面的位置，沿水平面以較快的速度巡航時所產生的一種阻力.表現在物體前部分是因物體的向前運動而在水面上掀起的波浪.

談談減少波浪阻力，提高游泳成績方法.

分析 有經驗的游泳運動員很注意波浪阻力的影響和作用.一方面在游泳時注意在自己頭前避免形成大的波浪，另一方面又設法利用波浪阻力使自己游得更快一些.

答案：仰泳運動員用臂劃水時，手靠近水面劃動；蛙泳運動員蹬腿時，腳靠近水面后蹬，都是利用波浪阻力加強劃水和蹬水效果的例子.由于人體運動所引起的波浪在水面下傳遞的幅度約為30厘米，因此在水面下30厘米以下潛泳就基本上沒有波浪阻力的影響.在游泳比賽出發和轉身后，有的運動員在規則允許的情況下，往往爭取在水下多做幾個動作，就是為了利用水下沒有波浪阻力的原因.

四、游泳運動推力

推力是游泳運動中克服水中的阻力，獲得向前運動速度而提供的穩定動力.游泳是依靠運動員手、前臂劃水與腿蹬水來獲得推進力，手劃水是游泳運動推力主要來源.

游泳運動中要獲得合理劃水、蹬腿路線，首先要搞清楚水介質與人體前臂及腿部相互作用情況.以手臂劃水動作為例，如圖所示表示游泳運動員沿OZ方向游進, 翼狀表示手的橫截面，當沿著V的方向劃水時，受到的水的作用力為R，將R分解為與V的方向垂直的升力L及與V的方向相反的阻力D，升力L和阻力D在游進方向上的投影之和F才是真正的游泳推力，即游泳運動推力的本質是靠肢體動作產生的升力和阻力.

物理學既是一門實驗科學，又是一門應用科學.只要我們有一雙善于發現的眼睛，一個勤于思索的大腦，我們就能用心體會到物理的奇妙與樂趣.

[1]張麗茹,王萬祥.游泳運動中的物理學知識.中學物理教學參考.2015.

[2]王新峰. 游泳運動中的阻力研究及推進力:[清華大學碩士學位論文].北京:清華大學,2004．

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