蛙泳中的理學

摘要：游泳是廣大群眾喜愛的一項體育運動，對于鍛煉身體，增強體質，養生保健，防治疾病十分有益，游泳的方式多種多樣，無論哪一種方式，都包含有物理學知識。以蛙泳為例具體分析。

關鍵詞：蛙泳;力學分析;升力

游泳是現代人非常喜歡的一種運動，它對心血管系統的改善有相當重要的作用。冷水的刺激通過熱量調節作用與新陳代謝能促進血液循環，此外游泳時水的壓力和阻力還對心臟和血液的循環起到特殊的作用，還是改善和提高肺活量的有效手段之一。

1.游泳的種類

游泳有多種方式，根據游泳的姿勢不同，可以將游泳分為：蛙泳、仰泳、自由泳、蝶泳、側泳、潛水、花樣游泳等多種形式。蛙泳是一種古老的游泳方式，古時候人們看到青蛙游泳后受到啟發，便發明了這樣一種優美的姿勢。它是一項復雜和系統性的全身運動，手、腳、腰、腹和呼吸之間要有正確的協調和配合，無論蛙泳的快慢，動作都要有節奏，并且要始終保持這樣的節奏。

2.游泳的力學分析

游泳與其他運動項目不同，它是在水中進行的，人在水中運動要受到水對他的浮力和阻力的作用，也正是這些力的合力決定了游泳的速度。游泳中的浮力，不能簡單地定義為中學課本里說的阿基米德浮力，即浮力等于物體排開液體的重量。按著這個定義，如果一個人的人體比重略大于1，那么他就不可能浮在水面上，當然就不會游泳了。實際上，大多數游泳高手的人體比重都大于1，他們為什么還能漂浮在水面上，隨心所欲地暢游呢？因為游泳時，還受到了其他兩個力：一個是向下擊水的動作所產生的反作用力，給人一個向上的舉力。最典型的例子是，人直立在水中，有節奏地用腳踩水、用手壓水，身體就會浮在水面上。另一個是，游泳時有一個向前的速度，而游泳者的身體總會有一點斜度，水相對于身體的流動，也會產生一個向上的分力。當我們前進時，水就會在我們頭前形成水壓，同時，我們身后也會生成一個較大的、壓力小得多的湍流區。這種壓力的不平衡會產生一種推力，使水從高壓區流向低壓區，并試圖向后推動我們。形狀阻力是以速度的平方指數增加的，并且關鍵性地取決于活動的人前端截面面積的大小。因為水的密度比空氣大800余倍，人在水中受到的壓力要遠遠大于在空氣中。這就是初學游泳者在水中感到呼吸困難的原因。由于胸腔和腹腔在水中受到的壓力增大，這就迫使呼吸肌用更大的力量進行呼吸，能夠提高許多肌肉的力量和協調性，特別是軀干、肩帶和上肢的肌肉，長期鍛煉能夠使肌肉的力量、速度、耐力和關節的靈活性都得到提高。

游泳時，人同時受到受到阻力和推進力這兩種力的影響。設阻力為F，物體的投影截面為S，物體的形狀和表面阻力系數為C，水環境的阻力系數為Re，物體的運動速度為V，則FαSV2CR另外，在向前做有效劃水的動作時，不要過猛過快，以免增大阻力，勻速前進時阻力相對要小些。推進力是游泳者在水中前進的動力，游泳者要想獲得最大的力，就要向后做有效劃臂和蹬腿，要盡量加大投影截面以及加快速度，只有這樣才能獲得更大的反作用力，也就是向前的推進力。從作用力與反作用力大小相等，方向相反這一定律得：游泳時應該直線向后劃水，這樣人所受到的反作用力最大，但實際中劃水的路線都是曲線。

3.以蛙泳為例具體分析

蛙泳時，運動員面朝下身體水平俯臥在水面上，兩臂自然向前伸直，兩臂與水平面平行，頭部置于兩臂之間，手指并攏，掌心朝下，兩眼俯視前下方，使兩臂和身體成一條直線，拉攏雙臂，最后在水中合攏，浮在水面上滑行。滑行時手向前伸出后，前臂、上臂立即旋內，掌心轉向外斜下方，并稍勾手腕，兩手分開，向斜下方壓水，水反作用于人體，使人體上浮，頭部浮出水面，換氣。蛙泳的推進力來自手臂劃水和腿的蹬水，蛙泳手劃水的方向是向側、下、后、內、路線為三維曲線，近似螺旋槳式，由于水是可以流動的介質，如果直線劃水會造成劃空的現象，就不能有效的獲得游泳所需的反作用力。曲線劃水是游泳技術的重要特征之一，劃水時肘部保持較高的部位，它包含有縱向和橫向兩方向的力，如果僅僅用伯努利方程解釋蛙泳劃水推進力是不夠的，原因是在手臂劃水的過程中，不僅僅改變了手掌前后的水流速度，而且沒有發生科安達效應，就沒有產生升力的條件，在實際劃水過程，手臂是劃動了水，由于劃水的角度的不相同，實際上是垂直分力推動人體前進了，但這樣水對人的阻力通過雙臂的分解可以減小，其劃力都可以分解為向后的推力和向兩側的水平推力，撥水的路線可以是半圓，也可以是任意曲線。

根據伯努利方程

手掌下面水流的速度比手背的水流速度慢，因此形成手掌與手背的壓力差，此壓力差即為我們所說的升力。在劃臂時，水對手的加速劃水產生一個相反的阻力，所以水對人的推進力是升力與阻力的矢量合。人在水中與在陸地又有不同，水對人體產生的作用力不是單一的，會很復雜，向后推水的力越大，依據作用力與反作用力理論，水反作用于人的推力也就越大，蛙泳的速度也會越快。

對蛙泳腿來說，細節非常多，像一個個潛伏的小陷阱，埋藏在收腿，翻腳，蹬水，夾水和滑行的各個階段。蛙泳的腿部動作是推動身體前進的主要動力，它是先收腿，后蹬腿。收腿時要慢，大腿與人體上半身有一定的夾角，是會給身體帶來阻力的，再者收腿速度對阻力也有影響。膝蓋內收，兩膝自然逐漸分開，小腿向前回收，同時兩腳放松，腿根向臀部靠攏，盡量保持一個最多兩個拳頭的距離，腳后跟要盡量靠近臀部，收腿時力量要小，為了減小回收時的阻力，小腿和兩腳要收在大腿的投影截面以內。收腿完成，小腿與水面大約成垂直狀，大腿與軀干大約成120°-140°，大腿與小腿之間大約為40°-50°，收腿結束時，這樣的動作已為翻腳、蹬水做好準備。蛙泳腿的外翻包括腳掌外翻和小腿外翻，完成時，腳跟之間的距離略比肩寬，此時從后面看，應該是一個“W”形狀，蹬腿后期腿要向內快速夾水，蹬夾過程中，腳關節也要呈外翻勾腳狀，這樣才不會降低蹬腿的實效。夾水結束，雙腿會保持伸直并攏向前滑行幾秒鐘，這樣，一個完整的動作完成。

參考文獻：

[1]泳手臂動作技術與常見錯誤動作分析——綿陽師范學院學報2009、05第28卷5期.

作者簡介：李麗杰（1969.5-），女，漢族，河北滄州人，教師。研究方向：理論物理。