Равновесие тела в воде

Любое тело, погруженное в воду, находится в неподвиж­ном положении лишь в том случае, когда выталкивающая сила равна или больше веса тела, и центры выталкивающих сил и сил тяжести размещаются на одной вертикали (рис. 3.20). В челове­ческом теле, лежащем на поверхности воды, центр сил тяжести F и центр выталкивающих сил Р располагаются на разных вертикалях (рис. 3.21). Это связано с тем, что части человеческого тела имеют разные удельные веса. Ноги, которые состоят в основном из кост­ной и мышечной тканей, имеют больший удельный вес, чем верх­няя половина тела. Поэтому очень часто центр сил тяжести рас­полагается в поясничной части на уровне пятого поясничного по­звонка, а центр выталкивающих сил смещен на 2-3 позвонка в сторону головы. При таком расположении центров расстояние между ними называется плечом сил. Поскольку равнодействую­щие этих сил имеют разную направленность, возникает момент вращения, в результате которого ноги погружаются. Вращение те­ла прекратится, когда оба центра будут располагаться на одной вертикали.

У детей из-за большего веса головы по отношению к туловищу, расстояние между центрами отсутствует, и поэтому дети устойчи­во лежат на поверхности воды без дополнительных движений. У мужчин расстояние между центром сил тяжести и центром вытал­кивающих сил больше, чем у женщин.

С возрастом в связи с изменением соотношений мышеч­ной, костной и жировой тканей в сторону увеличения массы жира, наряду с уменьшением удельного веса всего тела, происходит сближение центров. Поэтому часто наблюдается способность лю­дей в зрелом и пожилом возрасте выполнять лежание без каких-либо усилий.

Местонахождение центра тяжести и центра выталкиваю­щих сил воды является одним из определяющих факторов при формировании стиля движений, т.е. индивидуальных особенно­стей техники в том или ином способе плавания. Так, например, если у пловца большое расстояние между центрами, это указыва­ет либо на сильно развитые мышцы ног, имеющих в результате этого большой удельный вес, либо на большой объем грудной клетки, при котором верхняя половина тела имеет малый удель­ный вес. В первом случае техника кроля на груди, кроля на спине и дельфина должна иметь сильную работу ног, с выраженной подъемной функцией. Во втором случае при формировании техни­ки не обязательно добиваться выраженной подъемной функ­ции, а следует обратить внимание на движущую и уравновеши­вающую функции.

Гидростатическое давление

Основной закон гидростатики, открытый Паскалем, фор­мулируется следующим образом: "Приложенное к поверхности жидкости внешнее давление передается жидкостью по всем на­правлениям одинаково". Если на поверхность воды не действует избыточное давление, т.е. давление на поверхности равно атмо­сферному давлению, то сила, с которой вода давит на помещен­ное в нее тело, равна весу столба воды, находящегося над ним.

Силы давления воды всегда направлены перпендикулярно к любой части погруженного тела и увеличиваются с глубиной его погружения. Поскольку удельный вес воды равен 1 г/см³, а вели­чина гидростатической силы равна весу жидкости, действующей на поверхность тела, нетрудно определить ее величину, зная глу­бину погружения тела. Например, если грудная клетка тела чело­века имеет размеры по высоте 50 см, а по окружности 100 см, то общая площадь ее будет равна 5000 см².

 Представим, что вы погрузились на глубину в 1 метр (или 100 см) по средней линии туловища. На такой глубине на каждый см² поверхности грудной клетки будет действовать гидростатическая сила, равная весу столба воды высотой 100 см. Если удельный вес пресной воды равен 1 г/см³, то общий вес столба воды, дейст­вующий на поверхность в 1 см², равен 100 г. Таким образом, гидростатическая сила на глубине 1 метр будет равна 100 г на 1 см². Для определения суммарного гидростатического давле­ния на грудную клетку на глубине 1 метр необходимо умножить вес столба, действующего на поверхность площадью 1 см², на ко­личество квадратных сантиметров поверхности грудной клетки:

100 г х 5000 см² = 500000 г, или 500 килограмм.

Такое дав­ление уже не позволяет на глубине 1 метр сделать вдох через трубку. При погружении на 2 метра давление воды удвоится и станет равным 1000 кг или одной тонне, при погружении на 10 метров - 5 тонн и так далее.

Такие величины гидростатического давления легко перено­сятся человеком, так как большинство частей тела состоит на 70-80% из воды, не сжимаемой под действием давления. Однако грудная клетка, наполненная сжимаемым воздухом, слуховой анализатор, в среднем ухе которого также находится воздух, не безразличны к таким величинам гидростатического давления. По­этому любому занимающемуся плаванием необходимо знать, что не всегда легочная ткань, барабанные перепонки способны вы­держивать деформации от гидростатического давления, особенно если этими органами были ранее перенесены заболевания.

Виды сопротивления движению тела

При движении тела в воде возникает лобовое или общее сопротивление, которое включает в себя: сопротивление формы "R_f", сопротивление трения "R_t" и сопротивление волнообразования "R_v.

Сопротивление формы

 Наибольшее сопротивление в воде возникает при движе­нии пластины плоскостью вперед (рис. 3.22).

При движении пластины плос­костью вперед перед ней возникает повышенное давление воды, а за плоскостью пластины вода находит­ся в разряженном состоянии. Раз­ность давлений спереди пластины и сзади и энергия, расходуемая на об­разование вихревых потоков, будут определять величину сопротивле­ния.

Величину сопротивления можно уменьшить, если улучшить условия обтекания пластины. Поместив пе­ред ней полусферу, сопротивление снижается за счет уменьшения дав­ления воды перед ней. Если полу­сферу поместить за пластиной, то сопротивления будет еще меньше за счет уменьшения вихреобразования за пластиной. При двух полусферах или при форме цилиндра сопротивление пластины станет мень­ше, чем пластины без полусфер в 2,2 раза. Наименьшим сопро­тивлением обладают формы с овальной передней поверхностью и плавно уменьшающиеся в диаметре задней поверхности тела.

Разница сопротивления пластины и цилиндра указывает на то, что кисть со сжатыми пальцами имеет большее сопротив­ление, чем кисть с разведенными пальцами, когда только полови­на плоскости кисти, ее ладонь, имеет сопротивление пластины, а вторая ее половина - пальцы работают как цилиндры. Поэтому пловцы, не обладающие достаточной силой гребковых мышц, часто выполняют гребок с разведенными пальцами, и, наоборот, у физически подготовленных пловцов вся кисть имеет форму пла­стины.

Сопротивление формы при оценке техники плавания пред­ставляет наибольший интерес, так как на его долю приходится около 70% от общего сопротивления. Несмотря на то, что тело пловца, с точки зрения гидромеханики, относится к телам неправильной формы, все же, при определенных положениях туловища и конеч­ностей можно получить благоприятные условия для уменьшения сопротивления. Проведенные исследования показали, что наименьшее сопротивление движению тогда, когда тело пловца занимает горизонтальное положение с вытяну­тыми вперед руками ладонями внутрь и касающимися друг друга. Разведение рук до ширины плеч увеличивает силу сопротивления на 10%, скольжение, при котором руки располагаются вдоль тела и прижаты к туловищу, увеличивает силу сопротивления на 20%.

3.4.2. Сопротивление трения

В природе существуют несмачиваемые и смачиваемые жидкостью тела. К несмачиваемым можно отнести водоплаваю­щих птиц, у которых слой жира на перьях препятствует намоканию кожи. Толщина слоя воды, приводимого в движение, у таких тел намного меньше, чем у смачиваемых тел, и потеря энер­гии у них происходит в результате трения тонкого слоя молекул воды о поверхность тела. Сопротивление трения больше у тел, имеющих смачиваемую поверхность. При смачивании поверхно­сти тела молекулы воды прилипают к нему и движутся со скоро­стью тела, увлекая за собой соседние слои. В результате этого вместе с телом перемещается значительная толща окружаю­щей воды. Она тем больше, чем больше скорость движения тела и вязкость окружающей жидкости. Слой воды, вовлекаемый в движение телом, носит название пограничного слоя. За толщину пограничного слоя принимается расстояние от смоченной поверх­ности движущегося тела до того слоя, скорость которого менее 1% от скорости тела. Внутри пограничного слоя могут иметь место ламинарный и турбулентный режимы перемещения жидкости. Каждому перемещению соответствуют свои законы распре­деления скоростей в слое.

На величину силы трения влияют величина смоченной по­верхности, степень шероховатости тела, скорость движения тела, вязкость жидкости и характер движения жидкости в пограничном слое. Величина сопротивления трения от общего сопротивления равна приблизительно 10%.