劈波斩浪走蛟龙

2008-10-16科技之光

走近科学 2008年10期

科技之光

游泳是奥运会上最气韵流畅又喧腾激扬的竞赛项目。蛟龙出水般的爬泳，浪翅翻飞的蝶泳，枕涛卧波的仰泳，“能屈能伸”的蛙泳，在8条蔚蓝色的泳道各展风姿，金牌银牌同样决胜于百分之一秒间。2008年3月在荷兰埃因霍温举行的欧洲游泳锦标赛上，法国选手阿兰.伯纳德以47秒50的成绩刷新100米自由泳世界纪录；接着在悉尼举行的奥运选拔赛中，澳大利亚选手苏利文以21秒28的成绩创造50米自由泳世界纪录。这是当时人类靠自身力量在水中达到的最高速度。

虽然游泳竞赛项目和奥运会同龄，但前三届设置过的20个单项已有85%被淘汰，可见百年间游泳的变迁之大。早期的自由泳是指“八仙过海”的任意姿势，但由于爬泳速度最快，于是运动员便无一例外的选择爬泳，以至于自由泳成了爬泳的代名词。二十世纪早期，出身于澳大利亚游泳世家的卡维尔对民间朴素的“狗爬式”进行了系统改造（图１）。1924年巴黎奥运会上，后来成为好莱坞明星和“人猿泰山”扮演者的美国选手维斯穆勒首次在百米赛中突破1分钟大关，并创造了两臂轮流划水一次、两腿打水六次的标准爬泳动作（图２）。蛙泳则经历了更多的嬗变，1956年墨尔本奥运会以后，随着国际泳联新规则的出台，潜水蛙泳最后的繁盛随波而逝，新生的蝶泳则正式从蛙泳的支脉中“破茧而出”，自立门户，从此形成了泳坛“四大家族”的稳定格局。

（１）澳大利亚的卡维尔对“狗爬式”游泳进行了系统改造并应用于现代游泳

（２）美国选手维斯穆勒在1924年巴黎奥运会上创造了标准爬泳动作

人在水中为什么能够不下沉？其实人体70%的成分是水，平均密度在0.96至1.05之间。男人和女人，老人和孩子，胖子和瘦子，呼气和吸气的人体密度都略有不同。一个标准身材的成年人受浮力作用，头露出水面时的体重大约3公斤（图３）。不过身体浮力的合力点即“浮心”由身体浸入水中各部分的几何中心决定，和人体重心并不重合，上体因比重小而趋于上浮，下肢因比重大而趋于下沉，会产生扭转力矩。如果将手臂平伸过头就会使浮心和重心更加靠近了（图４）。

（３）浮力与重力作用在人体示意图

（４）人体的浮心与重心示意图

为什么百米短跑比百米游泳快得多？因为地上和水里的运动机制完全不同。田径运动员靠脚蹬地面产生反作用力奔跑，地球同时被脚掌“蹬开”的距离可以忽略不计。而人在水中游泳却没有固定的支撑，只能靠推动一定质量的水向身后作加速度运动，使自己借助反作用力前进。挥动的双臂和踢打的两腿如同“螺旋桨”，是产生推力和升力的引擎。加大“马力”的基本原则是划水和蹬夹水的速度要尽量快，用力方向的肢体投影面积要尽量大。两届奥运会上五夺金牌的澳大利亚游泳名将索普天生一双蒲扇般大手和47码的大脚，使他相当于戴了一副小号的手板和脚蹼。2008年北京奥运会上获得８枚金牌的美国泳坛领军人物菲尔普斯也因为生就一副“大手大脚”在水中占尽了便宜（图５）。而要提高用力的效率，减少体能的浪费，还要有正确合理的姿势、手形、迎水角度和划水路线。

（５）有着超长手臂的美国泳坛名将菲尔普斯被誉为“泳坛神童”

游泳运动员获得推进力后，必须在水中冲破“三大阻力”。其中的首屈一指的便是“压差阻力”。水的密度是空气的773倍，粘滞性是空气的55倍。运动员把不可压缩的水“挤”开后从中间穿越，水便绕着人体流向身后并产生漩涡，形成前后的压力差（图６）。身体纵轴越长，越接近流线型，迎水截面积越小，压差阻力就越小。这就是为什么优秀的游泳运动员都有修长的体型，前进中尽量保持身体与水面平行，自由泳和仰泳要滚动身体防止侧摆，蛙泳要减少还原动作的幅度。有经验的教练员说，“要想象自己是游在一个管子中。”

（６）水流与人体压差阻力示意图

因为人既不像鱼类那样游在水下，又不能像鸭子一样浮在水上。我们游动在水和空气的界面，于是便不得不耗掉一部分体能去激起重重波浪。运动员在这种弓形波浪中游泳，如同“举着”一定重量的水前进，这便是位居第二的“波浪阻力”。留心观察一下轮船头部，吃水线以下做成球状便是为了产生反相波，和船身激起的波浪相抵消，从而减少波浪阻力。游泳池里分隔泳道的小转轮也是为了消除相邻选手间的波浪干扰。潜水式蛙泳之所以速度更快就是因为一个“猛子”扎在水底躲过了波浪阻力，所以才被认为有违公平并不利于观赏而遭取消。不过今天奥运会的蛙泳比赛仍允许出发和转身时潜水蹬划一次，成了潜水蛙泳仅存的遗迹和运动员决不会错过的加速时机。

“摩擦阻力”是游泳运动的第三个束缚。由于水具有粘滞性，游泳时附着在身体表面的水分子便会依次带动相邻层面的水分子前进，这个“边界层”中水分子的内摩擦产生“摩擦阻力”。游泳运动员中盛行的“刮体毛”就是因为摩擦阻力和身体表面积及粗糙度成正相关。

游泳时的三大阻力并非一成不变，随着速度增加，摩擦阻力按线性增加、压差阻力按平方增加、波浪阻力按立方增加，但由于主导部分始终是压差阻力，因此总阻力基本和速度的平方成正比。不过千万别以为水的阻力越小越好，如果抱水、抓水、划水、蹬水、打水的时候没有阻力就会让两手扑空、两腿打滑而失去一切动力。简单的诀窍是，凡推进身体向前的“有效动作”都要充分利用阻力，凡阻碍身体向前的“无效动作”都要尽量消除阻力。自由泳之所以最快，就是因为身体平直、速度均匀、S型划水、空中移臂等优势，而蛙泳之所以最慢则由于体态相对倾斜、速度忽快忽慢、收腿伸臂等还原动作必须在水中完成。不过蛙泳却从来是最普及和最具实用性的游泳姿势。

（７）早期游泳衣增加了游泳者的阻力

让时间回到奥运会之初，用棉织平纹布和罗纹布制成的游泳衣松懈又兜水，带来很大的阻力（图７）。羊毛和丝绸的面料渐渐使游泳装更加紧凑和贴身。而荒唐陈腐的道德观念曾一度将游泳服视为异端。第7届安德卫普奥运会上夺得3项游泳冠军的美国“女飞鱼”布莱特雷因在海滨穿短裤游泳而遭逮捕，“道学家”给她安的罪名是“有伤风化”。1975年，荷兰学者在船槽中把穿与不穿游泳服进行对照试验，发现穿游泳服比裸泳的阻力减少7%。原因是人作为四肢动物，经过这种“包裹”和覆盖，能够使全身曲线更加平滑和接近流线型，自此游泳服的“穿脱之争”告一段落。1988年汉城奥运会上，美国队的“大力士”游泳服备受瞩目，聚氨酯纤维和超细尼龙纤维不仅使游泳服的重量再度减轻，双向伸缩性和整体平滑度都达到一时无两的完美。到了二十世纪九十年代，无论从质地材料到设计制作理念，游泳服都进入了全新的快速发展时期。

2000年悉尼奥运会成了鲨鱼皮游泳服的“大秀台”。澳大利亚泳星索普和他的队友身披一袭黑色的连体紧身泳装，英姿勃发，形貌奇特，宛如碧波中勇猛的鲨鱼。这种游泳服按照激光测量的运动员身体数据进行三维设计，用不亲水的特氟纶纤维精制而成，将运动员从脖颈到手腕、脚踝包个严实。它的核心精华是，仿照鲨鱼皮肤真实的结构，在游泳服表面排列了百万个细小的棘齿。当水分子沿着这些棘齿流过时，会产生无数微型的涡流，使得“边界层”的分离点推后，从而延迟和弱化尾涡的形成（图８）。这是一笔合算的交易，增加小额的摩擦力，减少大额的压差阻力。表面光滑的高尔夫球一杆只能打出几十米，而布满500来个圆形或六边形小坑的“麻脸”高尔夫球却可以打到200米开外。鲨鱼皮游泳服上小棘齿正是起着“麻子”的作用。