蛙泳中的理学

摘要：游泳是广大群众喜爱的一项体育运动，对于锻炼身体，增强体质，养生保健，防治疾病十分有益，游泳的方式多种多样，无论哪一种方式，都包含有物理学知识。以蛙泳为例具体分析。

关键词：蛙泳;力学分析;升力

游泳是现代人非常喜欢的一种运动，它对心血管系统的改善有相当重要的作用。冷水的刺激通过热量调节作用与新陈代谢能促进血液循环，此外游泳时水的压力和阻力还对心脏和血液的循环起到特殊的作用，还是改善和提高肺活量的有效手段之一。

1.游泳的种类

游泳有多種方式，根据游泳的姿势不同，可以将游泳分为：蛙泳、仰泳、自由泳、蝶泳、侧泳、潜水、花样游泳等多种形式。蛙泳是一种古老的游泳方式，古时候人们看到青蛙游泳后受到启发，便发明了这样一种优美的姿势。它是一项复杂和系统性的全身运动，手、脚、腰、腹和呼吸之间要有正确的协调和配合，无论蛙泳的快慢，动作都要有节奏，并且要始终保持这样的节奏。

2.游泳的力学分析

游泳与其他运动项目不同，它是在水中进行的，人在水中运动要受到水对他的浮力和阻力的作用，也正是这些力的合力决定了游泳的速度。游泳中的浮力，不能简单地定义为中学课本里说的阿基米德浮力，即浮力等于物体排开液体的重量。按着这个定义，如果一个人的人体比重略大于1，那么他就不可能浮在水面上，当然就不会游泳了。实际上，大多数游泳高手的人体比重都大于1，他们为什么还能漂浮在水面上，随心所欲地畅游呢？因为游泳时，还受到了其他两个力：一个是向下击水的动作所产生的反作用力，给人一个向上的举力。最典型的例子是，人直立在水中，有节奏地用脚踩水、用手压水，身体就会浮在水面上。另一个是，游泳时有一个向前的速度，而游泳者的身体总会有一点斜度，水相对于身体的流动，也会产生一个向上的分力。当我们前进时，水就会在我们头前形成水压，同时，我们身后也会生成一个较大的、压力小得多的湍流区。这种压力的不平衡会产生一种推力，使水从高压区流向低压区，并试图向后推动我们。形状阻力是以速度的平方指数增加的，并且关键性地取决于活动的人前端截面面积的大小。因为水的密度比空气大800余倍，人在水中受到的压力要远远大于在空气中。这就是初学游泳者在水中感到呼吸困难的原因。由于胸腔和腹腔在水中受到的压力增大，这就迫使呼吸肌用更大的力量进行呼吸，能够提高许多肌肉的力量和协调性，特别是躯干、肩带和上肢的肌肉，长期锻炼能够使肌肉的力量、速度、耐力和关节的灵活性都得到提高。

游泳时，人同时受到受到阻力和推进力这两种力的影响。设阻力为F，物体的投影截面为S，物体的形状和表面阻力系数为C，水环境的阻力系数为Re，物体的运动速度为V，则FαSV2CR另外，在向前做有效划水的动作时，不要过猛过快，以免增大阻力，匀速前进时阻力相对要小些。推进力是游泳者在水中前进的动力，游泳者要想获得最大的力，就要向后做有效划臂和蹬腿，要尽量加大投影截面以及加快速度，只有这样才能获得更大的反作用力，也就是向前的推进力。从作用力与反作用力大小相等，方向相反这一定律得：游泳时应该直线向后划水，这样人所受到的反作用力最大，但实际中划水的路线都是曲线。

3.以蛙泳为例具体分析

蛙泳时，运动员面朝下身体水平俯卧在水面上，两臂自然向前伸直，两臂与水平面平行，头部置于两臂之间，手指并拢，掌心朝下，两眼俯视前下方，使两臂和身体成一条直线，拉拢双臂，最后在水中合拢，浮在水面上滑行。滑行时手向前伸出后，前臂、上臂立即旋内，掌心转向外斜下方，并稍勾手腕，两手分开，向斜下方压水，水反作用于人体，使人体上浮，头部浮出水面，换气。蛙泳的推进力来自手臂划水和腿的蹬水，蛙泳手划水的方向是向侧、下、后、内、路线为三维曲线，近似螺旋桨式，由于水是可以流动的介质，如果直线划水会造成划空的现象，就不能有效的获得游泳所需的反作用力。曲线划水是游泳技术的重要特征之一，划水时肘部保持较高的部位，它包含有纵向和横向两方向的力，如果仅仅用伯努利方程解释蛙泳划水推进力是不够的，原因是在手臂划水的过程中，不仅仅改变了手掌前后的水流速度，而且没有发生科安达效应，就没有产生升力的条件，在实际划水过程，手臂是划动了水，由于划水的角度的不相同，实际上是垂直分力推动人体前进了，但这样水对人的阻力通过双臂的分解可以减小，其划力都可以分解为向后的推力和向两侧的水平推力，拨水的路线可以是半圆，也可以是任意曲线。

根据伯努利方程

手掌下面水流的速度比手背的水流速度慢，因此形成手掌与手背的压力差，此压力差即为我们所说的升力。在划臂时，水对手的加速划水产生一个相反的阻力，所以水对人的推进力是升力与阻力的矢量合。人在水中与在陆地又有不同，水对人体产生的作用力不是单一的，会很复杂，向后推水的力越大，依据作用力与反作用力理论，水反作用于人的推力也就越大，蛙泳的速度也会越快。

对蛙泳腿来说，细节非常多，像一个个潜伏的小陷阱，埋藏在收腿，翻脚，蹬水，夹水和滑行的各个阶段。蛙泳的腿部动作是推动身体前进的主要动力，它是先收腿，后蹬腿。收腿时要慢，大腿与人体上半身有一定的夹角，是会给身体带来阻力的，再者收腿速度对阻力也有影响。膝盖内收，两膝自然逐渐分开，小腿向前回收，同时两脚放松，腿根向臀部靠拢，尽量保持一个最多两个拳头的距离，脚后跟要尽量靠近臀部，收腿时力量要小，为了减小回收时的阻力，小腿和两脚要收在大腿的投影截面以内。收腿完成，小腿与水面大约成垂直状，大腿与躯干大约成120°-140°，大腿与小腿之间大约为40°-50°，收腿结束时，这样的动作已为翻脚、蹬水做好准备。蛙泳腿的外翻包括脚掌外翻和小腿外翻，完成时，脚跟之间的距离略比肩宽，此时从后面看，应该是一个“W”形状，蹬腿后期腿要向内快速夹水，蹬夹过程中，脚关节也要呈外翻勾脚状，这样才不会降低蹬腿的实效。夹水结束，双腿会保持伸直并拢向前滑行几秒钟，这样，一个完整的动作完成。

参考文献：

[1]泳手臂动作技术与常见错误动作分析——绵阳师范学院学报2009、05第28卷5期.

作者简介：李丽杰（1969.5-），女，汉族，河北沧州人，教师。研究方向：理论物理。