《简明运动生物力学》课件5-5人体运动的流体力学分析

（二）流动阻力的分类
• 流动阻力包括：摩擦阻力、压差阻力、兴波阻 力、惯性阻力
• 1、摩擦阻力
• 摩擦阻力是流体与运动物体表面之间的摩擦力 。主要与运动物体的表面积、速度以及表面的 粗糙程度等有关。摩擦阻力与物体的表面积和 物体相对于流体的速度一次方成正比。
• 2、压差阻力
• 压差阻力是由于流动时流束变形以及涡旋的出现等原 因，在物体的前方（迎流方）和后方产生压强差所引 起的阻力。
• 在静水中划水如果路线不变，只能在划水之初划到静水 得到推进力，在划水的后半段，则因水会与手一起向后 移动，没有或少有推进力，因此，较好划水技术应该是 屈肘，经由不同的深度、路线划水（如“S”形），以划 到最多的静水，获得最大的推动力。
2、手掌的方位
• 有实验证明，在水中直立时 手掌的角度与手前进方向成4 0度时，向上的推举力最大， 因此自由式的划水最有效的 方式是，像螺旋浆一样地划 水，且随时调整手掌角度， 以获得最大的推进力。
• （1）因为水下没有波浪阻力；
• （2）是在较深处无论是上打水还是下打水，都能产生推力，效率较高， 因此游速较快，且两臂也能有短暂的休息时间，出水面后可加速向前划 水。而在水面游泳，只有向下打水有推力，效率较低。
四、人体运动的流体力学特性
• （一）流动的阻力应包括惯性阻力。减小惯性阻力 的途径是，保持动作的连贯性，尽量减少速度的变 化。
被禁 用
实验表明，快皮的纤维可以减 少3%水的阻力，对于1%秒就能 决定胜负的游泳比赛，其意义 不言而喻。
• 第I代鲨鱼皮（2000年Fastskin）
• 采用纤维模仿鲨鱼皮肤结构，能引导周围的水流， 减少水阻力并提高游速3%～7.5%。作为鲨鱼皮的代 表，这款泳装在悉尼奥运会上风靡全球，有83%的参 赛选手身穿鲨鱼皮参加比赛。
• （一）流线形和水感
• 1、流线形：保持流线形的身体 姿势是减小游泳阻力的重要途径 之一。保持流线形，就是保证流 线能够平稳地流过身体而不发生 紊乱，防止紊流（湍流）出现。
• 2、水感：水感是一种重要的能 力。较好的水感就是熟悉水的流 动。有水感的选手会知道如何用 手掌抓水、推水，并让身体以最 小的阻力，像鱼一样地在水中向 前游进。
• 图为流线形水滴。可见，标准 的流线形体是具有钝圆的头部 加上尖锐的尾部。这也可以说 明为什么飞机机翼的截面及机 身和潜艇的艇身都被设计成类 似水滴形的流线形。
（二）划水
• 1、曲肘划水
• 直臂划水技术，手只在垂直于身体方向划水 效率最高。较好的技术应是屈肘划水以缩短 力臂。由牛顿第二定律F=ma可知，手的质量 m不变，加速度大可获得较大的力量，因此划 水时应加速划水，以获得较大的推进力。同 时，除加速划水外，需持续一段时间，划水 路线宜长，以获得较大的冲量。
• （五）升力以及旋转球侧向力均源于流速差产生 的压强差。
• （六）对于有动力的人体的运动来说，旋涡的产 生并不总是起阻碍作用。如何合理的利用涡量强 度，产生推力克服阻力；同时出现避免过强的旋 涡，减少能量损失，给运动技术的改进提供了新 视角。
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五、认识鲨鱼皮泳衣
• 鲨鱼皮泳衣（shark-skin like swimsuit）
第四节 人体运动的流体力学分析
人体运动的流体力学分析
一、人体在流体中运动的阻力
• （一）流动阻力的性质
• 1、在理想不可压缩流体中作匀速直线运动不受阻力
• 一个在各个方向都伸展到无穷远的静止的理想不可压缩流体中作 匀速直线运动的有限物体，不论其形状如何，它所受的沿运动方 向的总阻力或垂直于运动方向的总升力都等于零。对于以运动方 向为对称轴的物体，则根本不受力的作用。
• （二）流体的反作用力
• 各类泳姿，自由泳、蝶泳、蛙泳和仰泳的上肢划水和下肢打水的准时 力。还有蹼泳，是运动员穿着如海豚尾一样的脚蹼进行比赛，游进时 双手不动，以何如部发力带动腿再带动脚蹼上下摆动前进。这些动作 ，是采用将水推向后方，从而获得水对人体的反作用力（即推进力） 。
三、游泳流体力学分析
• 其他称呼：神奇泳衣、SPEEDO泳衣，LZRRacer泳衣、快皮
• 泳者在水中遇到的阻力，与水的密度、泳者的正面面积、摩擦 系数及泳者速度的平方成正比，因此减少正面面积和摩擦系数 是设计低阻力泳的关键。
• 鲨鱼皮泳衣它的核心技术在于模 仿鲨鱼的皮肤，鲨鱼皮肤表面粗 糙的V形皱褶可以大大减少水流 的摩擦力，使身体周围的水流更 高效地流过，鲨鱼得以快速游动 。该泳衣的超伸展纤维表面便是 完全仿造鲨鱼皮肤表面制成的。 此外，这款泳衣还充分融合了仿 生学原理：在接缝处模仿人类的 肌腱，为运动员向后划水时提供 动力；在布料上模仿人类的皮肤 ，富有弹性。
4、阻力大小与身体姿势有关
• 如图：高台滑雪运动员采用不同的身体姿势，在滑雪斜坡跑 道经70-90米的下滑助跑后起跳，空中自由飞行阶段与空气的 相对速度约为30m/s，人体相对于运动方向的投影面积约为0.2 -0.9m2。其中，a、b、c、d、e、f表示运动员两手将滑雪杖置 于胸前。c´、d´、e´、f´表示运动员两手将滑雪杖置于体侧。
在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出 旋转方向相反、并排列成有规则的双列线涡。开始时，这两列线涡分别 保持自身的运动前进，接着它们互相干扰，互相吸引，而且干扰越来越 大，形成非线性的所谓涡街。卡门涡街是粘性不可压缩流体动力学所研 究的一种现象。流体绕流高大烟囱、高层建筑、电线、油管道和换热器 的管束时都会产生卡门涡街。
• 从运动生物力学的角度改进划水技术 可从以下三个方面着手：
• 第一，加长3、4、5位相的划水距离和 迎水面积，可采用曲臂Z形或S形划水 路线，并使手掌微屈，加大划水效果 ；
• 第二，加快3、4、5位相的划水频率， 屈臂可减小上肢转动惯量，提高手掌 的线速度值，从而增大反作用力冲量 ；
• 第三，在各个位相利用手掌的冲角产 生的升力效应。
（三）打腿
卡门涡街
• 打腿（打水）是游泳推进力的主要来源之一。推进原理的理论基础是 莱特希尔（Lighthill）发展的卡门（Karman）涡街（列）推进理论。
• 1、打腿推进力产生原理
• 根据水生生物泳动的流体动力学 分析，高效摆动推进时产生的力 的方式，都和鸟类飞行时翼上的 空气动力相似。通过在流体动力 水槽中的研究，发现了在摆动时 会产生如图所示的旋涡图。根据 卡门涡街推进理论，涡旋是打腿 （摆尾）的推进力的来源。
• 3、兴波阻力
• 兴波阻力是由于物体在自由液面运动而产生波浪所引 起的阻力。潜泳的距离。
• 4、惯性阻力
• 由于流体作非定常流动或运动物体在流体中作加速运 动所引起的阻力。
二、人体在流体中运动的推进力
• 人体主要可以利用流体的反作用力以及升力作为推进力。
• （一）升力
• 体育运动中“升力”的概念的内涵已经有所扩大。除了典型的运动器 械在空中受到向上的升力外，还有其他方向的可以用升理论解释的流 体动力效应。如自由泳时手掌受到的“升力”是向前方向，旋转的球 体受到的“升力”是向侧向，而汽车赛车的尾翼受到的“升力”甚至 是向下方向的。
• 根据总阻力计算公式可得出
• 风洞试验中，运动员在飞行中所受到的空气阻力（如表）
空中 姿势
a
b
c
d
e
f
c´ d´ e´ f´
空气 阻力
11.8
11.9
12.1
15.1
19.5
19.9
17.3
19.1
23.5
26.2
•
注：被测试者为男性，身高1.70米，体重70千克，阻力单位为牛顿。
•结论：滑雪杖置于胸前且躯干紧贴大腿阻力最小。
3、在粘性流体中运动会受到阻力
• 当物体在粘滞流体中运动时，即 使物体作匀速运动，也会受到阻 力。在速度较低的情况下，附着 在物体表面的流体随物体一起运 动，从而使物体表面的流体随物 体一起运动，从而使物体表面流 体层与邻近流体层间产生相对运 动，由此产生的阻碍物体运动的 流体层间的粘滞力，称为摩擦阻 力或粘滞阻力。
卫星拍摄的卡门涡街
• 当脚在最高位置时，向下击水，产生逆时针方向的旋涡，给蹼下方的 水一个向后的冲量，因而水给人体一个向前的反作用力；而当脚蹼在 最低位置时，向上击水，产生顺时针方向的旋涡，给蹼上方的水一个 向后的冲量，因而水又给人体一个向前的反作用力，这就是游进时的 推进力。另一方面，流体在流过物体时在一定条件下会因出现卡奴役 和涡街产生周期性变化的阻力，而上述分析中的尾涡涡列方向及排列 恰与卡门涡街相反，因此卡门涡街为阻力，游泳打腿则为动力。
• 根据牛顿内摩擦定律（牛顿粘性定律
） f Adv / dz
• 摩擦阻力与流体层间相对速度的横向 变化率dv/dz成正比，与相对运动的接 触面积成正比，所以摩擦阻力的大小 与物体相对流体的速度和物体的表面 积 均成正比。
• 由于运动物体前、后方存在压强差而 产生“压差阻力”。当速度较大时， 运动物体的尾部将产生涡旋，并使前 、后方压强差明显增大，此时，压差 阻力与速度的平方成正比，压差阻力 将成为阻力的主要来源。
• （二）摩擦阻力和压差阻力均与物体的形状有关， 故不宜用形状阻力来表示压差阻力。可以通过改进 技术动作和运动器材减弱压差阻力。
• （三）根据流动阻力的性质，肢体回程动作阻力的 概念缺乏分类的依据。肢体回程动作的阻力的产生 ，仍是摩擦阻力、压差阻力、兴波阻力和惯性阻力 作用的结果。
• （四）体育运动中的“升力”已不限于对“上升 ”的分析，“升力”可以向前、向侧甚至是向下 。
• 3、配速
• 由前面流动的阻力分析可知，当运动物体在静止流体中作加速 运动时，会带动周围的一部分流体一起运动，产生附加阻力（ 惯性阻力）。游泳划水时，身体移动的速度会加快，不划时就 会慢下来这种模式像单冲程引擎，推进速度是不稳定的。
• 越是不稳定的速度，能量的浪费也就越大。因此，长划距、有 节奏的划水可提高游泳速度的稳定性。这在技术上要求当一只 手臂由空中移动时，另一只手臂是在水中划水，这种划水模式 比较像二冲程引擎，一个活塞推动时另一个活塞在回复当中。
浪花表示形状（漩 涡）阻力。形状阻 力最小的是流线型 体，如果流线型体 的阻力系数为1，那 么截面相等，速度 相同的其他形状物 体的阻力要大许多， 甚至30-100倍。
身体的侧向摆动，蛇形游 进，或向左右两侧打腿， 也都会增加体侧后方的漩 涡。因而增加了形状阻力。
2、潜泳打腿
• 自由泳、蝶泳和仰泳的比赛中，经常可以见到运动员转身后在水面下较 深处以海豚方式打水，而不是立即浮出水面划水。其原因是：
• 2、加速运动存在阻力
• 当物体作加速运动时，即使流体没有粘滞性，物体也会受到一种惯性阻力 。这是因为外力在克服物体惯性使之加速的同时，还要不断克服流体的惯 性，使其动能不断增加，其效果就像物体的质量增加了一样。另外，当物 体在理想不可压缩流体的自由表面上运动时，还会受到“兴波阻力”，这 时，物体克服所作的功转化为表面波系的动能。
• 自由泳划水时手掌的升力效应是既存在于有攻角时相，也存 在于零攻角时相。由自由泳手臂的划水动作模式图可铜陵， 以水平速度1.8米/秒的肩关节为原点，上臂长0.65米，划水臂 的平均角速度为300º/秒。
• 当把一次划水动作分为1、2、3、4、5、6、7个位相，就会看 到1、2、3位相手臂下压的趋势较大；5、6、7位相手臂上抬 的趋势较大，这正是引起身体俯仰起伏的原因。有效的水平 推力主要出现在3、4、5位相。
辩证地看待旋涡：因为推进力与涡量强度成正比，因 而需要保证一定的涡量强度，以保证所产生的推力足 以克服阻力；另方面，由于机械能损失与涡量的平方 成正比，故应避免过强的旋涡，以减少能量损失。
物体前面的形状越不好，（非流线型），压力就越大，物 体后面的形状越不好，漩涡就越多，压力就越小，物体前 后的压力差越大，所受的形状阻力（也称漩涡阻力）越大。 因此，在游泳时保持身体的流线型是非常重要的。在出发 和转身后的滑行中，身体要保持平直和一定的紧张度，做 好流线型，以减少漩涡阻力（可图示）。蛙泳应先伸臂再 蹬腿，让手臂接近伸直，做好流线型再蹬腿，不要屈臂在 胸前或伸臂同时蹬腿。另外，蹬完腿应拼拢伸直，不要弯 曲分腿。爬泳、蝶泳、仰泳打腿时要伸直脚面，勾着脚都 会在身后出现大面积的漩涡。