МИНИСТЕРСТВО СПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВПО «РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ, СПОРТА,
МОЛОДЕЖИ И ТУРИЗМА (ГЦОЛИФК)»
РЕФЕРАТ
по предмету «Спортивная биомеханика»
на тему «Биомеханические способы измерения сопротивления воды в
плавании»
выполнил студент 2 курса
Асташов Вячеслав
1
Содержание
1. Пропульсивная сила и лобовое сопротивление……………....стр 3-4
2. Способы измерения сил в плавании…………………………...стр 5-8
3. Биогидродинамический метод………………………………….стр 9-10
2
1. Пропульсивная сила и лобовое сопротивление.
слайд
Движущая, или пропульсивная (продвигающая) сила. Эта сила возникает в
результате активной мышечной деятельности пловца и представляет собой
сумму действия двух сил — лобового сопротивления и подъемной силы,
возникающей при плавательных движениях. Она определяет скорость и
направление движения тела пловца. Прямо измерить пропульсивную силу не
удается, ее определяют у спортсмена, привязанного к измерительному
устройству. Наибольшая движущая сила зарегистрирована при
«привязанном» плавании способом брасс — около 22 кг. При других
способах плавания эта сила примерно одинакова — максимально 13–14 кг. В
брассе наибольший вклад дает работа ног, а в кроле на груди и на спине —
работа рук. В плавании способом баттерфляй движущая сила рук и ног
примерно одинакова.
Лобовое сопротивление. При плавании основная мышечная работа
затрачивается не на удержание тела на воде, а на преодоление силы
сопротивления движению тела, которая называется лобовым
сопротивлением. Ее величина зависит от вязкости воды, размеров и формы
тела, а главное — от скорости продвижения его.
При высокой скорости продвижения в воде преодоление лобового
сопротивления составляет главный компонент физической нагрузки для
пловца. Если путем буксировки протягивать тело человека по воде, то
лобовое сопротивление этому пассивному продвижению растет примерно
пропорционально квадрату скорости буксировки. При активном плавании изза движений головой, туловищем и конечностями лобовое сопротивление
больше: при плавании кролем примерно в 1,5 раза, а при брассе — в 2 раза.
Силы лобового сопротивления доминируют, особенно на решающих
участках гребковых траекторий в способах плавания кроль на груди, кроль на
спине и баттерфляй. Величина сил лобового сопротивления, создаваемая на
гребущих плоскостях (кисть и предплечье), значительно превышает
величину подъемной силы.
В способе брасс как лобовое сопротивление, так и подъемная сила вносят
вклад в создание результирующей продвигающей силы как во время
разведения, так и сведения рук. Однако направление силы лобового
сопротивления не совпадает с направлением вектора скорости тела. Таким
образом, подъемная сила, образованная за счет движения кистей рук под
углом атаки к потоку в плоскости, перпендикулярной направлению
3
движения, является главным
продвигающего усилия.
и
почти
единственным
компонентом
(слайд)
Д. Бернули, швейцарский физик, первым открыл связь между давлением
жидкости и скоростью ее потока. В сформулированном этим ученым законе
было установлено, что чем выше скорость потока идеальной жидкости, тем
ниже давление, которое он создает. Этот закон объясняет возникновение
подъемной силы при движении объектов в форме крыла в жидкообразных и
газообразных средах (Рисунок 4)
Авторы Д. Ф. Мосунов, М. Д. Мосунова, Ю. А. Назаренко выделяют
несколько фактов о взаимодействия спортсмена-пловца с водной средой.
Факт 1. Человек, погружающийся в воду, вытесняет объем воды,
который равен объему погруженного в воду тела или части его тела.
А значит и нарушается целостная форма воды плавательного бассеина.
Факт 2. К поверхности тела и купального костюма, по всему объему
погруженного тела или его части, прилепает тонкий пограничный слой воды.
Прилипший слой воды по мнению Д. Ф. Мосунов, М. Д. Мосунова, Ю. А.
Назаренко остается неподвижным на данном месте на поверхности кожи или
костюма.
Факт 3. При плавании пловца в условиях воды бассейна возникает
пространственно - временная гидродинамическая система ″пловец - вода″.
Авторы описывают ее, как мощная гидродинамическая капсула
перемещения. Значение этой капсулы определяется тем, что возникает
пропульсивное воздействие на свойства всей среды бассеина и происходит
изменение при перемещении пловца на дистанции внутри мощной
гидродинамической капсулы
4
2. Способы измерения сил в плавании.
Измерение сил в плавании представляется весьма затруднительным, так как
имеет место взаимодействие сегментов. Когда изолированно рассматривается
только один сегмент, это может привести к ошибочным заключениям. Даже
теперь, когда состояние развития методов измерения значительно лучше, чем
ранее, оно все еще оставляет желать лучшего.
На протяжении всей истории плавания были предприняты попытки
измерить сопротивление. Еще в 1905 году Дюбуа-Реймонд отбуксировал
людей за гребной лодкой, измеряя сопротивление с помощью динамометра.
Буксировка пловца с берега осуществлялась с помощью брашпиля
(Liljestrand G, Stenstrom N. Studienuber die Physiologie des Schwimmens //
Skandinavisches Archiv fur Physiologie. 1919. № 39. Р. 1–63). Д. Амар (Amar J.
The human motor. London: G. Routledge & Sons, Ltd, 1920) первым
предположил, что сопротивление связано с квадратом скорости плавания, что
в дальнейшем в своих исследованиях подтвердил П. Карпович (Karpovich P.
Water resistance in swimming Research Quarterly. 1933. V. 4. P. 21–28) Как Д.
Амар, так и П. Карпович использовали методы измерения сопротивление
пловцов, которые находились в воде в пассивном состоянии. (В этом случае
соотношение между сопротивлением (N) и скоростью (m • sˉ¹) было
приблизительно D = 29 • v².) Тем не менее, тело, конечно, никогда не
находится в пассивном или устойчивом положении, что позволяет постоянно
генерировать продвигающие силы. В следствие этого, некоторыми авторами
было высказано предположение, что движения, необходимые для создания
продвигающих сил, могут вызвать дополнительное сопротивление.
Один из ведущих американских специалистов в биомеханики
плавания Р.Е. Шлейхауф разработал новый подход. Его техника была
основана на балансе пропульсивных и резистивных сил, которые, согласно
5
закону Ньютона, должны существовать при плавании с постоянной
скоростью. Следовательно, путем определения пропульсивных сил можно
оценить сопротивление.
В середине 80-х А.П. Холандер и др. (1986) разработали подход к
измерению активного сопротивления (система М.А.Д., (measure active drag
(MAD - system)). (Measurement of active drag forces during swimming / A.P.
Hollander, G. de Groot, Ingen Schenau G.J. van, H.M. Toussaint, Best H. de, W.
Peeters, A. Meulemans, A.W. Schreurs // J. sports sci. 1986. № 4. Р. 21–30). Этот
метод основан на прямом измерении величины силы отталкивания ладони
руки, выполняющий гребок в кроле.
Так же А. Холандер, проводя исследования с пловцами высоковой
квалификации, сравнивал и активное и пассивное сопротивление у 13
элитных мужчин-пловцов. Активное сопротивление было определено с
использованием техники Шлейхауфа и использования MAD - системы, в то
время как пассивное сопротивление было определено во время буксировки
Вновь было подтверждено, что активное сопротивление связано со
скоростью с D = 26,5 • v2. Значения пассивного сопротивления были
значительно ниже (14,5 • v2), но намного выше предыдущих измерений.
Это показало, что величина пассивного сопротивления в большой степени
зависит от положения тела во время буксировки. В частности, небольшие
вариации в положении головы могут приводить к значительным изменениям
сопротивления
Также для измерения активного сопротивления во время плавания была
разработана, изготовлена и испытана система. Трубка (длиной 23 м) с
захватами закреплена под поверхностью воды, и по ней ползет пловец. На
6
одном конце трубки датчик силы прикреплен к стенке бассейна. Он измеряет
мгновенные эффективные движущие силы рук. Во время измерений ноги
испытуемых фиксируются вместе и опираются на буй. После фильтрации и
оцифровки сигнала электрической силы была рассчитана средняя движущая
сила на одной полосе при постоянных скоростях (в диапазоне от 1 до 2 мс 1 ). Уравнение регрессии силы на скорости оказалось почти
квадратичным. При средней скорости 1,55 мс -1средняя сила составляла 66,3
Н. Точность этой силы, измеренная на одном объекте в разные дни,
составляла 4,1 Н. Наблюдаемая сила, равная средней силе сопротивления,
замечательно подходит как для значений пассивной силы сопротивления, так
и для рассчитанных значений. для движущих сил во время фактического
плавания сообщается в литературе. Использование системы в значительной
степени не мешает нормальному плаванию в ползании спереди; Этот вывод
основан на результатах наблюдений фильма опытными тренерами по
плаванию. Был сделан вывод, что система обеспечивает хороший метод
изучения активного сопротивления и его связь с антропометрическими
переменными и техникой плавания.
С.В. Колмогоров и О. Дуплишева разработали метод определения
активного
возмущений
сопротивления.
с
помощью
При
использовании
дополнительного
этого
метода
гидродинамического
малых
тела
испытуемым предлагается проплыть два 30-метровых с максимальной
скоростью,
один
гидродинамическим
раз
свободно,
другой
сопротивлением,
что
раз
с
прикрепленным
создало
дополнительное
сопротивление. Для каждого из отрезков вычисляется средняя скорость. Если
предположить, что пловец при плавании с максимальной скоростью
7
развивает
максимальную
и
постоянную
мощность,
то
активное
сопротивление можно вычислить следующим образом, (см. уравнение 3):
D1· v1 = D2·v2
(Уравнение 3)
Важным преимуществом этого метода является то, что его можно
применять
для
измерения
активного
сопротивления
всех
четырех
спортивных способов плавания, в то врем как система MAD и косвенные
методы применимы только для кроля. Кроме того, этот метод дает
возможность оценивать активное сопротивление только на максимальной
скорости, что, с другой стороны, является одним из недостатков этого
метода.
8
3. Биогидродинамический метод
В 2008 году в своей статье Российского журнала биомеханики С.В.
Колмогоров проводит исследование на тему: «КИНЕМАТИЧЕСКИЕ И
ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТАНОВИВШЕГОСЯ
НЕСТАЦИОНАРНОГО ДВИЖЕНИЯ ЭЛИТНЫХ ПЛОВЦОВ»
В ходе исследования был разработан биогидродинамический метод, который
используется для анализа технической подготовленности элитных пловцов
женского и мужского пола. Этот метод позволил количественно определить
реальные внутрицикловые значения тотальной и эффективной
продвигающих сил, генерируемых движителями пловца. Внутрицикловые
изменения мгновенной поступательной скорости, равной скорости центра
масс тела человека, взаимосвязаны с определенными фазами цикла движений
и объясняются разницей мгновенных значений эффективной продвигающей
силы (Fp(e.)(t)) и силы лобового гидродинамического сопротивления
(Fr(f.d.)(t)). У элитных пловцов зарегистрированы высокие значения
коэффициента пропульсивной эффективности (ep = 0,626–0,837)
Этот метод позволяет отследить лобовое сопротивление и другие силы,
влияющие на пловца внутри цикла движений каждого способа плавания, в
том числе и брасс.
слайд
В начале статьи нам демонстрируют Математическую модель
биогидродинамического метода.
Лобовая компонента силы Fr(f.d.)(t) то что нас интересует в этой статье
определяется на основании экспериментального определения переменных
уравнения (3)
слайд
Мгновенное значение характерного размера тела испытуемого (S(b.s.)(t))
определяется как конкретная величина объема тела испытуемого,
находящаяся в воде в данный момент времени, в степени 2/3 {м 2 }. В
указанный объем не включаются объемы звеньев тела, которые в данный
момент цикла являются движителями и имеют отрицательный вектор по
отношению к направлению поступательного движения центра масс тела
испытуемого. Данная величина определяется экспериментально на
основании результатов трехмерного кинематического анализа движения всех
основных звеньев тела человека. Мгновенные значения Cx(f.d.)(t) для
каждого испытуемого определяются в различном количестве наиболее
характерных положений тела испытуемого (от 6 до 12 исследуемых позиций
в зависимости от стиля плавания). Данные позиции также отбираются на
9
основании предварительного кинематического анализа видеозаписи. В
зависимости от исследуемой позиции тела испытуемого Cx(f.d.)(t)
определяется при стационарном режиме обтекания двумя различными
путями. В первом случае, когда S(b.s.)(t) исследуемой позиции не имеет
каких-нибудь исключаемых сегментов движителей, Cx(f.d.)(t)
рассчитывается на основании измерения результатов гидродинамического
сопротивления испытуемого в гидроканале.
Слайд гидроканала
Во втором случае, когда S(b.s.)(t) исследуемой позиции имеет исключаемые
сегменты движителей, используются экспериментальные значения Cx(f.d.)(t)
специальной модели человеческого тела [11, 13]. Так, например, в стиле
дельфин в фазе оттакивания исключаются определенные сегменты рук или в
стиле брасс в фазе удара ногами исключаются определенные сегменты ног.
Модель человеческого тела длиной 1,85 метра исследовалась в гидроканале
при стационарном режиме обтекания в диапазоне чисел Rel = (1,0–5,0)·106
при скоростях гидродинамического потока до 2,2 м/с. Конструкция модели
позволяет исключать любые объемы сегментов человеческого тела, которые
в данный момент являются движителями, и, следовательно, не испытывают
фронтального гидродинамического сопротивления. Такой подход позволил
определить экспериментальные зависимости между Cx(f.d.)(t) и различным
объемом исключаемых сегментов движителей модели во всех изучаемых
спсосбах плавания. Модель исследовалась во всех рассматриваемых
позициях тела испытуемого с различными значениями S(b.s.)(t).
Экспериментальное исследование было осуществлено в периоды
непосредственной подготовки испытуемых к летним Олимпийским играм
1992 года в Барселоне и 1996 года в Атланте, а также к чемпионату мира по
плаванию 1994 года в Риме. В исследовании приняли участие две
испытуемых женского пола и семь испытуемых мужского пола в возрасте от
17 до 26 лет. Все испытуемые на момент тестирования входили в первую
десятку спортсменов мирового рейтинга. Биогидродинамический анализ
системы движений проводился предельно близко к дате главного старта
сезона, когда испытуемый начинает входить в так называемое состояние
"спортивной формы" и достигает максимальных показателей скорости
плавания. Слайд картинок.
Анализ индивидуальных результатов показывает, что использование
биогидродинамического метода позволило впервые определить
количественно реальные внутрицикловые продвигающие силы и силу
лобового гидродинамического сопротивления, возникающие при плавании
различными стилями на уровне целостной биомеханической системы водных
локомоций человека.
10
Список литературы
1. Козлов, Л.Ф. Теоретическая биогидродинамика / Л.Ф. Козлов. – Киев: Высшая школа,
1983.
2. Койгеров, С.В. Средства оперативного контроля за спортивно-технической
подготовленностью высококвалифицированных пловцов / С.В. Койгеров, А.В. Укстин,
К.К. Молинский // Теория и практика физической культуры. – 1984. – № 7. – С. 7–9.
3. Колмогоров, С.В. Гидродинамические характеристики элитных пловцов на различных
этапах подготовки / С.В. Колмогоров, Г.Г. Турецкий, С.В. Койгеров, О.А. Румянцева //
Теория и практика физической культуры. – 1991. – № 12. – С. 21–29.
4. Логвинович, Г.В. Гидродинамика плавания рыб / Г.В. Логвинович // Бионика: cб. науч.
тр. – Киев: Наукова Думка, 1973. – С. 3–8.
5. Першин, С.В. Основы гидробионики / С.В. Першин. – М.: Судостроение, 1988.
6. Федяевский, К.К. Гидромеханика / К.К. Федяевский, Я.И. Войткунский, Ю.И. Фаддеев.
– Л.: Судостроение, 1968.
7. Хальянд, Р.Б. Модели техники спортивных способов плавания с методикой
совершенствования и контроля / Р.Б. Хальянд, Т.А. Тамп, Р.Р. Каал. – Таллин: Изд-во
Таллинского педагогического института, 1986.
8. Шебалов, А.И. Некоторые вопросы влияния нестационарности на "механизм"
образования сопротивления / А.И. Шебалов // Бионика: cб. науч. тр. – Киев: Наукова
Думка, 1969. – С. 61–66.
9. Kolmogorov, S. Active drag, useful mechanical power output and hydrodynamic force
coefficient in different swimming strokes at maximal velocity / S. Kolmogorov, O. Duplisheva //
J. Biomechanics. – 1992. – Vol. 25. – P. 311–318.
10. Kolmogorov, S. Biomechanics of a set unstationary active motion of biological objects in
water environment: from concepts to technologies / S. Kolmogorov , S. Lyapin // Proccedings of
VIII Conference Biomechanics and Medicine in Swimming / K. Keskinen, P. Komi, P.
Hollander (Eds). – Jyvaskyla, Gummerus Printing, 1999. – P. 119–124.
11. Kolmogorov, S. Technology for decreasing active drag at maximal swimming velocity / S.
Kolmogorov, S. Lyapin, O. Rumyantseva, J.P. Vilas-Boas // Proceedings of XVIII International
Symposium on Biomechanics in Sports: Application of Biomechanical Study in Swimming. In
R. Sanders, Y. Hong (Eds). – Hong Kong, The Chinese University Press, 2000. – P. 39–47.
12. Kolmogorov, S. Hydrodynamic characteristics of competitive swimmers of different genders
and performance levels / S. Kolmogorov, O. Rumyantseva, B. Gordon, J. Cappaert // J. Appl.
Biomechanics. – 1997. – Vol. 13. – P. 88–97.
13. Kolmogorov, S. Interconnection between the functional and technical; preparedness of topperforming swimmers in final large training cycle / S. Kolmogorov, G. Turetsky, T.
Fomitchenko // J. Treinamento Desportivo. – 1999. – Vol. 4. – P. 5–17.
14.Аикин, В.А. Общие закономерности дифференцированного обучения биомеханическим
элементам техники плавания в возрасте 7-17 лет : автореф. дис. ... д-ра пед. наук / В.А.
Аикин ; Сиб. гос. акад. физ. культуры. – Омск, 1997. – 47 с.
11
15. Аллакин, Ю.А. Методы формирования силового компонента гребковых движений в
плавании: автореф. дис. канд. пед. наук / Ю.А. Аллакин ; ВНИИФК. – Москва, 1991 – 21 с.
16. Аришин, А.В. Использование метода компьютерного видеоанализа для контроля и
коррекции технической подготовки квалифицированных пловцов / А.В. Аришин, А.И.
Погребной // Олимпийский спорт и спорт для всех. XX Международный научный
конгресс / Международная ассоциация университетов физической культуры и спорта,
Министерство спорта Российской Федерации, Олимпийский комитет России, Нац. гос. унт физ. культуры, спорта и здоровья им. П.Ф. Лесгафта. – Санкт-Петербург, 2016. – С. 415–
417.
17. Бальсевич, В.К. Биодинамические характеристики некоторых видов спортивных и
естественных локомоций / В.К. Бальсевич // Вопросы биомеханики физических
упражнений. – Омск, 1974. – С. 19–54.
18. Белоковский, В.В. Исследование и совершенствование некоторых основных
характеристик техники плавания кролем : автореф. дис. ... канд. пед. наук / В.В.
Белоковский. – Москва, 1968. – 16 с.
19. В.Т. Гринев, А.И. Погребной, Ю.И. Костюк, Т.М. Звягинцева Биомеханические основы
обучения плаванию : учебное пособие – Краснодар, 1990. – 82 с.
20. Булгакова, Н.Ж. Методика подготовки пловцов высокого класса в ДЮСШ в процессе
многолетней тренировки : учебное пособие / Н.Ж. Булгакова, Ж.С. Ванькова, А.А.
Ваньков. – Москва : ГЦОЛИФК, 1980. – 63 с.
21. Бутович, H.A. Биодинамический анализ движений способа плавания кроль и его
приложение в методике обучения плаванию и в совершенствовании техники пловцов :
дис. ... канд. пед. наук / Н.А. Бутович. – Москва, 1946. – 91 с.
22. Бутович, Н.А. Кроль быстрейший способ плавания / Н.А. Бутович, Б.И. Чудковский.
– Москва : Физкультура и спорт, 1968. – 128 с.
23. Верхошанский, Ю.В. Программирование и организация тренировочного процесса /
Ю.В. Верхошанский. – Москва : Физкультура и спорт, 1985. – 176 с.
24. Вороненко, С.Ф. Формирование ритмо-скоростной структуры двигательного навыка
в спортивном плавании с использованием искусственно созданных условий : автореф.
дис. ... канд. пед. наук / С.Ф. Вороненко ; ВНИИФК. – Москва, 1987. – 23 с.
25. Вржесневский, И.В. Основы техники плавания / И.В. Вржесневский // Биомеханика и
техника отдельных видов спорта / Под общ. ред. Н.А. Лапутина. – Киев, 1973. – С. 5–21.
26. Вржесневский, И.В. Плавание : учебник для техникумов физической культуры / И.В.
Вржневский. – 2-е испр. изд. – Москва : Физкультура и спорт, 1954. – 334 с. : ил.
27. В.Б. Иссурин, Ю.Ф. Иванюта, Е.А. Краснов, А.П. Силаев, А.А. Хомяков
12
Гидродинамические характеристики спортивных судов: эффект и допустимость
использования водорастворимых полимерных покрытий для повышения скорости
движения лодки // Теория и практика физической культуры. – 1980. – № 6. – С. 444.
28. С.В. Колмогоров [и др.] / Гидродинамические характеристики элитных пловцов на
различных этапах подготовки / С.В. Колмогоров [и др.] // Теория и практика физической
культуры. – 1991. – № 12. – С. 21–29.
29. Гилев, Г.А. Об эффективности продвижения пловца / Г.А. Гилев, В.В. Ломоносов //
Теория и практика физической культуры. – 1986. – № 1. – С. 14–17.
30. Гилев, Г.А. Проблемные аспекты подготовки пловцов высокого класса : монография /
Г.А. Гилев. – Москва : МГЦУ, 1997. – 205 с.
31. Гилев, Г.А. Эффективность продвижения пловца в кроле на груди / Г.А. Гилев, В.В.
Ломоновов, С.В. Малиновский // Теория и практика физической культуры. – 1976. – №
12. – С.10–11.
32. Гордон, С.М. Гидродинамическое сопротивление и продвигающие силы пловца /
С.М. Гордон, В.А. Ширковец // Теория и практика физической культуры. –1968. – № 6. –
С. 17–21.
33. Гордон, С.М. Зависимость коэффициента сопротивления от скорости потока,
возраста и антропометрических показателей / С.М. Гордон, Д.Р. Дмитиев, И.В.
Чеботарев // Теория и практика физической культуры. – 1985. – № 4. – С. 11–13.
34. Гордон, С.М. Определение направленности и интенсивности основных
тренировочных упражнений при плавании вольным стилем / С.М. Гордон // Теория и
практика физической культуры. – 1958. – T. XXI, Вып. 7. – С. 525–532.
35. Гордон, С.М. Структурный анализ основных параметров, обусловливающих
результат в спортивном плавании / С.М. Гордон, К.А. Ширковец // Теория и практика
физической культуры. – 1969. – № I. – С. 8–11.
36. Горелов, А.А. Теоретические основы физической культуры : курсы лекций / А.А.
Горолев, О.Г. Румба, В.Л. Кондаков. – Белгород : Лит Кара Ван, 2009. – 124 с.
37. Городничев, Р.М. Спортивная электронейромиография / Р.М. Городничев ;
Великолукская гос. акад. физ. культуры. – Великие Луки : [б. и.], 2005. – 227 с.
38. Гречанников, В.Н. Система оценки спортивных результатов в плавании как фактор
совершенствования учебно-тренировочного процесса : автореф. дис. ... канд. пед. наук /
В.Н. Гречанников. – Ленинград, 1983. – 22 с.
39. Гринев, В.Т. Некоторые особенности гребка при плавании способом кроль / В.Т.
Гринев // Теория и практика физической культуры. –1972. – № 9. – С. 20–22.
40. Н.В.Чертов Электронный учебник ПЛАВАНИЕ.
13
