皮划艇桨叶流体动力分析研究

刘东升 朱英民

(锦州市体育运动学校,辽宁锦州 121000)

皮划艇桨叶流体动力分析研究

刘东升 朱英民

(锦州市体育运动学校,辽宁锦州 121000)

皮划艇在水中的运动是通过人的划桨动作推动船向前进,而皮划艇所获得的动力都与桨叶的流体动力性能有关,它直接影响着船速的变化。论述了流体力学在皮划艇项目中的应用现状,为我国的体育流体力学的发展提供借鉴,为设计高性能水上运动器材奠定基础,为皮划艇运动训练起到积极的指导作用。

皮划艇桨叶;流体力学;性能

1 前言

人体或运动器械的运动都是在流体环境中的运动。在很多情况下流体对人体或运动器械运动的影响是不能忽略的[1]。随着我国竞技体育的蓬勃发展,体育工程学逐渐成为一门新兴学科,当今正逐步渗透到体育运动项目的各个领域,当今的体育比赛胜负差距越来越小,因此,器材的流体动力性能也显得越来越重要,流体力学在体育中的应用也越来越广泛,特别是水上项目更依赖流体力学原理的发展,为了在比赛中获得胜利,越来越多的流体动力优越的体育器材逐渐为人们认可[2]。体育工程学涉及的研究领域很多,其中体育器材的流体动力性能的研究是一个重要的方向。例如皮划艇在行进中船桨在水中的运动等都会受到流水与桨叶之间相互作用所产生的阻力。本文分析皮划艇桨叶在流体中的运动,主要目的就是探索减小或避免在特定方向上皮划艇所受到的流体阻力、增大动力以及与此相关的动作技术和方法。以此来提高速度,使运动员能在比赛中取得优异的成绩。

2 皮划艇与桨叶在水中所受到的阻力分析

众所周知,不少体育运动项目都与空气和水有着密切的关系。在进行运动的时候,运动员的身体与其所使用的器械,都在跟空气和水做相对运动,这样在运动中就会难免的产生或多或少的阻力,直接会影响着比赛的成绩。如果在比赛中运动员对这些力学问题掌握得好、理解透彻、运用得当,就有可能创造佳绩;反之就有可能输掉比赛。在体育运动中最常见的就是阻力问题,一般情况下,按照常理来讲多数体育比赛项目都希望阻力小一些,但是有的运动项目或者在运动的某一阶段,却希望阻力大一些。如皮划艇运动就是这样,皮划艇在水中向前运动的力量,主要是靠桨叶与水接触产生的阻力来获得的。从流体力学的角度来看,这是利用水的反作用力,也就是桨叶在水中运动的时候受到水的阻力,这个阻力反过来作用艇上,使艇向前进。显而易见,在这个过程中,这种阻力越大越好。力的物理学定义简述为物体的质量乘以加速度,即力(F)=质量(m)×加速度(a),这说明物体在受外力作用时所获得的加速度的大小与外力的大小成正比,而与物体的质量也成正比,加速度的方向与力的方向相同。此外,根据牛顿第三定律的作用力与反作用力的原理,这两个力是同时并存的大小相等,方向相反并作用在同一条直线上的,为了推动船的前进,运动员必须有力作用在桨叶上,推动水向后,同时产生一个反作用力推动船向前。所以皮划艇运动员应该尽量地把静止的水往后推压,这样做才能增加水对桨叶阻力,以此来加快艇的速度。由于皮划艇项目在划桨的时候,要做循环重复的划桨运动,也就是在完成一个划的动作以后,接着要做一个返回的动作,来为下一次动作做准备。由于做重复动作的时候,桨的运动方向与艇前进的方向是一致的,此时桨的运动产生的阻力就成了艇前进的不利因素,故皮划艇运动员在做出水动作的时候,应该尽量减小桨叶的迎水面积,降低回返速度,减小阻力。由此看出,皮划艇运动员划桨的不同阶段阻力起着不同的作用,因而对划桨动作的技术要求也有很大不同。运用流体力学的理论,可以找出皮划艇运动同流体阻力的特殊规律,提出合理的技术要求,采取科学的训练方法,提高比赛成绩。

3 皮划艇桨叶性能的影响因素分析

优美和力量是传统奥林匹克的衡量标准。在众多比赛中,皮划艇运动更加完美地诠释了奥运会的这一精髓。然而,在2004年雅典奥运会上,计算流体力学的加入成为皮划艇选手争夺金牌最有分量的因素。皮划艇能这样的引人注目,我们应该更好的研究皮划艇这项运动,使之成为我国的优势项目。众所周知,皮划艇运动是靠运动员有节奏地划动船桨来前进的。当皮划艇被运动员连续的划桨推进时,船艇将会波动式的前进,这是一个复杂的运动的问题。例如:一个体重大、力量大的运动员不一定是划得最快的运动员。为了使运动员所划的每次都能达到最大的效率,这就要进一步了解影响皮划艇速度的因素。第一,外界因素;研究表明,影响桨叶性能的主要因素分别是频率、浸角深度、攻角。推进效率最高的区域位于桨杆与船艇垂直时的角度附近。皮划艇桨叶在空气中没有固定的支撑点,运动轨迹不定,水动力特性更为复杂[3]。第二,技术因素;皮艇的划桨技术是右手在右肩上方,肘向外弯屈,左手放松前伸使桨叶尽量向前靠近船舷。插桨时右手向前平推,左手向下迅速把桨叶插入水中。借助转体时腰、背肌肉群的力量和左腿蹬腿的力量,左手沿着船边在髋骨高度平行于水面向后划至腰部,完成拉桨动作。右手随着左手的拉桨动作由弯屈直至向前推出伸直。拉桨结束后,左手迅速抬起,手腕向外转动移到左肩上,这时桨叶已从水中提出,完成了划桨周期的4个动作。当右边的桨叶插入水中时,下一个划桨周期便开始了。划艇的划桨技术是上体前屈,上手臂微屈,下手尽量向前伸出,结合下肩的前伸下压,上手伸直向前使桨叶与水面成65-75°角迅速把桨插入水中。通过腰、肩背肌的转抬力量以躯干带动两臂拉桨,使船艇获得前进的最大作用力。拉桨动作在腰部位置结束时,下手腕迅速内转拔桨,肘部向外,上手向上把桨叶提出水面。桨叶一离开水,上手微屈,躯干前屈,下手由屈到直摆桨向前,完成推桨动作;随后再插桨,开始下一动作循环。这个动作要求运动员协调、连贯,才能产生更大的推动力。

4 皮划艇桨叶的流体动力分析

皮划艇技术是指运动员多次重复一种循环动作,即周期性的划桨运动。皮划艇运动员在划艇时,其手臂、躯干、上肢和身体各环节总是沿着一定的运动轨迹做动作,这种动作轨迹与划桨技术的合理性是内在联系的。皮划艇桨叶面垂直于水流,会受到水流带来的冲击力,桨叶面越大这种力也越大。一般皮艇桨叶为710-775c 、划艇桨叶面一般为960-1090c 。只有当桨叶完全浸在水中并垂直于水流方向时,水流才垂直接触整个桨叶面,桨叶才能受到流水带来的最大的阻力。从运动员每完成一个划桨动作来分析,皮划艇桨叶从入水到出水一共经历抓水阶段、动力阶段、操向阶段三个阶段。为了进一步搞清楚运动员划桨动作产生的作用力这个问题,要注意桨叶迎水面积的重心,因为划桨过程中,总作用力集中在重心上,总作用力既来自于桨叶的水平推进力。

在皮艇运动员划桨过程中,桨叶的位置相对于水流的旋转对于皮划艇运动员划桨技术的效果是十分关键的,如果在左右两边划桨运动垂直对称,那么迎水面积的分布模型将完全相等。但是受到多种因素的影响,实际划桨过程中并非能达到理论角度的完全效果,运动员在划桨的第一阶段想尽快地把桨叶插进水中,所以桨叶迎水面积的形状从插桨到桨叶垂直这一段比较陡,力呈上升状态。所以这个过程要明白两点:第一,充分利用上身前倾的作用使桨叶以最大的锐角角度快速入水,桨叶一旦被水淹没即快速移动成水平面,从入水开始以最大推力的划桨至结束。第二,桨叶出水时要垂直水面,出水时转桨要轻快。此时运动员的躯干、上肢肌肉间隙放松,为下一个周期划桨做准备。要求运动员左边躯干减缓旋转,桨叶出水,应迅速,果断。手臂与肘明显上抬,肘关节的高度低于肩关节,小臂的位置应高于耳,每一桨结束时保持艇速,保证艇的行进的速度是匀速行动。因此出水必须干净利落,技术动作连贯。

综上所述,桨叶水下轨迹为闭合式的,比较各种力的分配是否合理,可以找到某些一般共同特点和专门性的特征。桨叶的运动带有较多的空间特性。了解正确的桨叶工作过程,有助于运动员正确运用划桨技术使其发挥最佳效果,在日常训练过程中,鼓励队员在技术训练课中检查桨叶工作情况,让运动员知道怎样练习才能达到技术完美,大量的水上技术训练才能使技术进一步提高。在桨叶水下推动船体前进的过程中,桨叶迎水面积的大小与划桨技术、划桨幅度和划桨速度有着密切相关的联系。要想获得最大划桨力和船速,就必须注重划桨技术和水下桨叶的迎水面积的大小。运动员只有了解这些基本理论知识才有助于掌握和提高划桨技术,以便提高运动水平,而教练员也能够更加科学合理地开展训练工作。

5 结论

在竞技运动竞争日趋激烈的今天,高水平运动员之间运动技术的差距越来越小,处于同一水平运动员的数量日益增多。在这种情况下,优秀运动员之间的竞争更多地集中在对科学的训练和比赛的细节上。运用相关的流体力学的知识,对皮划艇桨叶的水下迎水受力进行分析,从而掌握划桨最佳技术效果和桨叶受力的最佳时间,使运动员的技术和力量得以更加完美地配合,从而产生最有效的推动船艇前进的动力。因此,全面、准确和科学地分析并把握皮划艇桨叶的立体力学规律是提高比赛成绩的一项极其重要任务。

[1]赵焕彬,李建设.运动生物力学[M].北京:高等教育出版社, 2008:163.

[2]郑伟涛,马勇.我国流体力学在水上运动项目中的应用现状[A].第12届运动生物力学学术交流论文集[C].太原,2008:13.

[3]马勇.水上运动项目器材的流体动力性能研究[J].武汉体育学院学报,2008,42(2):72.

The Analysis of Fluid Dynam ics on Canoeing

Liu Dongsheng,Zhu Yingmin
(Jinzhou Sports School,Jinzhou,121000,Liaoning,China)

Canoeing’smovement in thewater ispushed forward by players’strokes,and the canoeing’s dynamics is related to the paddles’fluid dynamic performance.The fluid dynamic performance influences the variability of canoeing’s speed.Thispaper ismainly about the situationsof the fluidmechanics’using in canoeing nowadays.Thispaper can be used in China’sphysical fluidmechanics’development for reference,it can be used to lay the foundation for designing the high-powerful equipmentof water sports,and it can be used to give a positive guidance in canoeing sports training.

canoeing’spaddle;fluidmechanics;performance

G861.4

A

1672-1365(2011)01-0083-02

2010-05-08;

2010-08-25

刘东升,教师,研究方向:运动训练。