游泳运动中的物理知识研究及解析

夏昕然●

湖南师范大学附属中学(410001)

游泳运动中的物理知识研究及解析

夏昕然●

湖南师范大学附属中学(410001)

游泳增强体质，养生保健，对于锻炼身体十分有益.同时游泳包含了许多物理知识，本文着重就游泳中阿基米德定律、牛顿第三定律、阻力等物理知识阐述.

游泳；物理知识；解析

游泳，是人在水的浮力作用下产生向上漂浮，凭借浮力通过肢体有规律的运动，使身体在水中有规律运动的技能.游泳是一项很值得推荐的运动，在游泳的同时，全身的肌肉都可以运动，血液循环也会较为顺畅，对维持身体的健康相当有帮助.同时游泳运动也包含了许多的物理知识.

一、游泳运动中划水动作物理知识

划水是人体在水中小臂到手尖的动作的统称，在游泳运动中划水动作是人手臂如船摇橹，肘关节如支撑轴.游泳运动中划水过程要求小臂平直，不需大臂摆动，这样可以保持整体平衡与运动速度.

如游泳运动中划水过程中划水中心与脚重心不在同一直线上，身体就会后倾或前倾，影响游泳成绩.另外，游泳运动中划水是靠人的手掌动作获得力量，因此游泳运动中手掌划水角度决定划水是否在中心.一般要求游泳运动员划水时手掌与小臂之间角度为45度最好.如不是这角度的话，根据牛顿第三定律得知，游泳运动员向下垂直压水，以至于产生向上推的反作用力，最终结果是游泳运动员身体上下浮动，影响其成绩.

二、牛顿第三定律

相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上.人对水的作用力等于水对人的推力.

2016年里约奥运会结束了男子200米自由泳决赛争夺，中国选手孙杨以1分44秒65的成绩获得冠军！游泳运动员游泳时向后划水，运动员向前运动，推动运动员向前运动的力的施力物体是( )，此现象说明力的作用是( ).

分析 当一个物体对另一个物体有力的作用时，另一个物体也同时对这个物体有力的作用，即力的作用是相互的.解决此类题目要结合作用力和反作用力考虑，即一个物体在施力的同时必然也受力，另一个物体在受力的同时必然也是施力物体.

解答 运动员游泳时手和脚向后划水，手和脚给水一个向后的力，由于物体间力的作用是相互的，水给手和脚一个向前的力，所以运动员会向前运动，此时水是施力物体.

答案：水；相互的.

三、游泳运动阻力

游泳是在水和空气的界面上运动，所以会受到水与空气的介质阻力，但空气的阻力可忽略不计，主要是来源于水的阻力.人体与水的相对运动决定了游进阻力的产生.经多年在该领域研究的知识积累，人们归纳并抽象出三种阻力对人在水中的运动有决定性影响.

1.体表磨擦阻力 体表磨擦阻力，或称表面阻力或磨擦阻力，是当人体在水中向前运动时，身体周边的水沿着身体表面轮廓向身体运动方向相反的方向流动时所产生的一种阻力.

在游泳比赛中，运动员常穿特殊的──“鲨鱼衣”，穿这种游泳衣作用主要是什么？

分析 当游泳时，会产生液体分子在物体表面的浸润与粘着，使靠近物体或人体表面的片流分子与物体表面上的水分子微粒相互作用而发生磨擦，片流与其波及的外层片流的磨擦层层波及构成边界层水流，流体受粘滞性所引起的切应力制动作用的总和就是流体施加在物体或人体表面上的体表磨擦力.生物学家发现，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.

答案：运动员常穿特殊的──“鲨鱼衣”减小与水的摩擦力，提高成绩.

2.外形姿态阻力 外形姿态阻力，或称为形状阻力，或压差阻力.为提高游泳成绩，请从泳姿给运动员提一条合理化建议.

分析 游泳时，人在水中游动时，必须用身体将水挤开才得以前行.身体的外形姿态阻力的大小取决于游泳者身材、体型、游进时的速度，以及肢体是以什么样的变换动作姿态相对水流的运动方向.由以上这些因素的相互关系作用，决定了外形姿态阻力的大小.

答案：身体尽量形成流线型，减小水的阻力，提高游泳成绩.

3.波浪阻力 波浪阻力是指当一物体通过水面，或在水下接近水面的位置，沿水平面以较快的速度巡航时所产生的一种阻力.表现在物体前部分是因物体的向前运动而在水面上掀起的波浪.

谈谈减少波浪阻力，提高游泳成绩方法.

分析 有经验的游泳运动员很注意波浪阻力的影响和作用.一方面在游泳时注意在自己头前避免形成大的波浪，另一方面又设法利用波浪阻力使自己游得更快一些.

答案：仰泳运动员用臂划水时，手靠近水面划动；蛙泳运动员蹬腿时，脚靠近水面后蹬，都是利用波浪阻力加强划水和蹬水效果的例子.由于人体运动所引起的波浪在水面下传递的幅度约为30厘米，因此在水面下30厘米以下潜泳就基本上没有波浪阻力的影响.在游泳比赛出发和转身后，有的运动员在规则允许的情况下，往往争取在水下多做几个动作，就是为了利用水下没有波浪阻力的原因.

四、游泳运动推力

推力是游泳运动中克服水中的阻力，获得向前运动速度而提供的稳定动力.游泳是依靠运动员手、前臂划水与腿蹬水来获得推进力，手划水是游泳运动推力主要来源.

游泳运动中要获得合理划水、蹬腿路线，首先要搞清楚水介质与人体前臂及腿部相互作用情况.以手臂划水动作为例，如图所示表示游泳运动员沿OZ方向游进, 翼状表示手的横截面，当沿着V的方向划水时，受到的水的作用力为R，将R分解为与V的方向垂直的升力L及与V的方向相反的阻力D，升力L和阻力D在游进方向上的投影之和F才是真正的游泳推力，即游泳运动推力的本质是靠肢体动作产生的升力和阻力.

物理学既是一门实验科学，又是一门应用科学.只要我们有一双善于发现的眼睛，一个勤于思索的大脑，我们就能用心体会到物理的奇妙与乐趣.

[1]张丽茹,王万祥.游泳运动中的物理学知识.中学物理教学参考.2015.

[2]王新峰. 游泳运动中的阻力研究及推进力:[清华大学硕士学位论文].北京:清华大学,2004．

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1008-0333(2016)34-0079-01