蛙泳腿动作技术的力学分析

潘冬梅

(重庆交通大学体育部 重庆 400074)

游泳是一种凭借自身肢体动作和水的作用力，在水中活动或游进的技能活动［1］。在四大泳姿中，蛙泳动作技术难度系数不是最低的，但是蛙泳却是首选学习泳姿。蛙泳动作与踩水动作相似，学会了蛙泳很容易掌握踩水技术，一旦掌握了踩水技术，安全就有了保障；蛙泳技术对于反蛙泳技术的学习也是正迁移的；蛙泳采用正面抬头呼吸方式，在一定程度上可以减少初学者的恐惧感；蛙泳的节奏感比较强，每个动作周期结束后都有一定的间歇放松时间，游进比较省力，具有可长距离游进的特点和优势。由于人体重心偏下，在游进中人体腿部容易下沉，所以在游泳技术教学中，教学顺序一般是先进行腿部技术教学。蛙泳腿是蛙泳前进的主要动力，掌握好腿部技术动作是学习蛙泳的关键［2］。但是在蛙泳教学中，学生学习蛙泳腿技术过程中会出现很多错误现象，归根结底是因为教师对蛙泳腿技术只是单纯地讲解，而没有运用相关的力学原理透彻地分析其原因，导致学生停留在“知其然，不知其所以然”的层面，达不到预期学习效果。当学生明白游泳技术的力学原理时，在游泳学习中就会运用掌握的理论知识进行思考和分析错误动作，并进行纠正，不断完善蛙泳腿技术，提高蛙泳腿学习效率。

1 蛙泳时水的流体力学

由表1可知，随着温度的升高，水和空气的密度都呈下降趋势，但水和空气的密度倍数关系却是增加的。20℃时，空气的密度是1.205kg/m3，水的密度是998.203kg/m3，水的密度是空气密度的828倍多，与陆地上的运动相比，水对游泳者造成的阻力远远大于空气中的阻力，在水中肢体向任何一个方向运动都会受到极大的阻滞。游泳时，水的阻力主要包括形状阻力、兴波阻力和碎波阻力以及摩擦阻力等，其中形状阻力由运动物体前后的压强差所致，也称之为压差阻力。游泳时，三大阻力所占比重为形状阻力（压差阻力）占总阻力的50%～80%，兴波阻力和碎波阻力约占总阻力的20%～30%，摩擦阻力不超过总阻力的15%。形状阻力是游泳时阻力的主要成分，所占的比重相当大，在3种阻力中居于首位，3 种阻力并非一成不变，会随游速的增减有所改变［3］。形状阻力的大小至关重要，减少形状阻力就可有效减少游进中的阻力。由于蛙泳水下移臂和收腿动作给身体带来了阻力，蛙泳的前进速度不像爬泳和仰泳那样均匀。对蛙泳来说，设法减少阻力就显得比其他泳姿更为重要［1］。形状阻力与游进物体的形状和姿势关系密切，在相同结构参数下，“半椭圆+圆弧流线型”与“半椭圆+抛物线流线型”的阻力特性较好，“半椭圆+半椭圆流线型”次之，卡克斯流线型最差［4］。当然，在专业游泳运动员选材时，同等条件下，运动员的流线型指数＝（肩宽＋髂宽）÷（身高×2）×100，它也是选材时必要的参考指标之一。高速滑行时，头部平行于身体时的阻力比头部高于或低于人身体时阻力至少低20%［5］。流线型物体在水中遇到的阻力是最小的，即前后两端逐渐变细、没有突然的凸起、流畅的形状。鱼类的外形轮廓就是典型的流线型形状。方形物体的阻力最大，因为物体前后的挡水面较大，造成水流被重度扰乱，前后压差增大，阻力增大。故蛙泳的准备姿势是要保持良好的流线型姿势，即两臂并拢尽量前伸，两腿伸直并拢，绷脚尖。

表1 水和空气密度表（kg/m3）

关于游泳的推进力产生的方式，从20 世纪初期直到现在，在不同的阶段，有不同的推进力理论占据主导地位。从牛顿第三定律到伯努利定理，从阻力推进力到升力推进力等，到目前为止都尚无定论，一直还没有完全被证实。尽管这些理论在游泳中的解释还存在争议，但目前能明确的是高效游泳技术的总体特征是游进中减少阻力，增大推进力［6］。探索游动过程中的阻力与推进力的产生机理，分析降低阻力及提高推进力的方法，是提升游泳训练质量的关键，降低阻力和提高推进效率是当前提升经济游泳性能最为有效的手段之一［7］。

1.1 收分腿动作

游泳时人体遇到的水阻力公式可表示为：F＝-1/2CSρV2，负号表示阻力的方向与人体运动速度的方向相反；C为人体在水中运动阻力系数，它与身体形状及体表光滑程度有关，阻力系数也不是固定不变的，通过数值模拟可知阻力和阻力系数都是随速度呈非线性变化的，但二者变化趋势是不同的，阻力是随速度增加而增加，变化幅度也越来越大，阻力系数则随速度增加而减小，且减小幅度越来越平缓［8］；S为身体在运动方向上的投影截面；ρ为水的密度；V为身体运动的速度［1］。从公式中可以看出，当水的密度一定时，人体游泳时阻力的大小与身体形状、身体在运动方向的投影截面和身体运动速度的平方成正比关系。蛙泳腿收腿时身体形状发生改变，流线型姿势随之破坏，形状阻力变大，双腿向前收腿时，大腿和髋关节前侧都有横截面积，身体在运动方向上的投影截面必然增大，此时，小腿和脚踝如果能在大腿和髋关节投影面内完成前收动作，就能减少身体在游进方向的投影截面。此外，水阻力是与速度平方成正比，收腿速度越快，水阻力越大，故蛙泳腿收腿时，动作速度一定要慢，即“慢收腿”。收腿时，两腿是边收边分的，收和分是同步完成的，当大腿收到与躯干成130°左右时，大腿停止前收，脚跟继续向臀部靠拢。方形物体的在水中遇到阻力是最大的，收腿时大腿与躯干的角度越小，形状越类似于方形，身体纵轴的倾斜度也随之增加，阻力也就随之增大。脚跟继续向臀部靠拢，越靠近臀部，蹬夹水的动作路线越长，给水的作用力就越大，蹬水效果就好。分腿是分到两个膝盖内侧的间隔与肩同宽即可。当然，世界优秀男子蛙泳运动员腿部技术在向“窄收腿、窄蹬腿”发展［9］，蛙泳腿动作技术环节中，收腿阶段是没有推进力的，收腿结束时运动员的速度降到最低，收腿是阻力最大的一个环节，而尽量减少阻力才是最终的目的，收腿时双腿和双脚的距离较窄可有效降低截面阻力［10］。收腿时强调慢收腿，以减少收腿时对水的阻力［11］。蛙泳腿的收分腿技术易犯错误：收腿速度过快；收腿太多，导致臀部出水面或下沉，使得躯干上下起伏较大导致身体流线型姿势严重破坏，不但消耗体力，还增加阻力；分腿太开，膝盖外展，两膝盖的间隔比肩宽，膝盖、小腿和脚没有藏在大腿后面，游进方向横截面积变大，阻力变大；柔韧素质差导致脚跟不能向臀部靠拢，出现蹬水路线短，作用力效果差。

1.2 外翻脚

蛙泳腿收分腿结束时向外翻脚勾脚尖，即脚掌对准后面的水，增大蹬水作用面积，在运动员选材中，脚面积指数也是必要的参考标准之一（脚面积指数=脚长×脚宽），脚面积越大，作用面也就越大。收分腿和翻脚是连贯的动作，没有停顿和中断，收分腿结束紧接着就开始翻脚。从游泳者正后方看，翻脚结束后大腿和小腿的形状呈“W”形状，即两脚跟的间隔大于两膝盖的间隔，两脚跟的间隔稍比肩宽，两膝盖的间隔与肩同宽。蛙泳腿收分腿结束时向外翻脚，翻脚的目的是为下一步的脚掌蹬夹水做准备，翻脚的作用至关重要。翻脚技术好坏与身体的柔韧素质密切相关，加强柔韧素质方面的辅助练习对掌握翻脚技术要领起到一定作用。脚跟尽量向臀部靠拢，可以增长蹬夹路线，脚跟越靠近臀部，蹬夹水的动作路线就越长，给水的作用力就越大，蹬水效果就好。易犯错误动作：没有翻脚，脚背对水，导致蹬不到水；勾脚尖没有勾脚，脚踝太僵硬，脚踝的柔韧素质差；收分结束后没有立刻翻脚，动作停顿增大阻力。

2 蛙泳中的牛顿第三定律

在蛙泳技术教学中，教师可以运用牛顿第三定律进行讲解剖析，根据牛顿第三定律，施加在物体上的每一个作用力都会产生一个方向相反、大小相等的反作用力。

2.1 蹬夹水动作

向后向外弧形蹬夹水。翻脚结束后立刻蹬夹水，动作连贯，蹬夹水时两脚的运动轨迹是弧线，即边蹬边夹，蹬水和夹水是同步进行的，蹬水结束时夹水也完成。蹬夹水时，腰部和大腿发力带动小腿，要快速有力，良好的核心力量素质是前提和基础。获得较大的推进力是目标和最终目的，蹬水的目的是前进，蹬水效果的好坏直接决定游进速度的快慢，蹬夹腿动作技术是蛙泳腿技术的核心。根据牛顿第三定律，蹬水时，脚给水向后的作用力，水给人向前的大小相等的反作用力，要获得较大的反作用力作为人体前进的动力，就必须加大蹬水的力度，蹬水时要快速有力。同理，两腿夹水并拢，夹水给水向下的力，水给腿向上的反作用力，即上浮力，这样腿才不会下沉，让腿部接近水平面，其次，夹腿可有效减少游进方向的两腿的横截面积，保持良好的流线型姿势，减少阻力。蛙泳游进过程中，身体上下有起伏，尽可能地减少身体起伏幅度，使身体呈现高平的身体姿势，才能将速度提高到更快［12］。易犯错误：蹬夹水的力量小；蹬夹水不充分，双腿没有伸直；只蹬水，没有夹水，两脚的轨迹是向后的直线；蹬夹水动作不同步，蹬夹分离，即先蹬水，再夹水；蹬夹水过程中，过早绷直脚尖；蹬夹水方向错误，向水下蹬或蹬出水面；蹬夹水时两腿发力不均衡导致游进方向倾斜；蹬腿过宽。

2.2 并拢滑行

蛙泳腿蹬夹结束后两腿并拢滑行，滑行是蛙泳腿技术环节中动作结构相对简单的一个环节，在滑行时只需要保持流线型姿势即可。根据牛顿第三定律，蹬水后，脚给水向后的作用力，水给人向前的反作用力。一方面，水的流动性使人体在水中施力时不易抓住固定的支撑点，从而使人体不能获得理想的支撑反作用力。另一方面，水的密度大阻力大，这个反作用力是慢慢体现出来的，水不是弹簧，蹬完水后人体也不会立刻被“弹”出去。与陆地上的运动相比，游泳者推动水比推动固体所得到的反作用力要小得多，水给人的向前的反作用力是需要时间慢慢体现出来的，故并拢滑行也是蹬水后水给人的反作用力的体现。滑行是此次动作周期的结束，同时也是下一个动作周期的开始，滑行可最大限度地利用水的反作用力前进，同时也让身体恢复到流线型姿势，身体越接近水平姿势，在游进方向的投影截面就越小阻力也越小，就能充分地为下一个动作周期开始做好充分的准备。滑行的节奏慢，滑行也是放松和间歇时间，在长距离的耐力游进中，滑行可以起到休息调整的作用。滑行时，双腿并拢，双脚脚踝适度收缩肌肉绷脚尖，不仅可以减小阻力，还可以在腿部上抬的过程中，为脚底产生推进力创造条件［13］。高平的身体位置是现代游泳技术发展的趋势，优秀蛙泳运动员从竞技提高阶段到最佳竞技阶段动作结构变化上是滑行时间明显延长，滑行时间的延长可有效减少游进阻力。优秀运动员并拢滑行时间一般为0.22～0.36s［10］，非专业运动员在蛙泳运动中，并拢滑行时间可稍长一些。在教学中不难发现，并拢滑行是最简单的动作技术，却是最容易被学生省略掉的动作，即有的学生是不停地收蹬腿，结果是游进距离很短或在原地。易犯错误：没有并拢滑行，双腿是一直不停地在重复收分蹬；滑行时间太短，反作用力还在体现时就开始收腿，导致反作用力与收腿的阻力相互抵消，前进距离太短；脚尖没有适度地绷紧，滑行时有勾脚尖现象，增加阻力。

3 结语

高效游泳技术的总体特征是游进中减少阻力，增大推进力。根据游泳时人体遇到的水阻力公式F＝-1/2CSρV2可知，在蛙泳腿动作技术中，收腿时身体流线型姿势发生改变，阻力最大，如何在收腿时尽量减少阻力是至关重要的环节，收腿时速度要慢，尽量减少破坏人体的流线型姿势，小腿和脚踝在大腿和髋关节横截面以内完成收分腿动作，以减少身体在运动方向的投影截面等以此来减少阻力。翻脚是蹬夹水的前提和基础，脚掌对准水是增加作用力先决要素，翻脚时动作衔接连贯。蹬夹水是获得推进力的来源，根据牛顿第三定律，蹬水时，脚给水向后的作用力，水给人向前的反作用力，要获得较大的反作用力作为人体前进的动力，就必须加大蹬水的力度，蹬夹腿时一定要快速有力，蹬腿和夹腿同步完成，两脚的轨迹是向后的弧线。滑行是蛙泳腿技术环节中动作结构相对简单的一个环节，在滑行时只需要保持流线型姿势即可，但往往却被忽视，滑行是此次动作周期的结束，同时也是下一个动作周期的开始，滑行可最大限度地利用水的反作用力前进，同时也让身体恢复到流线型姿势减少阻力，为下一个动作周期开始做好充分的准备。蛙泳腿动作节奏整体上是收腿慢—翻脚慢—蹬夹快—滑行慢。

在游泳教学中，运用流体力学和牛顿第三定律等相关力学知识对蛙泳腿动作技术和节奏进行探讨分析，将蛙泳腿动作技术讲透讲明白，不能仅停留在“边收边分慢收腿，向外翻脚对准水，向后弧形蹬夹水，两腿伸直漂一会”等动作技术单一讲解的层面上，而是要更深入地运用相应的力学知识进行分析，讲解“为什么要这样做动作”，让学生不仅“知其然”，还要“知其所以然”，从而减少学生在蛙泳腿技术学习中易犯错误动作，提高学习效率。