Физика быстрого плавания: научный подход | Статья в журнале «Юный ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 18 декабря, печатный экземпляр отправим 22 декабря.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Научные руководители: ,

Общественно значимое исследование Отличный выбор методов исследования Отличные иллюстрации Высокая практическая значимость

Рубрика: Физика

Опубликовано в Юный учёный №10 (51) ноябрь 2021 г.

Дата публикации: 19.10.2021

Статья просмотрена: 232 раза

Библиографическое описание:

Жукова, У. М. Физика быстрого плавания: научный подход / У. М. Жукова, В. С. Воронова, В. Я. Семенова. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2021. — № 10 (51). — С. 37-43. — URL: https://moluch.ru/young/archive/51/2657/ (дата обращения: 07.12.2021).



В статье авторы исследуют дискуссионный вопрос о зависимости скорости плавания от силы рук и ног у детей методом эксперимента и математического анализа, опираясь на физику плавания

Ключевые слова: скорость плавания, фронтальное сопротивление, мышечная сила ног

Вводная часть и актуальность

После получения третьего юношеского разряда по плаванию я задумалась о том, как плавать быстрее. В известных пособиях — энциклопедиях [1]; авторских изданий спортсменов и тренеров [2,3,4], в книгах об отборе юных пловцов по физическим данным [5,6,7] говорят о важности для скорости пловца силы гребка, меньше внимания уделяется работе ног. Значит ли это, что сила рук в плавании важнее силы ног? По этому вопросу есть три точки зрения. Они представлены известными пловцами и учеными (Таблица 1).

Таблица 1

Распространенные мнения о значимости силы рук и ног в плавании

Сторонник

Характеристика

Цитаты

«За» сильные ноги

Гарри Холл Старший

10-кратный мировой рекордсмен, трёхкратный олимпийский чемпион

«Я бы сказал, у большинства довольно хороших пловцов работа ног влияет на общую скорость плавания больше, чем гребок» [9]

«За» сильные руки

Шейла Таормина

Золотая медаль в эстафете 4×200 м. на Олимпийских играх 1996, автор книг по плаванию

«От чего зависят результаты пловца? В первую очередь от техники плавания, в которой, важнее правильный гребок» [5, с. 2]

Роль рук и ног зависит от индивидуальных особенностей пловца и требует дальнейшего изучения

Вероник Десчодт-Арсак

и другие ученые

Профессор колледжа гуманитарных наук Университета Бордо. Занимается исследованиями участия рук и ног в плавании вольным стилем у взрослых спортсменов

«Вклад рук может превышать 85 % от силы тяги, развиваемой спортсменом». «Вклад ног — 10 %». «Удары ногами могут дать основную прибавку в скорости, обеспечивая устойчивость тела и предоставляя возможность рукам двигаться с большей амплитудой» [8, p. 199]

Источник: указаны в сносках в последнем столбце

Можно сказать, что вопрос участия ног в развитии скорости плавания пока не решен. Он продолжает исследоваться, но на примере взрослых пловцов со сложившимися параметрами тела, утвердившейся техникой плавания, натренированных на определенный стиль плавания и дистанцию.

Актуально изучение участия ног и рук в развитии скорости плавания у детей 9–11 лет. Пока это малоизученная область. В этом возрасте зависимость скорости плавания от пропорций тела не выражена [5], нет специализации, а прирост скорости в плавании определяется именно кинематикой рук и ног.

Кроме того, с 11 лет начинает активно расти мышечная масса. К этому времени надо увеличивать силовые тренировки, имея ответ на вопрос, что лучше тренировать для роста скорости плавания: руки или ноги?

Часто указывается на еще один фактор, влияющий на скорость плавания. Это — рост пловца. «Каждые 10 см длины тела снижают встречное сопротивление воды на 5 %» [5, c. 28]. Но в плавании добиваются рекордов люди с большой разницей в росте: до 12 см. у мужчин и до15 см. у женщин[1]. Возникает вопрос:как рост детей определяет скорость плавания?

Цель моего исследования — определить, что больше влияет на скорость плавания в детском возрасте: сила рук, ног или другие факторы.

Задачи исследования:

1) Рассмотреть физику плавания;

2) Провести эксперимент с группой детей 9–11 лет в бассейне;

3) Рассчитать скоростные составляющие плавания;

4) Подготовить рекомендации для повышения скорости плавания.

Используемые методы:

  1. Изучение действия физических сил на пловца в зоне рук и ног.
  2. Постановка гипотезы.
  3. Проведение эксперимента для проверки гипотезы.
  4. Математический анализ зависимости скорости плавания на разных дистанциях от скорости плавания на руках и на ногах.
  5. Графический анализ зависимости скорости плавания от роста.
  6. Обобщение результатов. Разработка рекомендаций.

I . Физика плавания

На пловца в воде воздействуют 7 сил. Во-первых, это сила тяжести и архимедова сила. Центры этих сил не совпадают. Центр силы тяжести ближе к ногам, поэтому ноги тянут вниз. Образуется угол к поверхности воды (угол атаки). Чем ближе угол атаки к 0 o , тем больше скорость плавания (Рис. 1).

Третья сила очень важная — это сила тяги. Она двигает пловца вперед при помощи рук и ног за счет отталкивания от воды.

Четвертая сила — фронтальное сопротивление воды, которое создается в зоне плеч, рук, грудной клетки. Преодолевая фронтальное сопротивление силой тяги, человек плывет.

Пятая сила — это сила трения кожи и купального костюма. С 2000 г. спортсмены начали использовать специальные костюмы, снижающие силу трения. Но с 2010 года это запрещено.

Шестая сила — хвостовое втягивание . Это объем воды, который пловец «тянет» за собой. «Провисание» туловища в воде повышает этот объем.

Силы, действующие на пловца в воде

Рис. 1. Силы, действующие на пловца в воде

Источник: составлено авторами.

Седьмая сила это подъемная сила Бернулли. Она очень интересная. Она образуется под выпуклой поверхностью при движении в жидкости или в воздухе. И тем больше, чем больше скорость движения (Рис. 1).

Для самолета — это основная сила. Ведь крылья у него выпуклые в сечении. Для пловца — дополнительная: и скорость не как у самолета, и тело не движется постоянно на одном уровне в воде. Но изучение подъемной силы привело к отказу от гребка прямой рукой назад. Лучшей техникой стал S-образный гребок, имитирующий вращение пропеллера. Лопасти пропеллера выпуклые с одной стороны. При прокручивании в воде сила Бернулли толкает их вперед. У пловца роль лопастей играют кисти и предплечья (рис. 2).

Сила Бернулли в плавании и в самолетостроении

Рис. 2. Сила Бернулли в плавании и в самолетостроении

Фронтальное сопротивление больше всего зависит от квадрата скорости. Каждая новая секунда скорости будет даваться все труднее (1).

(1)

R — фронтальное сопротивление

C — коэффициент обтекаемости (опытным путем)

S — площадь поперечного сечения

𝜌 — плотность воды

V — скорость пловца

Вывод: сила тяги пловца равна силе фронтального сопротивления плюс небольшая сумма других сил. Физика плавания не дает прямого ответа на вопрос, что лучше тренировать: руки или ноги? Надо и то, и другое.

II . Постановка гипотезы

По результатам изучения сил, действующих на пловца, возникает следующий вопрос. Даже небольшое увеличение скорости сильно увеличивает фронтальное сопротивление для рук. Добавим к гребку ноги — и нагрузка на руки будет усилена. Что лучше:

— добавить скорость ногами и отнять часть скорости у рук, затратив ее на поддержку скорости, идущей от ног,

— или сильнее работать руками, оставив ноги для поддержки равновесия?

Я выдвигаю гипотезу «за сильные ноги». Проверим ее в эксперименте.

III . Подготовка и проведение эксперимента. Предварительный анализ результатов

Для эксперимента выбрали 5 мальчиков и 5 девочек 9–11 лет, занимающихся плаванием уже 3 года. Учли их рост, длину стопы (Таблица 2).

Таблица 2

Участники эксперимента

Участника

Пол

Рост, см.

Возраст лет, мес.

Занимается плаванием, лет

Число занятий в неделю, дн.

1

Девочка

143

9,1

3

4

2

Мальчик

150

10,2

3

4

3

Мальчик

136

10,3

3

3

4

Девочка

147

10,7

3

3

5

Девочка

137,5

10,6

3

3

6

Мальчик

147

10,6

3

3

7

Мальчик

154

10,9

3

4

8

Мальчик

158,5

10,4

3

5

9

Девочка

146

10,8

3

3

10

Девочка

138

10,5

3

3

Источник: составлено авторами

Всего произвели 5 замеров: скорость плавания на ногах и на руках на 25 м, скорость плавания кролем на груди (в координации) на 25 м, 50 м, 800 м в разные даты для чистоты эксперимента. Результаты эксперимента представлены в Таблице 3.

Таблица 3

Сводные результаты эксперимента (Д — девочка, М — мальчик)

участ-ника

Пол

Время плавания, сек.

мин.

Скорость плавания (расчетно), м / сек.

На ногах (место)

На руках (место)

Кроль на груди (место)

На ногах

На руках

Кроль на груди

25 м

25 м

25 м

50 м

800 м

25 м

25 м

25 м

50 м

800 м

1

Д

22,91

(1)

25,70

(2)

21,00

(2)

45,90

(1)

17,58

(1)

1,09

0,97

1,19

1,09

0,76

2

М

28,70

(4)

22,10

(1)

20,10

(1)

46,08

(2)

18,35

(2)

0,87

1,13

1,24

1,09

0,73

3

М

30,58

(9)

31,00

(9)

23,90

(5)

50,04

(3)

н.д.

0,82

0,81

1,05

1,00

н.д.

4

Д

32,00

(10)

30,00

(8)

28,10

(10)

51,90

(4)

19,08

(9)

0,78

0,83

0,89

0,96

0,70

5

Д

27,80

(3)

28,50

(6)

24,48

(8)

53,00

(5)

18,48

(4)

0,90

0,88

1,02

0,94

0,72

6

М

29,95

(6)

26,57

(4)

24,00

(7)

55,50

(6)

19,00

(8)

0,83

0,94

1,04

0,90

0,70

7

М

27,22

(2)

25,71

(3)

23,82

(4)

55,59

(7)

18,42

(3)

0,92

0,97

1,05

0,90

0,72

8

М

30,00

(7)

28,31

(5)

26,10

(9)

58,05

(8)

18,67

(6)

0,83

0,88

0,96

0,86

0,71

9

Д

29,80

(5)

29,00

(7)

22,14

(3)

61,00

(9)

18,50

(5)

0,84

0,86

1,13

0,82

0,72

10

Д

31,50

(8)

32,00

(10)

23,98

(6)

62,36

(10)

18,83

(7)

0,79

0,78

1,04

0,80

0,71

Источник: составлено авторами

У участников 3 и 4 при 8–10 месте по скорости на руках и ногах возникает 3–4 место в плавании в координации рук и ног. У участника 9 при 5 и 7 месте в плавании отдельно на руках и ногах фиксируется больший разрыв этих показателей со скоростью плавания в координации (3 место на 25 м., 9 место на 50 м., 5 место на 800 м.). Похожая ситуация у участника № 10.

Такая ситуация противоречит законам физики плавания (при правильной технике): большая скорость на ногах и на руках должна обеспечивать большую скорость плавания в координации рук и ног. Я думаю, что объяснением выявленным отклонениям может служить случайности, плохая физическая форма в день эксперимента, плохой психологический настрой. Данные по участникам № 3, 4, 9, 10 мы не будем учитывать.

Важно заметить, что не встречается ситуация, когда на всех трех дистанциях хорошая скорость на руках и на ногах сочетается с ухудшением общей скорости при плавании в координации (Таблица 3). Это еще раз подтверждает хорошее владение техниками плавания у детей, которые занимаются в школе плавания 3 и более года (Таблица 2).

У частники 1 и 2 — лидеры по скорости . Участница № 1 наращивает скорость преимущественно за счет ног (1 место). У Участника № 2 сильные руки (1 место), скорость на ногах ниже (4 место). В результате мальчик (№ 2) опережает девочку (№ 1) на 25 метрах. Но на 50 м. девочка догоняет мальчика. А на 800 м. существенно опережает его. Похожая ситуация у участников 5 и 6. У девочки (№ 5) скорость на ногах больше (3 место против 5 мальчика). У мальчика (№ 6) больше скорость на руках (4 место против 6). Но, проигрывая мальчику на 25 м, девочка опережает его на 50 м (3 место против 4) и на 800 м (4 место против 6) (Таблица 3).

Делаем предварительный вывод: ноги важны на более длинных дистанциях. Докажем это.

IV . Расчет скоростных составляющих участников эксперимента

Скорость плавания на руках и на ногах по-разному коррелирует со скоростями в координации на разных дистанциях. Для оценки используется коэффициент корреляции (зависимость между рядами значений), который рассчитывается в таблице эксель. Как видно, корреляция скорости плавания со скоростью на ногах растет с увеличением дистанции. На 800 м зависимость очень высокая, почти единица (Рис. 3).

Корреляция скорости плавания на ногах со скоростью плавания кролем на груди в координации на 25, 50, 800 м

Рис. 3. Корреляция скорости плавания на ногах со скоростью плавания кролем на груди в координации на 25, 50, 800 м

Источник: рассчитано авторами

Для рук — наоборот. Корреляция скорости плавания со скоростью на руках снижается с увеличением дистанции. На 800 м зависимость самая низкая — пол-единицы (Рисунок 4).

Корреляция скорости плавания на руках со скоростью плавания кролем на груди в координации на 25, 50, 800 м.

Рис. 4. Корреляция скорости плавания на руках со скоростью плавания кролем на груди в координации на 25, 50, 800 м.

Источник: рассчитано авторами

У Участников 1 и 7 — равные скорости плавания на руках (Таблица 3). Разница в скорости кроля на груди у них определяется разной силой ног. Легко посчитать какой прирост скорости обеспечивают ноги по формуле (2).

(2)

где

— коэффициент роста скорости за счет ног на соответствующей дистанции;

, , — скорости плавания в координации кролем на груди у участников 1 и 7 на соответствующей дистанции;

, — скорости плавания на руках у участников 1 и 7 на соответствующей дистанции.

Получаем три коэффициента:

  1. Коэффициент роста скорости за счет ног (800 м) =
  2. Коэффициент роста скорости за счет ног (50 м) =
  3. Коэффициент роста скорости за счет ног (25 м) =

У Участников 6 и 8 — равные скорости плавания на ногах (Таблица 3) . Разница в скорости кроля на груди у них определяется разной силой рук. Можно посчитать какой прирост скорости обеспечивают руки по формуле (3).

(3)

где

— коэффициент роста скорости за счет рук на соответствующей дистанции;

, – скорости плавания в координации кролем на груди у участников 6 и 8 на соответствующей дистанции;

, — скорость плавания на руках у участников 6 и 8 на соответствующей дистанции.

Получаем еще три коэффициента:

  1. Коэффициент роста скорости за счет рук (800 м) =
  2. Коэффициент роста скорости за счет рук (50 м) =
  3. Коэффициент роста скорости за счет рук (25 м) =

(!) Важно отметить, что эти коэффициенты не универсальные и актуальны только для участников соответствующего возраста и подготовки.

Сравним полученные коэффициенты. Руки дают большую прибавку в скорости только на 25 м. (коэффициенты 1 и 4). На 50 м для скорости важнее ноги (коэффициенты 2 и 5). На 800 м прирост скорости обеспечивается только работой ног (коэффициенты 3 и 6).

Насколько сильно влияют на результаты пловцов рост и длина стопы? В данном возрасте почти не влияют. Достаточно посмотреть на графики — прямая зависимость (больше рост — больше скорость) отсутствует (Рис. 5).

Зависимость скорости плавания от роста у участников эксперимента

Рис. 5. Зависимость скорости плавания от роста у участников эксперимента

Источник: составлено авторами.

V . Обобщение результатов. Разработка рекомендаций

Общий вывод: к 9–11 годам после 3 лет обучения в школе плавания дети хорошо овладевают техниками плавания. Для дальнейшего роста скорости на первое место выходят силовые тренировки, в которых не меньшее, если не большее внимание надо уделять тренировкам ног. Пловец не должен тащить себя на руках, а должен поддерживать руками скорость, идущую от ног. Сильные ноги — дают заметную прибавку к скорости в заплывах 50 м и более. Именно на них подтверждаются разряды по плаванию.

По результатам исследования мы разработали комплекс упражнений для развития силы ног с современными спортивными снарядами. Мы учли, что на тренировках на все времени не хватает. И включили также упражнения вне бассейна (Таблица 4). Тренируйте ноги, и Вы сможете плыть быстрее!

Таблица 4

Комплекс упражнений для быстрого плавания

В бассейне

1

Тренировка с треугольной доской для плавания и с вертикальной трубкой со сменой темпа

2–3 бассейна перед каждой тренировкой

2

Продвижение в вертикальном поплавке

1–2 минуты в середине тренировки

3

Плавание с ластами и в специальной сетке для усиления сопротивления воды

2–3 бассейна в середине тренировки

4

Плавание шестиударным кролем

1 раз неделю по 30 мин.

5

Плавание с эластичной лентой , надетой на ноги чуть ниже коленей

2–3 бассейна 1 раз в одну — две недели

Вне бассейна

1

Из положения сидя выпрямление ног, согнутых в коленях на 45 градусов под скамьей в горизонтальное положение с весами на голенях

30–40 повторений, 3 подхода с небольшими паузами до максимального утомления (2 раза в неделю)

2

Из положения лежа подъем выпрямленных ног вверх

3

Полуприсед со штангой

Источник: составлено авторами.

Литература:

  1. Викулов, Плавание. Учеб. пособие для студентов вузов, осуществляющих образоват. деятельность по специальности 022300 «Физ. культура и спорт» (Учебное пособие для вузов). Москва: ВЛАДОС-Пресс, 2003 (ГУП Чехов. полигр. комб.).
  2. Плавание / [пер. с англ. Кононова Е.]. — М.: Эксмо, 2014. — 416 с.
  3. Лафлин Т. Как рыба в воде. Эффективные техники плавания, доступные каждому. перевод с английского (Серия «Спорт-драйв»). — М.: Манн, Иванов и Фербер, 2012. 232 с.
  4. Таормина Ш. Как рыба в воде. Секреты быстрого плавания для пловцов и триатлетов (Серия «Спорт-драйв»). М.: Манн, Иванов и Фербер, 2013. — 158 c.
  5. Булгакова, Н. Ж. Отбор и подготовка юных пловцов / Н. Ж. Булгакова. — М.: Физкультура и спорт, 1986. — 191 с.
  6. Тимакова, Т. С. Подготовка юных пловцов в аспектах онтогенеза: методическое пособие / Т. С. Тимакова. — М.: Симилия, 2006. — 132 с.
  7. Давыдов В. Ю., Авдиенко В. Б. Отбор и ориентация пловцов по показателям телосложения в системе многолетней подготовки (Теоретические и практические аспекты) Монография — Волгоград: ВГАФК, 2012. — 344 с.
  8. Deschodt, V., Arsac, L. & Rouard, A. Relative contribution of arms and legs in humans to propulsion in 25-m sprint front-crawl swimming. Eur J Appl Physiol 80, 192–199 (1999). https://doi.org/10.1007/s004210050581/
  9. Hall G. What is your Baseline Freestyle Speed? URL.: https://theraceclub.com/aqua_note/freestyle-speed

[1] Например, среди чемпионов – многократных рекордсменов у мужчин: Александр Попов, рост – 197 см., Марк Эндрю Спитц – 185 см.; у женщин: Пенелопа Олесяк, рост 186 см., Юлия Ефимова – 178 см.



Ключевые слова

скорость плавания, фронтальное сопротивление, мышечная сила ног
Задать вопрос