Средняя плотность живых организмов, населяющих водную среду, близка к плотности окружающей их воды. Это и делает возможным их плавание под водой. Плаванию животных в толще воды способствует также дополнительная подъемная сила, которая возникает при их перемещении в водной среде. (Эта подъемная сила аналогична той, которая действует на крылья летящего самолета.)
Различают активное и пассивное плавание. При активном плавании животные передвигаются либо с помощью имеющихся у них гребных органов (как, например, различные ластоногие животные, а также простейшие организмы, использующие свои жгутики или реснички), либо посредством волнообразных изгибаний тела и использования непарных плавников (как, например, киты, большинство рыб, змей, пиявки и т. д.), либо в результате периодических выталкиваний воды (как, например, медузы и осьминоги). При пассивном плавании животные просто увлекаются движущейся водой.
Скорость передвижения животных в воде может достигать довольно больших значений. Например, акулы и скумбрии плавают со скоростью 20 км/ч и выше, летучие рыбы разгоняются до скорости 65 км/ч, а меч-рыба развивает скорость до 130 км/ч.
Большую роль в передвижении рыб внутри воды играет плавательный пузырь. Меняя объем этого пузыря (а также количество газа в нем), рыба способна как увеличивать, так и уменьшать действующую на нее выталкивающую силу. Благодаря этому рыба может в определенных пределах регулировать глубину своего погружения.
Киты регулируют глубину своего погружения за счет уменьшения и увеличения объема легких.
В настоящее время известно, что жизнь на Земле зародилась в водной среде. Это произошло около 4 миллиардов лет тому назад. 400 миллионов лет назад жизнь вышла из моря. 65 миллионов лет назад появились первые млекопитающие. Но вода и сейчас продолжает составлять значительную часть в живых организмах, причем как в морских животных, так и в млекопитающих, обитающих на суше (включая человека). Например, у десятидневного человеческого эмбриона содержание воды достигает 95%, у новорожденного — приблизительно 72%, а у взрослого человека — в среднем 60%.
Строение человека таково, что его плотность оказывается близкой к плотности воды. У многих людей она чуть меньше, особенно когда желудок пустой, а вода соленая. В таких случаях человек способен свободно находиться на поверхности воды, не боясь утонуть. Вот что написал об этом в одном из своих рассказов американский писатель Эдгар По (1809—1849):
«В среднем человеческое тело немногим тяжелее или легче воды. Тела тучных, дородных людей с тонкими костями и тела подавляющего большинства женщин легче, чем тела худощавых крупнокостных мужчин. Упавший в реку человек почти никогда не пойдет ко дну, если он позволит весу своего тела прийти в соответствие с весом вытесненной им воды — другими словами, если он погрузится в воду почти целиком. Для людей, не умеющих плавать, наиболее правильной будет вертикальная позиция идущего человека, причем голову следует откинуть и погрузить в воду так, чтобы над ней оставались только рот и нос. Приняв подобную позу, вы обнаружите, что без всяких усилий и труда держитесь у самой поверхности. Однако совершенно очевидно, что вес человеского тела и вес воды, которую оно вытесняет, находятся лишь в весьма хрупком равновесии, так что достаточно ничтожного пустяка, чтобы оно нарушилось в ту или иную сторону. Например, рука, поднятая над водой и тем самым лишенная ее поддержки, представляет собой добавочный вес, которого достаточно, чтобы голова ушла под воду целиком, тогда как случайно схваченный даже небольшой кусок дерева позволит вам приподнять голову и оглядеться. Человек, не умеющий плавать, обычно начинает биться в воде, вскидывает руки и старается держать голову, как всегда, прямо. В результате рот и ноздри оказываются под водой, которая при попытке вздохнуть проникает в легкие. Кроме того, большое ее количество попадает в желудок, и все тело становится тяжелее настолько, насколько вода тяжелее воздуха, наполнявшего эти полости прежде. Как правило, этой разницы достаточно для того, чтобы человек пошел ко дну».
На Земле есть и такое море, в котором вообще невозможно утонуть. Это соленое озеро, называемое Мертвым морем. Оно настолько соленое, что в нем отсутствует всякая жизнь (за исключением некоторых видов бактерий). Если вода большинства морей и океанов содержит 2—3% соли, то в Мертвом море ее содержится более 27%! Из-за большого содержания соли плотность воды здесь оказывается больше плотности человеческого тела, и потому человек в Мертвом море может спокойно лежать на его поверхности и читать книгу. Если же в эту воду войдет лошадь, то, как пишет Марк Твен, она оказывается в столь неустойчивом состоянии, что «не может ни плавать, ни стоять в Мертвом море,— она тотчас же ложится на бок».
Помимо Мертвого моря, огромной соленостью обладают также воды залива Кара-Богаз-Гол и озера Эльтон в Волгоградской области.
Некоторым больным специально рекомендуют принимать соленые ванны. Погружаясь в такую ванну, люди испытывают странное и необычное ощущение. «Если соленость воды очень велика, как, например, в Старорусских минеральных водах, то больному приходится прилагать немало усилий, чтобы удержаться на дне ванны. Я слышал,— пишет Я. И. Перельман, — как женщина, лечившаяся в Старой Руссе, с возмущением жаловалась, что вода «положительно выталкивала ее из ванны». Кажется, она склонна была винить в этом не закон Архимеда, а администрацию курорта. »
Экспериментальное задание. Попытайтесь определить среднюю плотность своего тела. Для этого сначала измерьте свою массу (например, на весах в медицинском кабинете своей школы). Затем с помощью своего друга определите объем тела. При определении своего объема погрузитесь полностью в ванну с водой. Одновременно с этим ваш друг с помощью кусочка липкой ленты (скотча) должен отметить уровень поднявшейся воды в ванне. Затем, выйдя из ванны, возьмите литровую (или пол-литровую) банку и добавьте в ванну столько воды, чтобы ее поверхность поднялась до отмеченного лентой уровня. Подсчитав, сколько банок воды пришлось вылить в ванну, вы найдете свой объем, а зная объем и массу,— плотность.
Определив свою плотность, сравните ее с плотностью воды. Будете ли вы тонуть в морской воде? Плотность морской воды составляет обычно 1010—1050 кг/м 3 . Плотность воды в заливе Кара-Богаз-Гол равна 1180 кг/м 3 .
Сама_Невинность (26) 7 (84728) 11 66 149 8 лет
в нас воздух — раз.
virsmas spraiguma spēks (я давно на русском не училась)
ну и мы выталкиваем столько же, сколько весим. это же всё в книгах красиво написано, не?
Ништяк (29) 7 (63309) 9 73 198 8 лет
Ladderok 3 (888) 4 10 8 лет
Хоть человек и состоит большей частью из воды (60-80%), но плотность его тела все же больше плотности воды в обычных условиях, и поэтому мы, не умея плавать, легко можем утонуть. Существуют, однако, водоемы, где риск уйти под воду минимален. Примером может служить Мертвое море. Концентрация раствора солей в нем настолько велика, что выталкивающая сила может удерживать человека на поверхности без каких-либо усилий с его стороны.
genacvali77 4 (2442) 33 58 8 лет
скорее с точки зрения инстинкта самосохранения )
DEF SHOCKE PLAY (27) 6 (15924) 3 27 73 8 лет
потому что наши лёгкие как надувные балоны, когда мы выпускаем воздух мы тонем, когда набираем воздух нет..
Yeezy 7 (46883) 5 40 135 8 лет
В лёгких воздух.
Если человек худой, то он скорее всего уйдёт под воду, потому что плотность его тела будет больше, чем плотность воды.
Если же ты два метра в ширину, то скорее всего будешь свободно плавать, потому что плотность «жира», меньше плотности воды.
Сила поверхностного натяжения играет незначительную роль в данном случаи.
Fashion Cannibal 7 (59826) 11 64 174 8 лет
lolwut 3 (628) 2 4 8 лет
мы говно, а оно не тонет
Тони 5 (4664) 2 14 31 8 лет
Закон Архимеда+Сила поверхностного натяжения
Похожие вопросы
что имеется ввиду ?
Белая одежда лучше отражает свет, чёрная — лучше поглощает.
Свет это поток фотонных облачков («фуг»), расстояние между которыми определяет частоту света — цвет. Чем меньше расстояние между фугами, тем выше электромагнитная частота светового потока и тем выше цвет по спектру радуги (цвета по возрастанию частоты: Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан). Если рядом летят все цвета радуги, свет кажется белым — солнечный свет желтовато-белый.
Отражение света — это процесс взаимодействия фуги с поверхностью, при котором меняется направление движения фуги, и она возвращается в ту среду из которой пришла, полностью (отражённый свет того же цвета что и падающий, — поверхность на белом свету белая) или частично (цветная одежда). В случае если свет проникает в одежду полностью и не отражается, такая одежда чёрная. Она нагревается потому, что поглощённые фуги света распадаются на отдельные фотоны, которые бьют атомы одежды, заставляя их колебаться быстрее (по аналогии с генератором накачки колебательного контура — атома). Повышение частоты (выше скорость — выше и частота) колебания атомов воспринимается как тепло, потому что все пять наших органов чувств настроены на восприятие электромагнитных волн и больше ничего. Низкочастотные волны чувствуются как тепло, высокочастотные как свет.
ну так это восприимчивость к свету, она заложена и генетически, и ты ее формируешь сам — тем что ты *сова* или *жаворонок*.
Мышцы глаза ведь живые и им нужны те доли секунды, по которым яркость света начинает восприниматься.
короче, в эти секунды происходит настройка твоей встроенной в глаз линзы 🙂
Интегрированный урок «физика + биология» по теме «Плавание тел». 7-й класс
Презентация к уроку
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Цели и задачи урока:
Оборудование к уроку: cосуды с водой и другими жидкостями; тела разных масс, плотностей, размеров и форм.
Применение икт: (сообщения-презентации): значение воды, плавание судов, плавание животных и человека, особенности поведения животных и растений в воде.
1. От чего зависит и не зависит сила Архимеда?
2. От чего зависит глубина погружения плавающих тел?
3. Плавание тел с плотностью большей, чем у воды и меньшей.
Эпиграфы к уроку: “Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удается связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые”. Д. Хевеши “Сведение множества к единому — в этом первооснова красоты”. Пифагор
Методы обучения: частично-поисковый (по типу познавательной деятельности) и творчески-исследовательский (по источнику получения знаний).
Технология проблемного обучения, икт, здоровье сберегающие технологии.
План работы на уроке.
Актуализация знаний (организационный момент, вступительное слово учителя с элементами беседы, демонстрационный опыт 1, выполняют учащиеся).
Создание новых знаний:
а) демонстрационный опыт 2 (выполняют учащиеся),
б) демонстрационный опыт 3 (выполняет учитель),
в) презентация учителя: значение воды для жизни на Земле.
Применение новых знаний:
1. Выступления учащихся с сообщениями-презентациями:
— особенности поведения животных и растений в воде;
— плавание животных и человека;
— плавание судов: история судоходства, подводный и надводный флот;
2. Качественные задачи (по применению новых знаний).
Итоги урока (подводит учитель).
Домашнее задание (формулировка, комментарии).
1. Организационный момент.
2. Вступительное слово учителя. Надеюсь, на сегодняшнем уроке вы еще раз оцените достоинства уникальной науки о природе — физики. Именно она дает обильную пищу разуму, чувствам и рукам того, кто сможет приложить силы для проникновения в ее мир. Физика — это умение беседовать с природой на ее языке. Физика — это возможность понимать природу и ее свойства; это радость познания; это прикосновение к загадкам природы. И сегодня нам предстоит разобраться в одной из них: какова причина плавания тел.
На предыдущих уроках мы уже убедились в существовании выталкивающей силы. Еще ее называют силой Архимеда.
Стихотворение “местного поэта”(1)
1. От чего зависит сила Архимеда?
Ответы уч-ся: Сила Архимеда зависит от плотности жидкости и объема погруженной части тела.
2. От чего не зависит эта сила?
Ответы уч-ся: от формы тела и его плотности.
Демонстрационный опыт 1
Давайте убедимся в этом на опыте №1 (уч-ся демонстрируют домашний опыт №1):
Оборудование опыту №1: сосуд водой и подсолнечным маслом, динамометр, пластилин, картофелина, пробка, пенопласт.
Задания к опыту №1:
А) Сравниваем силу Архимеда для случая: плотности тел разные, размер одинаковый;
Б) Сравниваем силу Архимеда для случая: плотности тел одинаковые, объемы разные;
В) Сравниваем силу Архимеда для случая : плотности тел одинаковые, формы разные;
Г) Сравниваем силу Архимеда для случая: плотности жидкостей разные, тела одинаковые;
Учащиеся делают выводы, которые записываются на интерактивной доске в виде таблицы.
На доске записывается формула силы Архимеда .
3. Далее, вспомним какие силы действуют на погруженное в жидкость тело и как направлены вектора этих сил?
На тело, находящееся внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести, направленная вертикально вниз, и архимедова сила, направленная вертикально вверх. Рассмотрим, что будет происходить с телом под действием этих сил. При этом возможны 3 случая: а) если Fт больше Fа, то тело будет опускаться на дно, тонуть; б) если Fт меньше Fа, то тело будет подниматься из жидкости, оно всплывает. Пока тело будет двигаться, будучи полностью погруженным в жидкость, архимедова сила будет оставаться неизменной. Как только тело достигнет поверхности и появиться над ней, эта сила будет становиться все меньше и меньше. Всплытие прекратится, когда архимедова сила станет равной силе тяжести; в) если Fа равна Fт, то тело будет плавать на любой глубине, находясь в равновесии( то есть будет оставаться в покое).
Стихотворение “местного поэта”(2)
На интерактивной доске появляется рисунок 1. Презентация, слайд
Жизненный опыт каждого из нас подсказывает нам, что глубина погружения плавающих тел – разная!
4. От чего это зависит? Как вы поясните данный факт?
Стихотворение “местного поэта”(3)
Давайте убедимся в этом на опыте.
Демонстрационный опыт 2
Оборудование к опыту №2:таблица плотностей разных веществ, сосуды с водой, 2 одинаковых шарика из пенопласта, парафина.
Задание к опыту №2:
А) Будут ли плавать шарики?
Б) Какой из шариков погрузится более глубоко?
В) Каков ваш вывод? (На интерактивной доске появляется рисунок 2, презентация, слайд)
Вывод: Плотности обоих тел меньше плотности воды, они оба будут плавать. Плотность парафина больше плотности пенопласта, поэтому парафиновый шарик будет “сидеть” глубже.
5. И все-таки, в чем же дело, когда одни тела плавают, а другие тонут? Железный гвоздь всегда тонет в воде, а огромный железный корабль плавает?
Демонстрационный опыт 3
А) Картофельный шарик тонет в чистой воде и плавает в сильносоленой воде.
Б) Шарик из пластилина тонет, пластилиновая лодочка не тонет (с помощью весов отвешиваем равные массы пластилина для шарика и лодочки).
Объяснение: При погружении шарик тонет, а лодочка плавает.
В модели лодки есть много пустот с воздухом, как, например, и в больших кораблях — отсеки, трюмы, каюты, палубы. Плотность лодки оказывается меньше плотности воды.
Вывод.
- Плотность тела больше плотности жидкости, тонет тело.
- Плотность тела равна плотности жидкости, плавает тело.
У этого правила есть 2 следствия:
1) при данном условии тело плавает, полностью погрузившись в воду.
2) чтобы тело плавало, частично выступая над поверхностью жидкости, надо чтобы плотность жидкости была больше плотности тела.
Как же применяются в жизни все эти теоретические выводы?
Вниманию учащихся предлагаются сообщения-презентации:
1. Презентация учителя по теме: “Вода, ее значение в жизни человека”.
Вода — самое удивительное вещество! Это одна из составляющих жизни. Тончайшим слоем она покрывает 2/3 поверхности земного шара, разделяя континенты. Вода присутствует в атмосфере в виде водяного пара и мельчайших капелек в дождевых облаках. Круговорот воды в природе — это могучие реки Сибири и хрустальные весенние ручейки, это дожди, ливни, снегопады. Утренний туман и капельки росы на зеленой траве.
Изучая химию, физику, биологию, географию, вы еще не раз будете знакомиться со свойствами воды и поразитесь насколько тесно и неожиданно с водой связана вся наша жизнь и самые ее разные стороны. В настоящее время известно, что жизнь на Земле зародилась в водной среде. Это произошло около 4 миллиардов лет назад. 400 миллионов лет тому назад жизнь вышла из моря. 65 миллионов лет назад появились первые млекопитающие. Но вода и сейчас продолжает составлять значительную часть в живых организмах, причем и в морских, и в млекопитающих, обитающих на суше, включая человека. Например, у 10-дневного эмбриона содержание воды достигает 95%, у новорожденного — 72%, а у взрослого человека — в среднем 60%. Строение человека таково, что его плотность оказывается близкой к плотности воды. Как вы думаете, человек способен свободно находиться на поверхности воды, не боясь утонуть, если будет совершать определенные движения?
К теме сегодняшних наших исследований имеет уже известное вам свойство воды — она выталкивает погруженное в нее тело. Это знает всякий! Каковы особенности плавания судов и живых организмов? Постараемся выяснить и это! (На экране слайд презентации)
2. Презентация учащихся по теме: “Плавание животных и человека”.
Средняя плотность живых организмов, населяющих водную среду, близка к плотности окружающей их воды. Это и делает возможным их плавание под водой. Плавание животных в толще воды способствует также дополнительная подъемная сила, которая возникает при их перемещении в водной среде.
Различают активное и пассивное плавание. При активном плавании животные передвигаются либо с помощью имеющихся у них гребных органов (как, например, ластоногие животные, а также простейшие организмы, использующие свои жгутики или реснички), либо посредством волнообразных изгибаний тела и использования непарных плавников (как, например, киты, большинство рыб, змей, пиявки и другие), либо в результате периодических выталкиваний из воды (как, например, медузы, осьминоги). При пассивном плавании животные просто увлекаются движущейся водой.
Скорость передвижений животных в воде может достигать довольно больших значений. Например, акулы и скумбрии плавают со скоростью 20 км/час и выше, летучие рыбы разгоняются до 65 км/час, а рыба-меч развивает скорость до 130 км/ч.
Большую роль в передвижении рыб внутри воды играет плавательный пузырь. Меняя объем этого пузыря (а также количество газа в нем), рыба способна как увеличивать, так и уменьшать действующую на нее выталкивающую силу. Благодаря этому рыба может в определенных интервалах регулировать глубину своего погружения.
Киты регулируют глубину своего погружения за счет уменьшения и увеличения объема легких.
Строение человека таково, что его плотность оказывается близкой к плотности воды. У многих людей она чуть меньше, особенно когда желудок пустой, а вода соленая. В таких случаях человек способен свободно находиться на поверхности воды, не боясь утонуть. Вот что писал об этом в одном из своих рассказов американский писатель Эдгар По (1809-1849):
“В среднем человеческое тело немногим тяжелее или легче воды… Тела тучных, дородных людей с тонкими костями и тела подавляющего числа женщин легче, чем тела худощавых крупнокостных мужчин… Упавший в реку человек почти никогда не пойдет ко дну, если он позволит весу своего тела прийти в соответствие с весом вытесненной им воды — другими словами, если он погрузится в воду почти целиком. Для людей, не умеющих плавать, наиболее правильной будет вертикальная позиция идущего человека, причем голову следует откинуть и погрузить в воду так, чтобы над ней оставались только рот и нос. Приняв подобную позу, вы обнаружите, что без всяких усилий и труда держитесь у самой поверхности. Однако совершенно очевидно, что вес человеческого тела и вес воды, которую оно вытесняет, находятся лишь в весьма хрупком равновесии, так что достаточно ничтожного пустяка, чтобы оно нарушилось в ту или иную сторону. Например, рука, поднятая над водой и тем самым лишенная ее поддержки, представляет собой добавочный вес, которого достаточно, чтобы голова ушла под воду целиком, тогда как случайно схваченный даже небольшой кусок дерева позволит вам приподнять голову и оглядеться. Человек, не умеющий плавать. Обычно начинает биться в воде. Вскидывает руки и старается держать голову, как всегда прямо. В результате рот и ноздри оказываются под водой, которая при попытке вздохнуть проникает в легкие. Кроме того, большое количество ее попадает в желудок, и все тело становится тяжелее настолько, насколько вода тяжелее воздуха, наполнявшего эти полости прежде. Как правило, этой разницы достаточно для того, чтобы человек пошел ко дну”.
На Земле есть и такое море, в котором вообще невозможно утонуть. Это соленое озеро, называемое Мертвым морем. Оно настолько соленое, что в нем отсутствует всякая жизнь (за исключением некоторых видов бактерий). Если вода большинства морей и океанов содержит 2-3% соли, то в Мертвом море ее содержится более 27%! Из-за большого содержания соли плотность воды здесь оказывается больше плотности человеческого тела. И потому человек в Мертвом море может спокойно лежать на его поверхности и читать книгу! Если даже в эту воду войдет лошадь, то, как пишет Марк Твен, она оказывается в столь неустойчивом состоянии, что “не может ни плыть, ни стоять в Мертвом море, — она тотчас же ложится на бок”.
Помимо Мертвого моря, огромной соленостью обладают также воды залива Кара-Богаз-Гол и озера Эльтон в Волгоградской области. (На экране слайд презентации)
3. Презентация учащихся по теме: “Архимедова сила в живой природе”.
— Рыбы. Плотность живых организмов, населяющих водную среду, очень мало отличается от плотности воды, поэтому их вес почти полностью уравновешивается силой Архимеда. Благодаря этому водные животные не нуждаются в столь массивных скелетах, как наземные. Интересна роль плавательного пузыря у рыб. Это единственная часть тела рыбы, обладающие заметной сжимаемостью; сжимая пузырь усилиями грудных и брюшных мышц, рыба меняет обьем своего тела и тем самым среднюю плотность, благодаря чему она может в определенных пределах регулировать глубину своего погружения.
— Водоплавающие птицы. Важным фактором в жизни водоплавающих птиц является наличие толстого, не пропускающего воды слоя перьев и пуха, в котором содержится значительное количество воздуха; благодаря этому своеобразному воздушному пузырю, окружающему все тело птицы, ее средняя плотность оказывается очень малой. Этим объясняется тот факт, что утки и другие водоплавающие мало погружаются в воду при плавании.
— Паук-серебрянка. С точки зрения законов физики очень интересно существование паука- серебрянки. Он устраивает свое жилище — подводный колокол из крепкой паутины. Сюда паук приносит с поверхности пузырьки воздуха, задерживающиеся между тонкими волосками брюшка. В колоколе паук собирает запас воздуха, который время от времени пополняет, благодаря этому он может долго находиться под водой.
— Водные растения. Многие водные растения сохраняют вертикальное положение, несмотря на чрезвычайную гибкость их стеблей, потому что на концах их разветвлений заключены крупные пузыри воздуха, играющие роль поплавков.
— Водный орех чилим. Любопытное водное растение-чилим растет по заводям Волги, в озерах, в лиманах. Плоды его (водные орехи) достигают в диаметре 3 см и имеют форму, похожую на морской якорь с несколькими острыми рожками или без них. Этот “якорь” служит для того, чтобы удержать на подходящем месте молодое растение. Когда чилим отцветает, под водой начинают образовываться тяжелые плоды. Они могли бы потопить растение, но как раз в это время на черешках листьев образуются вздутия — своего рода “спасательные пояса”. Тем самым увеличивается объем подводной части растений, возрастает, следовательно, выталкивающая сила. Этим достигается равновесие между весом плодов и возникающей за счет вздутий выталкивающей силой.
— Плавание сифонофор. Сифонофорами зоологи называют особую группу кишечнополостных животных. Подобно медузам, это свободно плавающие морские животные. Однако, в отличие от первых, они образуют сложные колонии с очень резко выраженным полиморфизмом. На вершине колонии обычно имеется содержащий газ пузырь, при помощи которого вся колония держится в толще воды и движется. Газ вырабатывается особыми железами. Этот пузырь достигает иногда 30 см. (На экране слайд презентации)
4. Презентация учащихся по теме: “Плавание судов”
Необходимость в плавании на судах, как способе передвижения у человека возникла издавна. Первые плавательные средства- стволы деревьев, надутые воздухом мешки из шкур животных, плоты, лодки. Для торговых перевозок, с развитием цивилизации и открытием морских путей, возникла неизбежная потребность в судах больших конструкций. В 1807 г. Р. Фултон создал 1-й в С Ш А пароход “Клемонт”, он скорость развивал до 9 км/час и быстро вытеснил парусный флот (со скоростью до 1,9).
В строительстве современных судов используются материалы с плотностью, значительно больше воды. Железные и стальные танкеры, как они держатся на воде? Ведь масса современных судов до 10000 тонн. Дело в том, что их средняя плотность по- прежнему меньше плотности воды. Сила тяжести уравновешивается силой Архимеда. Корабли имеют внутри себя ,заполненные воздухом отсеки, много пустых помещений, а если бы они были целиком из металла, ничто не удержало их на воде.
Основные характеристики плавания судов:
А) осадка судна — глубина, на которую судно может погружаться.
Б) грузовая ватерлиния — максимальная допускаемая осадка, отмеченная красной линией.
В) водоизмещение судна — вес воды, вытесняемой судном при погружении до ватерлинии, равный силе тяжести, действующей на данное судно.
Например, сейчас у нефтетанкеров водоизмещение до 5 млн. кН, то есть их масса с грузом до 500000 тонн.
Суда, способные плавать под водой, называются подводными, а все остальные надводными.
Первая подводная лодка была построена в 1620 г. в Англии голландцем ван Дреббелем, в России — с 1724 г., в Германии – 1850 г. Сейчас почти у всех государств мира на вооружении есть боевые подводные лодки. Для их погружения используются специальные балластные цистерны, наполненные водой. Всплытие такой лодки происходит в следствии вытеснения воды из них сжатием воздуха. Атомные подводные лодки — это гигантские сооружения 150 м в длину, на них устанавливается ядерный реактор, который может работать без дозаправки более 1 года.
Для подведения итога на интерактивной доске высвечивается таблица: “Виды водного транспорта” и зачитываются стихи . (На экране слайд презентации)
Для закрепления умения применить знания, полученные сегодня в разных случаях, предлагаем вам подумать и ответить на несколько вопросов:
В качестве домашнего задания предлагаем уч-ся дома проработать параграф 51 учебника “Физика – 7”, автор А.В. Перышкин, а также подумать над следующими вопросами и заданием (текст которых предлагается уч-ся на интерактивной доске и на индивидуальных карточках):
1. Три одинаковых бруска плавают в стаканах с разными жидкостями. .Чем отличаются жидкости? Не наводит ли эта задача вас на мысль о создании прибора для измерения плотности жидкости? Подумайте!
2. Если заполните банку наполовину очень соленой водой, а сверху аккуратно по стенке нальете пресную воду, то яйцо будет “висеть” посередине банки. Продемонстрируйте этот опыт родителям. Именно так плавают в глубинах океана затонувшие корабли, не все, конечно, а только те, которые затонули в подходящем месте. Каком?
3. Продумайте, как сделать аналог подводной лодки с иллюстрацией ее всплытия и погружения! (домашний опыт).
Используемая литература:
Плавание человека с точки зрения физики
2.1. Основы гидродинамики и биомеханики
2.1.1. Физические свойства воды
Для правильного понимания основ плавания, а точнее, гидродинамики и биомеханики, необходимо знать физические свойства воды.
Физические свойства характеризуют физическое состояние материала или вещества, а также его способность реагировать на внешние факторы, не влияющие на химический состав.
Вода — прозрачная жидкость без цвета и запаха, при +100°С (и давлении 1013кПа) — кипит, при 0°С — замерзает.
К физическим свойствам воды относят плотность, вязкость, текучесть, теплопроводность, теплоемкость.
Плотность — важное физическое свойство, влияющее на плавучесть, а соответственно, на технику плавания и на обучение.
Плотность характеризуется количеством массы вещества, приходящейся на единицу объема, и вычисляется по следующей формуле:
где m — постоянная масса вещества или материала, кг,
V — объем, занимаемый эти материалом, м 3 .
Все тела при нагревании расширяются, при охлаждении сжимаются. Все, кроме воды. В интервале температур от 0 до +4°С вода при охлаждении расширяется, а при нагревании сжимается. При +4°С вода имеет наибольшую плотность, равную 1000 кг/м 3 . При более низкой и более высокой температуре плотность воды несколько меньше. Благодаря этому осенью и зимой в глубоких водоемах конвекция происходит своеобразно. Вода, охлаждаясь сверху, опускается вниз, на дно, только до тех пор, пока ее температура не достигнет +4°С. Поэтому в больших водоемах вода с температурой +4°С опускается на дно, а более холодная — находится ближе к поверхности. И хотя зимой поверхность водоема скована льдом, на дне температура всегда равна +4°С. Это свойство воды позволяет рыбе зимовать в замерзших водоемах.
Плотность тела человека сопоставима с плотностью воды, что создает условия для его возможности беспрепятственно держаться на поверхности. В процессе дыхания плотность (так же, как, соответственно, и другой схожий, но несущий другое смысловое и физическое значение параметр — удельный вес) тела изменяется. В среднем это от 0,976 кг/м 3 при вдохе (уменьшается) и до 1038 кг/м 3 при выдохе (увеличивается). Это связано с тем, что воздух, вдыхаемый через легкие, обладает малой плотностью, (примерно в 816 раз меньше воды) и поэтому лишь увеличивает объем (по принципу надувного шарика), но не добавляет массы (веса), и наоборот. При вдохе легче держаться на поверхности воды, при выдохе легче нырять, погружаться.
Морская вода тяжелее речной на 2,5–3 % из-за наличия в ней большого количества солей, ее плотность в среднем равна 1025 кг/м 3 . Поэтому в морской воде человеку легче держаться на поверхности, чем в пресной. Все это создает более благоприятные условия для обучения плаванию.
Вязкость — свойство жидкостей оказывать сопротивление при перемещении одной частицы жидкости относительно другой.
Вязкость жидкости зависит от температуры. С повышением температуры вязкость уменьшается. Изменение вязкости влияет на ощущения пловца, его «чувство воды». Спортсмены высокой квалификации, например, чувствуют изменения вязкости в бассейне даже при незначительных колебаниях.
Текучесть — обратная величина вязкости. Наиболее характерным свойством жидкостей, отличающим их от твердых тел, является низкая вязкость (высокая текучесть). Благодаря ей они принимают форму сосуда, в который налиты. На молекулярном уровне высокая текучесть означает относительно большую свободу частиц жидкости. В этом жидкости напоминают газы, хотя силы межмолекулярного взаимодействия жидкостей больше, молекулы расположены теснее и более ограничены в своем движении.
Теплоемкость — свойство материала и вещества при нагревании поглощать определенное количество тепла, а при охлаждении выделять его. Удельная теплоемкость воды очень высокая и составляет 4,2 Дж/(г•град).
Теплопроводность — способность материала или вещества передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур.
Теплопроводность характеризуется коэффициентом, обозначаемым буквой λ (лямбда). Этот коэффициент показывает количество тепла, проходящего через образец толщиной 1м площадью 1 м 2 .
Учитывая, что нормальная температура тела человека составляет 36,6°С, то чем больше разница по сравнению с температурой воды, тем быстрее идет теплоотдача.
Так как теплоотдача в воде очень велика, а теплопродукция тела небезгранична, то через некоторое время даже при достаточно комфортной температуре появляется «гусиная кожа», а затем и озноб. Поэтому нахождение человека в воде должно быть строго дозированным в зависимости от температуры воды.
Охлаждение организма в воде протекает гораздо интенсивнее, чем на воздухе. Теплопроводность воды в 25 раз, а теплоемкость в 4 раза больше, чем воздуха. Если на воздухе при 4°С человек может без особой опасности для своего здоровья находиться в течение 6 часов и при этом температура тела у него почти не понижается, то в воде при такой же температуре незакаленный человек без защитной одежды в большинстве случаев погибает от переохлаждения уже спустя 30–40 минут. Охлаждение организма усиливается с понижением температуры воды и при наличии течения. В воздушной среде интенсивные теплопотери при температуре воздуха 15–20°С происходят в результате излучения (40–45 %) и испарения (20–25 %), а на долю теплоотдачи с помощью проведения приходится лишь 30–35 %. В воде у человека без защитной одежды тепло в основном теряется в результате теплоотдачи. На воздухе теплопотери происходят с площади, составляющей около 75 % поверхности тела, так как между соприкасающимися поверхностями ног, рук и соответствующими областями туловища существует теплообмен. В воде же теплопотери происходят со всей поверхности тела.
Воздух, непосредственно соприкасающийся с кожей, быстро нагревается и фактически имеет более высокую температуру, чем окружающий. Даже ветер не может полностью удалить с кожи этот слой теплого воздуха. В воде с ее большой удельной теплоемкостью и большой теплопроводностью слой, прилегающий к телу, не успевает нагреваться и легко вытесняется холодной водой. Поэтому температура поверхности тела в воде понижается интенсивнее, чем на воздухе. Кроме того, вследствие неравномерного гидростатического давления воды нижние области тела, которые испытывают большее давление, охлаждаются быстрее и имеют температуру кожи ниже, чем верхние, менее обжатые водой. Особенно сильно охлаждаются конечности.
Тепловые ощущения организма на воздухе и в воде при одной и той же температуре различны.
Вследствие интенсивного охлаждения и обжатия гидростатическим давлением кожная чувствительность в воде понижается, болевые ощущения притупляются, поэтому могут оставаться незамеченными небольшие порезы и даже раны.
2.1.2. Силы, действующие при статическом и динамическом плавании. Понятие плавучести
Согласно закону движения существует 2 варианта плавания: статическое и динамическое.
Статическое плавание — физическое тело (тело человека) находится в покое на поверхности воды, т. е. без движения. Вариантами такого плавания могут быть также задания на учебных занятиях по демонстрации и удержанию фигур «звездочка», «поплавок» и др.
При статическом плавании действуют две противоположные силы: сила тяжести, которая направлена вниз, и выталкивающая (поддерживающая) сила, которая направлена вверх.
Динамическое плавание — плавание с помощью разнообразных двигательных действий (с помощью энергии движения). При динамическом плавании к существующим силам тяжести и выталкивающей добавляются сила тяги и противополжно направленная ей сила сопротивления. Сила тяги, как правило, направлена по ходу движения и складывается из нескольких составляющих (работа рук, ног). Сила сопротивления всегда направлена против движения и состоит из нескольких видов сопротивлений (см. полное сопротивление).
Существование гидростатического давления приводит к тому, что на любое тело, находящееся в жидкости или газе, действует выталкивающая сила. Впервые значение этой силы в жидкостях определил на опыте Архимед. Закон Архимеда формулируется следующим образом: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу того количества жидкости или газа, которое вытеснено погруженной частью тела.
Рассмотрим теоретический вывод закона Архимеда. В сосуд (рис. 1) налита жидкость и погружено тело, имеющее форму куба. Ребро куба равно l. Верхняя грань куба находится от поверхности жидкости на глубине h, а нижняя — на глубине h+l. На все грани куба жидкость оказывает давление. При этом силы давления, действующие на боковые грани куба, взаимно компенсируются. На верхнюю грань куба действует направленная вниз сила давления F1, модуль которой
где r ж — плотность жидкости; S — площадь грани куба. На нижнюю грань куба действует направленная вверх сила давления F2, модуль которой
Подставив (1) и (2) в (3), найдем, что модуль архимедовой силы
где V — объем куба (т. е. объем жидкости, вытесненной погруженным телом); Pж — вес вытесненной жидкости. Следовательно, выталкивающая сила по модулю равна весу жидкости, вытесненной погруженной частью тела.
Архимедова сила FA приложена к телу в центре масс вытесненной телом жидкости и направлена против силы тяжести, действующей на это тело. Необходимо помнить, что закон Архимеда справедлив только при наличии силы тяжести. В условиях невесомости он не выполняется.
Плавучесть — способность тела держаться на поверхности воды. Причем данную характеристику целесообразнее рассматривать именно при статическом плавании.
Поведение тела, находящегося в жидкости, зависит от соотношения между модулями силы тяжести Fт и архимедовой силы FA, которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая, характеризующие условие плавания тел :
c. Fт — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
Условие плавания тел просто: выталкивающая сила должна быть не меньше силы тяжести, действующей на тело. Из закона Архимеда можно вывести, что тела, имеющие плотность меньшую, чем плотность жидкости, будут в ней плавать (положительная плавучесть). Другие – тонуть (отрицательная плавучесть). При равенстве плотностей наблюдается нулевая плавучесть: тело полностью погружено в жидкость, но не тонет.
плотность тела > плотность жидкости — тело тонет;
плотность тела = плотность жидкости — тело плавает или зависает (необязательно на поверхности);
плотность тела — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
Как уже отмечалось, при дыхании плавучесть изменяется. При вдохе будет иметь место положительная плавучесть, при выдохе (особенно полном) — отрицательная. В среднем женщины имеют большую плавучесть, чем мужчины, т. к. в их организме содержится больше жировых депо, а костно-мышечные ткани не такие плотные, как у последних. На плавучесть влияет также и объем легких.
Однако некоторые лица независимо от пола, но больше мужчины, имеют отрицательную плавучесть даже при полном вдохе (из-за достаточно большой мышечной массы и тяжелого скелета). Таким людям сложно удержаться на поверхности без движения (при статическом плавании), однако в спортивном плавании это обстоятельство имеет свои преимущества.
Существенное значение при плавании имеет равновесие в воде. Рассмотрим равновесие тел при статическом плавании. Чтобы его (равновесие) получить, необходимо, чтобы действующая со стороны жидкости выталкивающая сила, приложенная в центре тяжести вытесненной жидкости (центр давления), была не только равна топящей силе (силе тяжести), но и чтобы центр давления был на одной вертикали с центром тяжести. В противном случае выталкивающая и топящая силы создадут моменты пары сил, вращающих тело. Вращение будет наблюдаться до тех пор, пока тело не придет в положение, при котором будут выполнены указанные условия.
Равновесие может быть устойчивым и неустойчивым. Устойчивое статическое равновесие наблюдается, когда центр давления расположен выше центра тяжести (см. рис. 2а). В этом положении при нарушении равновесия под действием внешних сил создается восстанавливающий момент, который стремится вернуть тело в исходное положение. Неустойчивое статическое положение (см. рис. 2б) будет тогда, когда центр тяжести расположен выше центра давления. В данном случае при незначительном отклонении от положения равновесия создается момент сил, который будет вращать тело до достижения положения устойчивого равновесия.
Рассмотрим расположение центра тяжести и центра давления при горизонтальном положении тела пловца (рис. 3). Оба центра будут находится в одной горизонтальной плоскости на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга, что объясняется неоднородным строением человеческого тела. Такое расположение центра тяжести и центра давления вызывает вращение тела вокруг поперечной оси, сопровождающееся опусканием ног.
Если в горизонтальном положении пловец, лежащий в воде лицом вниз, сильно прогнется, то центр давления может оказаться ниже центра тяжести. В данном случае создастся неустойчивое положение, когда, помимо уже имеющего место вращения вокруг поперечной оси (когда наблюдается опускание ног), пловец может быть развернут вокруг продольной оси, т. е. лицом вверх.
Равновесие пловца напрямую связано с его индивидуальным анатомическим строением.
При динамическом плавании тело спортсмена, как правило, занимает положение близкое к горизонтальному, но отличное от него. Положение тела по отношению к обтекаемому потоку называется углом атаки тела. Угол атаки замеряется между продольной осью тела и направлением движения. Под продольной осью подразумевается воображаемая линия, соединяющая среднюю точку сечения грудной и тазовой части туловища. Угол атаки считается положительным, если ось тела отклоняется вверх от обтекающего потока, и отрицательным, если отклоняется вниз.
При плавании брассом наблюдаются углы атаки до 13–14°, а при плавании баттерфляем — до 25–30°. При кроле — 2 –6°. Очевидно, что угол атаки надо по возможности уменьшать.
Угол атаки кисти — угол между плоскостью кисти и направлением потока. Кисть во время гребка движется по криволинейной траектории, угол атаки кисти в основной части гребка изменяется, как правило, от 35–45° до 60–75°. В отдельные моменты гребка угол атаки кисти может составлять 15–30°.
При движении пловца под некоторым углом к потоку полная сила гидродинамического сопротивления направлена не строго назад, а отклоняется вверх или вниз в зависимости от того, положительный или отрицательный угол атаки имеет пловец. При разложении полной гидродинамической силы сопротивления по правилу параллелограмма получаем 2 силы: одну направленную параллельно обтекающего потока, другую — перпендикулярную к нему.
Сила, направленная параллельно встречному обтекающему потоку, называется силой лобового сопротивления.
Сила, действующая перпендикулярно вверх по отношению к направлению потока, называется подъемной силой, перпендикулярно вниз — топящей.
Скорость и энергетические расходы при плавании зависят от трех основных механических факторов: 1) величины подъемной (плавучей) силы, противодействующей весу тела, или обратной ей величины — потопляющей силы; 2) лобового сопротивления продвижению тела в воде и 3) движущей силы, возникающей в результате эффективных продвигающих (пропульсивных) усилий пловца.
Средняя чисто дистанционная скорость (в середине бассейна) при плавании на 100 м составляет максимально: в кроле — около 1,9 м/с, в баттерфляе — 1,8 м/с, на спине — 1,7 м/с, в брассе — 1,5 м/с. Таким образом, наибольшая скорость достигается при плавании кролем, наименьшая — брассом.
Способы плавания основаны на взаимодействии пловца с водой, при котором создаются силы, продвигающие его в воде и удерживающие на ее поверхности. Взаимодействие возникает вследствие погружения в воду и активных движений пловца. Специфические особенности биомеханики плавания связаны с тем, что силы, тормозящие продвижение, значительны, переменны и действуют непрерывно. Постоянной же опоры для отталкивания вперед у пловца нет, она создается во время гребковых движений и остается переменной по величине.
При всех гребковых движениях гребущие звенья движутся относительно остальных частей тела назад, а последние относительно гребущих звеньев — вперед. В начале гребкового движения спортсмен плывет по дистанции с некоторой начальной скоростью. Вследствие гребка туловище продвигается вперед со скоростью большей, чем начальная. Гребущие звенья движутся относительно туловища назад быстрее, чем относительно воды. Таким образом, механизм динамического взаимодействия пловца с водой основан на изменениях сопротивления воды, обусловленных в первую очередь скоростью движения частей тела относительно воды.
Рассмотрим рабочее движение пловца прямой рукой, стоя на дне (см. рис. 4). Данное движение будет выполняться за счет вращения по отношению к плечевому суставу. При движении руки по ее длине возникают силы гидродинамического давления как результат сопротивления воды. Для удобства в данном рисунке не указывается сила давления на воду, которая равна силе сопр отивления и направлена в противоположную сторону. Наибольшая величина сопротивления будет у кисти за счет ее большей скорости, площади и коэффициента обтекаемости. Величина сил сопротивления на руке постепенно падает от кисти к плечу (на рис. 5 это показано уменьшением длины стрелок). Равнодействующая этих сил приложена у запястья и направлена в сторону, противоположную прилагаемым усилиям. По правилу параллелограмма одна из составляющих направлена вперед (Рх — сила тяги). Другая составляющая (Р y ), в зависимости от положения руки, будет направлена вверх (положение I ) или вниз (положение Ш). Наиболее выгодно положение II , когда равнодействующая сила полностью направлена на продвижение пловца вперед.
По такому же правилу разложения сил рассмотрим и рабочее движение ногами способом кроль на груди (см. рис. 5) и плавании баттерфляем (рис. 6). Во время движения сверху вниз вследствие сопротивления воды возникает результирующая сила, направленная вперед и вверх. Ее можно разложить на две составляющие, одна из них будет направлена вперед — Рх, другая — вверх — Р y .
В отличие от стационарного положения, во время плавания картина действия сил выглядит несколько сложнее, т. к. конечности пловца совершают не одно, а два движения. Сюда же можно добавить и одновременную работу рук и ног. Сам характер движения также различен. Если при движении ног кролем на груди при работе у бортика наблюдается положительное давление на всей длине ноги, то в движении у пловца такое давление наблюдается только на стопе и небольшой части голени. В отличие от движений руки, ноги кролиста не обретают скорости, превышающей скорость потока. В лучшем случае эта скорость сравнивается со скоростью обтекающего потока. Однако стопа во время движения имеет значительные вертикальные скорости. При наклонном положении стопы по отношению к направлению движения образуются силы, продвигающие пловца вперед.
Величина силы тяги рук пловца обычно находится в пределах 16–18 кг, а сила тяги ног при плавании кролем — 10–12 кг. Приложение сил у пловца по времени составляет 0,3–0,5сек.
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 из-за 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 тра — екторий в способах плавания кроль на груди, кроль на спине и баттерфляй. Величина сил лобо — вого сопротивления, создаваемая на гребущих плоскостях (кисть и предплечье), значительно пре — вышает 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 движения, является главным и почти единственным компонентом продвигающего усилия.
Общепризнано, что и подъемная сила (лифт), и лобовое со — противление должны рассматриваться как компо — ненты пропульсивных сил в плавании. Пловцы должны максими — зировать обе силы, создающие продвижение. В то время как пловец давит на воду в направлении назад, жидкость под рукой замедля — ется пропорционально углу атаки кисти и силам трения. Когда угол острый, замедление незначи — тельное и возникающие силы лифта и лобового со — противления малы по величине. Когда угол атаки больше, замедление потока относительно кисти более значительно, что ведет к возрастанию реак — ции опоры на кисти. Результирующая сила ак — ции может быть разложена на подъемную силу и лобовое со — противление. Замедление потока жидкости также дополняется сопротивлением трения поверхности кисти и предплечья и сопротивлением формы, обусловленным размером и формой руки.
При дви — жении вперед вниз создается сила, тормозящая — движение пловца, несмотря на то, что в это же время на руке создается лифт. В большинстве вариантов гребковых движений присутствует элемент поперечных движений.
Пловцы никогда не выполняют гребок прямоли — нейно спереди назад. В брассе движения, направ — ленные в стороны, даже акцентированы.
Другая черта гребка — асим — метрия в движениях рук. Сильная рука старается сбалансировать движение слабой руки. Поэтому весьма маловероятно, что можно найти идеаль — ные варианты траектории гребка.
Измерение сил в плавании представляется весьма затруднительным, так как имеет место взаимодействие сегментов. Когда изолированно рас — сматривается только один сегмент, это может привести к ошибочным заключениям. Даже те — перь, когда состояние развития методов измере — ния значительно лучше, чем ранее, оно все еще ос — тавляет желать лучшего.
На ранних и заключительных стадиях гребко — вые движения имеют значительный вертикаль — ный компонент. Чтобы развить продвигающее усилие, кисть-предплечье должны быть погруже — ны на достаточную глубину и затем следовать в направлении, при котором создается максималь — ный горизонтальный компонент усилия. После того как были созданы максимальные продвигаю — щие усилия, руку следует вынуть из воды для про — носа. Выражается точки зрения, что ранний и по — здний участки подводного движения руки долж — ны считаться «переходными». Наблюдения и опрос пловцов показывают, что на этих переходных участках гребковых движений не создается продвигающего усилия, и пловцы не чувствуют, что они создают такие усилия. Термин «гребок» должен быть зарезервирован для тех фаз, где дей — ствительно создается продвижение (ускорение).
Путь, который преодолевают кисть и предпле — чье под водой, не всегда способствуют созданию продвижения. Некоторые участки траектории и движения скорее затрудняют продвижение, чем помогают ему. Например когда кисть входит в воду и продолжается выпрямление руки вперед под водой — трение, сопротивление формы и волновое сопротивление возрастают и затрудняют продвижение пловца. Эти вредные силы снижают эффективность гребковых движений.
Современная техника измерения силы для ки — сти во время переходной фазы после входа в воду и основной фазы гребка позволяет установить достаточно удовлетворительно, что делает кисть этих стадиях. В то же время для переходной стадии на выходе из воды удовлетворительных результатов получить не удалось. На переходной стадии входа руки в воду в кроле на груди и баттерфляе лифт и лобовое сопротивление создаются на дистальных звеньях. Поток как бы двигается со стороны пальцев вверх по руке. На переходной фазе выхода руки из воды локоть «ведет» за собой — кисть. Это означает, что поток как бы стекает вниз по руке и отрывается от пальцев, т. е. движе — ние потока относительно руки прямо противопо — ложно тому, что наблюдается на входе. Также ве — роятно то, что значительная турбулентность воз — никает на тыльной поверхности кисти.
Когда гребковые движения могут быть выпол — нены преимущественно в горизонтальном на — правлении, кинематическая пара кисть–предпле — чье создает тем большую реакцию, чем более ее ориентация приближается к перпендикулярному по отношению к направлению движения. Может быть расположение пары кисть–предплечье точ — но под прямым углом и не является самым эффективным, так как траектория гребка должна спо — собствовать не только созданию максимальных пропульсивных сил, но также выполняет функцию — противодействия вращательным силам, дей — ствующим в нескольких направлениях.
Когда переходная фаза входа руки в воду выполняется слишком глубоко, траектория основной части гребка «скользит» вверх плавно или ступенчато. — Благодаря значительному вертикальному компоненту при снижении горизонтального компонента сила лобового сопротивления снижается и часть полезной для продвижения вперед энергии теряется. Это может указывать на то, что нужно избегать чрезмерного погружения руки при входе в воду, чтобы эффективно использовать энергию гребка в направлении продвижения.
Соотношение вклада лобового сопротивления и подъемной силы в продвижение в заданном направлении зависит от нескольких факторов:
б) угла атаки пары кисть–предплечье по от — ношению к направлению гребка;
в) угла, образованного парой кисть–предпле — чье по отношению к направлению движения;
г) направления результирующей силы;
д) ориентацией пары кисть–предплечье в трехмерном пространстве;
е) вращения кисти и пред — плечья.
При оценке техники гребка следует принять во внимание:
— вариант гребка должен создавать значительный компонент лобового сопротивления и поддерживать его в течение столь длительного времени, сколько это позволят переходные фазы входа и выхода руки. Потенциальный прирост силы лобового сопротивления гораздо выше, чем приращение подъемной силы;
— когда гребок выполняется преимущественно в горизонтальном направлении при преимущественно перпендикулярной ориентации пары кисть–предплечье к направлению движения, отклонения кисти от прямого угла атаки имеют целью уравновесить боковые силы;
— следует пытаться ощутить давление на пару кисть–предплечье. Чем дольше это ощущение будет поддерживаться во время гребка, тем дольше будут поддерживаться силы лобового сопротивления;
— во время переходной фазы входа руки в воду, когда вертикальный компонент гребка значительный, необходимо ориентировать кисть–предплечье так, чтобы максимизировать подъемную силу и одновременно стараться быстрее пройти эту стадию гребка.
Варианты гребков. Наблюдаемая ориентация кисти у высококвалифицированных пловцов показывает, что углы атаки кисти у них такие, что способствуют больше образованию лобового сопротивления, чем подъемной силы. В то же время углы атаки кисти очень редко оказы — ваются 90 градусов или около того. Ориентация кисти не только преследует цель создания максимальной продвигающей силы, но и должна способствовать компенсации вертикальных движений при про — носе рук, дыхании, работе ног. Во всех способах плавания необходимы компромиссные положения, так как движения никогда не подчинены толь — ко созданию продвижения.
Считается, что главной силой, создающей продвижение в способах кроль на груди, на спи — не и в баттерфляе, является сила лобового сопротивления. Влияние подъемной силы является минимальным. В то же время оказывается, что никакая сила не является един — ственной, ответственной за создание продви — жения.
В плавании кролем на груди, когда рука выхо — дит из воды и начинает пронос вперед, тело испы — тывает вращательный эффект. Этот эффект частич — но компенсируется ударом ноги, но в то же время успевает оказать воздействие на гребок противо — положной руки. При этом в начале гребка наблю — дается движение кисти кнаружи. Это движение создает и подъемная сила, и сила лобового сопротивления.
Последующее движение назад внутрь может быть не столько результатом поиска стоячей воды, сколько движением, компенсирующим анатоми — ческие недостатки тела человека. Средний участок траектории гребка в кроле на груди характеризует — ся выраженным смещением руки внутрь вверх, компенсирующим вращение тела вокруг продоль — ной оси, в то время как противоположная рука за — вершает выполнение проноса и входит в воду.
В кроле на спине характерный J -образный тип гребка, при котором кисть по мере выполнения гребка скользит вверх к поверхности, вызван про — сто сгибанием локтя. Это делается с тем, чтобы приложить большую продвигающую силу в опти — мальном направлении и по мере того как локоть движется вниз, вектор реакции направляется вверх.
Боковые компоненты гребковых движений мо — гут иметь очень простое объяснение. Они обуслов — лены анатомическими особенностями тела челове — ка. Ротационные боковые силы развиваются:
— во время проноса рук над водой, выполняемого частично через стороны;
— кренами тела, достигающими в кроле на груди и на спине почти 90 градусов;
— приведением в плечевом суставе в середине гребка;
— когда необходимо вывести кисти из-под тела для выполнения переноса;
— силами, созданными поворотами головы для вдоха.
Эти поперечные силы должны быть уравновешены поперечными движениями ног или рук во время гребков. Когда они действительно имеют место в гребковых движениях, они создают силы противодействия (реакции) для сохранения прямолинейного поступательного движения тела с целью создать подъемную силу. Эти движения есть результат противодействия. Возможно, что при более совершенной анатомии тела человека никакие поперечные компоненты движений не понадобились бы: двигательный аппарат человека просто стремился бы генерировать лобовое сопротивление на гребущих поверхностях для эффективного продвижения вперед.
Когда рука находится в воде, она не всегда создает продвигающую силу, а только тогда, когда движется в определенном направлении с определенным углом атаки. Остальное время, пока рука — находится в воде, она увеличивает общее ди — намическое сопротивление тела. Весьма вероятно, — что пловцы должны стараться минимизировать — время, в течение которого рука создает дополнительное сопротивление, и максимизировать время, в течение которого рука создает продвигающую — силу.
Сила лобового сопротивления является доминирующей при создании продвигающей силы при плаванием кролем на груди, на спине и баттерфляем.
Создание продвигающей силы в брассе происходит — иначе, чем в других способах плавания. Траектори — я движений рук имеет доминирующий ла — теральный компонент. Результирующая продвигающая сила создается од — новременными движениями обеих рук. Характер — но, что компоненты силы, обусловленные лобовым сопротивлением, направлены в стороны от направления движения, частично погашают друг друга и вносят минималь — ный вклад в создание продвижения. Таким обра — зом основной вклад в создание продвигающей силы вносит подъемная сила, возникающая на кистях и предплечьях — в стороны под углом атаки. Интересно отметить тот факт, что общее гидродинамическое сопротивление, создаваемое во время выноса руки вперед, превышает величину тяги, создаваемой пловцом во время гребка.
Силы гидродинамического сопротивления. Когда пловец не создает достаточную по вели — чине продвигающую силу, скорость его замедляет — ся. Часто можно наблюдать то, что некоторые пловцы как бы скользят по воде без видимого уси — лия, другие — производят хорошее впечатление при плавании на низких скоростях, но при попытке увеличить скорость оказывается, что они не в со — стоянии это сделать. Данные факты обусловлены вели — чиной сопротивления, создаваемого пловцами во время плавания.
Существует три компонента об — щего гидродинамического сопротивления (базиру — ясь на данных гидродинамики и исследованиях в области кораблестроения):
а) поверхностное (сопротивление трения);
б) вихревое сопротивление, или сопротивление формы, обусловленное образованием зоны вихрей в кильватере тела и пропорциональное площади поперечного сечения тела, взаимодействующей с «набегающим» потоком;
в) волновое сопротивление, образованное час — тью объема воды, вытесняемого телом.
Эта классификация имеет практическое значе — ние для тренеров и пловцов. Тем не менее, в после — дние годы исследования сконцентрировались вок — руг соотношения активного и пассивного сопро — тивления. Пассивное сопротивление — — это сопротивление, испытываемое телом пловца при пассивной буксировке в стоячей воде или при экспозиции подвижному потоку в гидроканале. Обычно пассивное сопротивление измеряется в положении скольжения. Активное сопротивление создается движениями пловцов и, как считается, включает в себя величину пассивного сопротивле — ния (активное сопротивление всегда больше пас — сивного). Другие исследователи заостряли внимание на отдельных видах сопротивления: лобовом, вихревом, сопротивлении трения. Следует отметить, что фронтальное и вихревое сопротивление являются категориями, описывающими один и тот же вид сопротивления — сопротивления давления (или формы), обусловленного градиентом сил давления на фронтальной и тыльной поверхностях тела.
Важно провести анализ сопротивления во время соревнований. Если удастся снизить величину общего гидродинамического сопротивления, то таким образом можно будет увеличить скорость плавания. Внимание тренеров должно быть сосредоточено на действиях, снижающих тормозящие силы и повышающих скорость плавания. Понимание природы сопротивления является необходимым элементом современной теории подготовки пловцов. Эта проблема имеет гораздо большее практическое значение, чем ранее предполагалось. Выполнение рабочих движений ни в коей мере не должно сопровождаться созданием излишнего сопротивления. Умеренное рабочее усилие при минимальном сопротивлении может иметь гораздо больший полезный эффект, чем максимальное усилие, сопровождаемое значительным увеличением сопротивления.
Гидродинамическое сопротивление, действующее на тело (за исключением кистей и предплечья), должно быть настолько маленьким, насколько это возможно. Угол атаки тела, его поперечное сечение в направлении движения и площадь смачиваемой поверхности должны быть минимизированы. Каждый из трех видов сопротивления имеет прямое приложение к работе над совершенствованием техники плавания. Категории активного и пассивного сопротивления являются слишком общими для использования на практике.
Сопротивление трения (поверхностное сопротивление) возникает при движении потока вдоль грубой поверхности. Эта часть пассивного сопротивления. Гладкость кожного покрова, волосяной покров, качество плавательного костюма являются факторами, создающими трение при движении пловца в водной среде. Зависимость сопротивле — ния трения от скорости плавания носит линейный характер. Считается, что при скорости плавания 1–2 м/сек доля сопротивления трения от суммарной величины гидродинамического сопротивления составляет примерно 15–20 %.
Секрет снижения сопротивления тре — ния кроется в поддержании ламинарного характе — ра обтекающего потока. Вода в ламинарном пото — ке напоминает «многослойный бутерброд», каждый слой которого скользит относительно соседнего. Погранич — ный слой потока как бы прилипает к его поверх — ности и движется с той же скоростью, что и тело. Каждый последующий слой движется с несколько меньшей скоростью, чем предыдущей. На некото — ром расстоянии от тела слои воды остаются непод — вижными. Данная совокупность водных слоев, доста — точно тонкая (толщина зависит от качества поверхности тела и скорости движения). Пока поток ос — тается ламинарным, он как бы обеспечивает смаз — ку для скольжения тела сквозь воду. Малейшая ше — роховатость, острые выступы вызывают вихреоб — разование (турбулентность). В турбулентном пограничном слое вода, контактирующая с телом или тканью костюма, закручивается в микроско — пические вихри, трение повышается и отнимает полезную энергию от движущегося тела. Малове — роятно, что тело человека целиком обтекается ла — минарным потоком. Скорее всего, лишь некото — рые участки его поверхности. Тем не менее, сниже — ние турбулентности в пограничном потоке может привести к снижению общего сопротивления.
Бритье волосяного покрова кожи на теле и но — гах, но не на предплечьях может снизить сопро — тивление трения. Снижение трения сопровождается снижением энергозатрат на каждый гребок. Плотно облегающий костюм из ткани со структурой, снижающей вихреобразование — еще один способ снижения сопротивления трения.
Необходимо подчеркнуть, что трущая поверхность должна не обязательно быть предельно гладкой, но скорее иметь текстуру, удерживающую тончайшую водяную пленку, увлекаемую пловцом на своем теле. Результатом будет трение воды о воду, которое намного меньше по величине, чем трение даже очень гладкой кожи о воду.
Сопротивление формы обусловлено особенностями геометрии тела пловца и является еще одним компонентом пассивного сопро — тивления (но может быть и частью активного сопротивления). Его ве — личина зависит от плотности воды, формы и площади поперечного сечения тела и пропорциональна квадрату скорости. Наибольшая площадь поперечного сечения, перпендикулярная потоку, у взрослого спортсмена в горизонтальном положении с вытянутыми вперед руками составляет 0,070–0,095 м 2 .
Когда тело движется в водной среде, силы со — противления среды действуют на тело в направле — нии строго назад. Эти силы составляют сопротив — ление формы. Когда встречный поток взаимодей — ствуют с телом, он направляется в стороны и следует вдоль контура тела. Если тело обладает об — текаемой формой, водный поток движется почти беспрепятственно вдоль тела. Если же форма не является обтекаемой, как форма руки, подстав — ленной перпендикулярно потоку, вода не может плавно обтечь такое препятствие, и происходит отрыв потока с образованием вихревых «карма — нов» и воронок позади тела (руки).
Интересной особенностью таких «карманов» является пониженное давление в этих объемах. Это низкое давление взаимодействует с высоким давлением (напором) воды на фронтальной повер — хности тела. Результирующий градиент давления и определяет величину сопротивления формы.
Этот вид сопротивления тем больше, чем выше скорость плавания. Вмес — те с тормозящим эффектом, оказы — вающим на тело пловца, сопротив — ление формы вносит вклад в создание подъемной силы, а также продвигающих сил, создаваемых ки — стью и предплечьем в гребковых движениях.
Сопротивление формы увеличивается, если положение тела пловца отклоняется от горизонтального (приподнимание головы, вертикальные движения туловища). Это ведет к периодическому увеличению площади поперечного сечения и, соответственно, к снижению скорости плавания.
Сопротивление формы может быть снижено путем придания телу горизонтальной ориентации. Нужно стараться, чтобы таз и бедра двигались в пространстве, как бы в проекции головы и плеч. То есть нужно плыть так плоско, как это возможно. Так новый вариант удара ног в брассе призван уменьшить опускание колен вниз. Во время удара ногами бедра приподнимаются вверх. Максимальная продвигающая сила, таким образом, достигается при более обтекаемом положении тела.
Волновое сопротивление создается при движении пловца по поверхности воды или на незначительной глубине под водой. Так как волнообразование требует энергии, то единственным ее источником является пловец. Энергия, кото — рая может быть использована для создания пропульсивных сил, теряется на волнообразование.
Возникающие на поверхности воды при движении пловца волны могут быть разбиты на две группы: на систему расходящихся и поперечных волн. Расходящиеся (или по-другому — косые) волны возникают у передней и задней части тела. Гребни косых волн расположены по отношению к диаметральной плоскости под углом около 40°. Линии, проходящие через начало косых волн, составляют к диаметральной плоскости угол около 20°.
Поперечные волны движутся поперек линии движения. Если посмотреть на пловца сбоку, то можно увидеть, что у линии головы и плеч поднимается передняя волна. В этом месте зарождаются как косые, так и поперечные волны. Поперечную волну необходимо учитывать при выполнении вдоха и при движении рук над водой. Гребень передней волны расположен у головы.
Следующая волна начинает подниматься за тазом. Впадина между передней и задней волнами расположена у поясницы. При медленном плавании эти волны отчетливо не видны. Однако при максимальной скорости они значительно увеличиваются, а спина пловца обнажается почти до поясницы.
Источниками волнообразования являются:
— акцентированные вертикальные движения («вылетание» из воды в баттерфляе, приподнимание голо — вы для вдоха в кроле);
— поперечные и любые другие движения, отклоняющие тело от горизонтального положения;
— неравномерное продвижение пловца («рывки») также создает волны.
Волновое сопротивление — наи — более вредное. Оно увеличивается пропорционально кубу скорости пловца. В то же время этот вид сопро — тивления может являться объектом контроля пловца. Величина волнового сопротивления может быть снижена за счет устранения излишних верти — кальных и боковых движений.
Каждый вид гидродинамического сопротивления вносит вклад в снижение скорости плава — ния. Нужно помнить, что когда пло — вец увеличивает скорость плавания в 2 раза, сопротивление трения также возрастает в 2 раза, в то время как со — противление формы возрастает в 4 раза, а волновое сопротивление — в 8 раз. С увеличением скорости волно — вое сопротивление и сопротивление формы увеличиваются настолько, что наступает момент, когда дальнейшее увеличение мощности движений (и энергозатрат) не будет сопровож — даться улучшением результата.
Поэтому каждое новое техническое действие, которому обучается пловец, должно быть предварительно оценено с позиций создаваемого гидродинамического сопротивления. Сопротивление снижает скорость плавания. Эффективная техника, прежде всего, создает наименьшее сопротивление и таким образом повышает эффективность плавательных движений.
2.2. Анатомические и физиологические основы плавания
Анатомическими и физиологическими особенностями человека в известной мере определяется способность плавания и его эффективность.
При всех равных условиях преимуществом будет обладать пловец с большими габаритами тела и «рычагами» — рост, обхват груди, длина рук, ног. Особое значение имеет площадь гребущих поверхностей — кисть, и особенно стопа. Для спортсменов-пловцов, как правило, характерно увеличение размеров стопы, поэтому размеры обуви у них могут быть на несколько размеров больше своих сверстников и не соответствовать пропорции с ростом.
В то же время люди с большой поверхностью тела испытывают более значительное сопротивление воды, чем люди с меньшей поверхностью тела. Соответственно, у мужчин лобовое сопротивление в среднем больше, чем у женщин. Однако при учете размеров поверхности тела это различие между женщинами и мужчинами несущественно. На величину лобового сопротивления влияет положение (форма) тела в воде при разных стилях плавания и в различные фазы плавательного цикла.
В целом можно сказать, что эффективность плавательных движений в значительной степени определяется подвижностью в плечевых суставах, плечевом поясе, позвоночном столбе (его грудном и поясничном отделах), в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах.
Помимо подвижности в основных суставных группах, при овладении техникой плавания надо учитывать, что мышцы можно отнести к упруговязким телам. Наличие упругости у мышц создает возможность передачи энергии сокращения одних мышечных групп к другим. Например, для движений ног при плавании это свойство весьма существенно, так как непосредственным движителем является стопа и часть голени.
Анатомическое строение тела во многом предопределяет способность держаться на воде. Величина подъемной (выталкивающая) силы зависит, во-первых, от веса (объема) различных тканей тела (прежде всего мышц и жировой ткани) и их соотношения в теле данного человека; во-вторых, от степени погружения тела в воду, точнее, от веса (объема) частей тела, находящихся над и под поверхностью воды, и, в-третьих, от объема воздуха в легких. Вес тела в воде составляет лишь несколько килограммов. У людей с большим количеством жира потопляющая сила (вес тела в воде) равна 0, так что они способны удерживаться на поверхности воды без каких-либо дополнительных усилий. Поскольку у женщин объем жировой ткани относительно больше, положение тела в воде у них обычно более высокое, чем у мужчин. Именно поэтому при всех равных условиях женщинам легче держаться на воде и легче освоить навык плавания. Мужчинам, у которых костно-мышечная ткань плотнее, а жировых отложений меньше (опять же при равных усредненных показателях), приходится более активно действовать в воде, двигаться. Среди пловцов большую плавучесть имеют стайеры, тело которых занимает более горизонтальное положение (ближе к поверхности воды), так как они имеют большее жировое депо и более низкий удельный вес тела, чем спринтеры (соответственно 1,0729 и 1,0786).
Когда тело спокойно удерживается на воде, некоторые части тела находятся над водой и легкие лишь отчасти заполнены воздухом. Поэтому на тело действует потопляющая сила, которой должна противостоять мышечная активность, создающая противоположно направленную силу. О степени этой активности можно судить по величине потребления кислорода сверх уровня полного покоя. Чем больше потопляющая сила, тем сильнее должна быть мышечная работа для удержания тела у поверхности воды и тем выше потребление кислорода. У женщин эта сила колеблется в пределах 1,6–4,7 кг, у мужчин — 4,9–5,8 кг.
Расходы энергии у человека при плавании примерно в 30 раз больше, чем у рыбы сходных размеров, и в 5–10 раз больше, чем при беге с той же скоростью. При очень низкой скорости плавания значительные различия в энергетических расходах у людей объясняются разной потопляющей силой (плавучестью) у них. При плавании с одинаковой скоростью женщины расходуют меньше энергии, чем мужчины, главным образом потому, что у женщин больше плавучесть.
С увеличением скорости плавания потребление кислорода возрастает при плавании кролем на груди экспоненциально (примерно пропорционально квадрату скорости), а при плавании брассом и баттерфляем — линейно, лишь несколько замедляясь при большой скорости. Такой характер зависимости между энергетическими расходами (потреблением кислорода) и скоростью плавания разными способами объясняется прежде всего особенностями изменения лобового сопротивления и механической эффективности. Энергетические расходы при плавании брассом и баттерфляем вдвое больше, чем при плавании кролем на груди.
Наибольшее потребление кислорода, которое может быть достигнуто при работе только руками или только ногами, составляет соответственно 70–80 и 80–90 % от наибольшего его потребления при полноценном плавании. Максимальная скорость плавания при работе руками меньше, чем при работе руками и ногами, что соответственно ведет к более низкому потреблению кислорода. Однако при плавании кролем это различие крайне мало, что связано с высокой эффективностью гребков руками.
На дистанции 100 м (50–60 с) примерно 80 % энергии обеспечивается анаэробным путем (околомаксимальная анаэробная мощность). С увеличением дистанции возрастает аэробный компонент энергопродукции: на дистанции 400 м он превышает 50 % общей энергопродукции. На дистанциях 800 и 1500 м очень важную роль играют мощность и емкость кислородной системы организма пловца.
Скорость, начиная с которой содержание молочной кислоты в крови быстро увеличивается (анаэробный лактацидемический порог), соответствует примерно 80 % от МПК (максимального потребления кислорода). Тренированные пловцы способны работать на относительно высоком уровне потребления кислорода (60–70 % от МПК) без повышения содержания лактата в крови. При максимальной скорости плавания анаэробный гликолиз обеспечивает 50–60 % энергии. Максимальная концентрация лактата в крови у высококвалифицированных спортсменов достигает 18 ммоль/л.
Эффективность работы определяется как выраженное в процентах отношение полезной работы к расходуемой для ее выполнения энергии. В общих чертах эффективность плавания считается крайне низкой по сравнению с наземным локомоциями. Даже у высококвалифицированных пловцов она составляет 4–7 %. Для сравнения: механическая эффективность наземной работы — ходьбы, бега, работы на велоэргометре — 20–30 %. Отметим, однако, что при работе на ручном эргометре на «суше» эффективность также низкая — примерно 10 %. Наибольшая эффективность отмечается при плавании кролем — 6–7 % (максимум до 15 %), наименьшая — брассом (4–6 %).
При одинаковой скорости плавания (одним и тем же способом) тренированный пловец расходует заметно меньше энергии, чем нетренированный. Эффективность плавания у нетренированного человека может быть в 8 раз меньше, чем у высококвалифицированного пловца. Индивидуальные колебания механической эффективности в плавании значительно больше, чем в таких видах наземной спортивной деятельности, как бег, ходьба, работа на велоэргометре.
Исключительно большие различия в потреблении кислорода не только между нетренированными и тренированными людьми, но даже между высокотренированными пловцами указывают прежде всего на сложность плавательной техники. Кроме того, большое значение, как уже отмечалось, имеют размеры и форма тела (определяющие лобовое сопротивление), положение тела в воде, размеры и подвижность «весел», создающих движущую силу.
В определенных пределах с увеличением скорости плавания, вплоть до оптимальной, эффективность нарастает. При дальнейшем увеличении скорости она падает. Оптимальная скорость зависит от способа плавания и техничности пловца. В диапазоне относительно небольших скоростей (0,4–1,2 м/с) для данного человека энергетическая стоимость проплывания (кролем) 1 км постоянна, т. е. не зависит от скорости плавания. Пловцы с плохой техникой расходуют больше энергии на единицу дистанции при любой скорости.
Удельный вес девочек и мальчиков вплоть до периода полового созревания заметно не различается. Соответственно и энергетическая стоимость плавания (со скоростью 0,7 м/с) на единицу дистанции с учетом размеров тела у них одинакова. Примерно с 15 лет этот показатель значительно снижается у девушек и повышается у юношей. На сверхдлинных дистанциях оптимальное соотношение между лобовым сопротивлением и механической эффективностью у женщин более чем компенсирует их сравнительно низкое МПК. Это объясняет определенное преимущество женщин перед мужчинами в плавании на сверхдлинные дистанции. Энергетическая стоимость проплывания 1 км дистанции составляет у нетренированных женщин 250–300 ккал, у нетренированных мужчин — 400–500 ккал, у спортсменок — 75–150 ккал, у спортсменов — 150–200 ккал.
У нетренированных (в плавании) людей МПК при плавании в среднем на 15–20 % ниже, чем в наземных условиях (например, при беге). Чем выше тренированность пловца, тем ближе его «плавательное» МПК (определяемое при плавании) к абсолютному («наземному»). У высокотренированных пловцов «плавательное» МПК в среднем примерно лишь на 6–8 % ниже абсолютного, выявленного во время бега в «гору» на тредбане, и примерно равно МПК при работе на велоэргометре. У выдающихся пловцов МПК при плавании такое же, как и при беге, или даже немного выше.
Эти данные говорят о высокой специфичности плавательной тренировки, что связано с такими уникальными особенностями плавания, как горизонтальное положение тела в воде (в отличие от обычного вертикального положения при работе в наземных условиях), активация меньшей мышечной массы и преимущественная работа мышц рук и пояса верхних конечностей (в отличие от преобладающей работы мышц ног и туловища при наземных локомоциях).
Следовательно, МПК, измеряемое в наземных условиях, не может быть полноценно использовано для оценки аэробной работоспособности пловца, а его тренировка, направленная на увеличение максимальной аэробной мощности, должна быть в основном плавательной.
Во время плавания различными способами МПК достигается при неодинаковых скоростях: в брассе — при меньшей скорости, чем в других способах. При одинаковом способе плавания менее тренированные спортсмены достигают своего уровня МПК при более низких скоростях, чем более тренированные пловцы.
Выдающиеся пловцы, особенно стайеры, отличаются высоким МПК — в среднем 5,2 л/мин (4–6 л/мин) при плавании и 5,4 л/мин (4,7–6,4 л/мин) при беге на тредбане, т.е. разница составляет в среднем 5,6 %. Соответствующие показатели у женщин — 3,4 л/мин (2,9–3,7 л/мин) и 3,6 л/мин (3,4–4 л/мин). Относительное «беговое» МПК (на 1 кг веса тела) у мужчин составляет в среднем 68,6 мл/кг-мин (62,5–76,4), у женщин — 55,3 мл/кг-мин (47,8–61,2), что ниже, чем у представителей «земных» видов спорта, требующих проявления выносливости.
Пловцы обычно весят больше, чем бегуны-стайеры. Поэтому относительное МПК у пловцов меньше, чем у хороших стайеров. Во время плавания вес тела слишком мал и в отличие от «наземных» локомоций не играет практически никакой роли как фактор нагрузки. Расход энергии при плавании не пропорционален весу тела, как при беге. Поэтому максимальные аэробные возможности у пловцов лучше оценивать по абсолютному МПК (л/мин).
Большинство физиологических особенностей при плавании обусловлено реакцией организма на пребывание в воде (водную иммерсию), горизонтальное положение тела, давление окружающей среды на тело и преимущественную работу верхними конечностями.
Для пловцов характерна большая жизненная емкость легких (ЖЕЛ): у мужчин-пловцов высокого класса — 5–6,5 л, у женщин — 4–4,5 л, что в среднем на 10–20 % больше, чем у людей того же возраста и пола, не занимающихся плаванием. Сила дыхательных мышц и емкость легких у пловцов, определяемые количеством воздуха, выдыхаемого за первую секунду форсированного выдоха, также на 8–15 % больше обычных величин.
Давление воды и ее выталкивающая сила обусловливают определенные приспособительные особенности дыхания. Статические размеры легких при погружении тела в воду (без опускания головы) несколько уменьшаются. ЖЕЛ в воде снижается примерно на 8–10 %. Частично (около 3 %) это связано с увеличением объема крови в грудной клетке (т. е. центрального объема крови) и в некоторой мере (5–7 %) с напряжением дыхательной мускулатуры, противодействующей гидростатическому давлению воды. При плавании ЖЕЛ уменьшается также за счет горизонтального положения тела. Функциональная остаточная емкость становится лишь на 0,5–1,1 л больше остаточного объема.
В отличие от дыхания в воздушной среде в воде дыхательный объем увеличивается исключительно за счет использования резервного объема вдоха. Резервный объем выдоха уменьшается до 1 л (в условиях воздушной среды до 2,5 л). Уровень спокойного дыхания смещается в сторону остаточного объема, уменьшая функциональную остаточную емкость. В результате во время дыхания в воде состав альвеолярного воздуха изменяется очень значительно при каждом дыхательном цикле. Альвеолярная вентиляция при максимальном аэробном плавании (потребление кислорода на уровне МПК) выше, чем при максимальной аэробной работе на суше.
Сопротивление току воздуха в дыхательных путях при водной иммерсии в условиях покоя и во время активного плавания возрастает более чем на 50 % и требует увеличения активности дыхательных мышц. При плавании кролем дополнительное количество кислорода на каждый литр вдыхаемого воздуха достигает 1,3–2,8 мл.
Дыхание во время плавания синхронизируется с плавательными (гребковыми) циклами: длительность фазы вдоха уменьшается, а выдох удлиняется и обычно производится под водой (за исключением брасса и плавания на спине), т. е. против большего сопротивления, чем в воздушной среде, — дополнительно примерно на 50–100 мм вод. ст.
Во время плавания с субмаксимальным потреблением кислорода легочная вентиляция, дыхательный коэффициент, парциальное напряжение и процент насыщения артериальной крови кислородом связаны с потреблением кислорода примерно так же, как и при беге на тредбане или при работе на велоэргометре.
Легочная вентиляция и число гребков в минуту являются линейными функциями скорости плавания, хотя у разных людей имеются довольно значительные вариации в положении и наклоне линий связи между этими переменными. Дыхательный объем в 2–3 л отмечается при частоте гребков 42–73 в минуту. Максимальная легочная вентиляция варьирует от 118 л/мин у специализирующихся в кроле, брассе и баттерфляе до 159 л/мин у плавающих на спине. При плавании на спине частота дыхания доходит до 64 циклов в минуту (примерно два цикла приходится на полный гребковый цикл), а при других способах плавания — до 40.
Вентиляционный эквивалент кислорода при максимальном аэробном плавании ниже, чем при аналогичной наземной работе. Причины такой относительной гиповентиляции — особые механические условия: давление воды на грудную клетку, затрудняющее дыхательные экскурсии, зависимость дыхания от ритма плавания (частоты гребковых движений). При одинаковом уровне потребления кислорода легочная вентиляция в плавании кролем обычно на 30% меньше, чем в беге или в плавании на спине. Средние величины легочной вентиляции при максимальном аэробном плавании также ниже, чем при максимальном аэробном беге (на уровне «земного» МПК). Частота дыхания в плавании ниже, чем в беге.
Несмотря на относительную гиповентиляцию, парциальное напряжение и содержание кислорода в артериальной крови при плавании примерно такие же, как и при наземной мышечной деятельности. Хотя альвеолярно-артериальный кислородный градиент при максимальном аэробном плавании ниже, чем при максимальном аэробном беге, насыщение артериальной крови кислородом составляет около 91 %, т. е. такое же.
Таким образом, легочная вентиляция даже во время максимального аэробного плавания достаточна, чтобы насытить артериальную кровь кислородом до такой же степени, что и во время бега. Следовательно, внешнее дыхание, как и на суше, не ограничивает МПК. Более низкое МПК при плавании, чем при наземной локомоции, не связано с относительно сниженной вентиляцией.
Особые требования предъявляются к сердечно-сосудистой системе организма. Сердечный выброс во время плавания увеличивается почти линейно с ростом потребления кислорода (скорости плавания), и при одинаковом субмаксимальном потреблении кислорода он примерно такой же, как и при беге или работе на велоэргометре.
Максимальный сердечный выброс у тренированных пловцов во время плавания такой же, как при беге, а у нетренированных пловцов может быть на 25 % ниже.
Частота сердечных сокращений во время плавания возрастает линейно с увеличением потребления кислорода (скорости плавания); она обычно несколько ниже, чем при беге или работе на велоэргометре с таким же уровнем потребления кислорода. Это необходимо учитывать, когда частота сердечных сокращений (ЧСС) используется как показатель нагрузки. Снижение температуры воды уменьшает ЧСС, что компенсируется увеличением систолического объема.
Максимальная ЧСС при плавании также меньше, чем при беге, в среднем на 10–15 уд/мин. У мужчин она составляет в беге около 200 уд/мин, а в плавании — около 185 уд/мин, у женщин соответственно около 200 и 190 уд/мин.
Как и во время работы на суше, во время плавания с одинаковой относительной аэробной нагрузкой (с равным процентом МПК) ЧСС у тренированных и нетренированных пловцов в среднем одинакова.
Систолический объем растет при переходе от покоя к легкой работе и далее увеличивается с ростом мощности работы (скорости потребления кислорода). При относительно небольших аэробных нагрузках он достигает определенного уровня, а затем несмотря на увеличение нагрузки (скорости плавания), вплоть до максимальной, остается неизменным или лишь слегка увеличивается.
Горизонтальное положение тела создает благоприятные условия для усиленного венозного возврата и соответственно для большого заполнения сердца во время диастолы. Поэтому при одинаковом субмаксимальном уровне потребления кислорода систолический объем во время плавания больше, чем во время работы на велоэргометре, что соответственно ведет к снижению ЧСС во время плавания.
При максимальной аэробной нагрузке в плавании достигается наибольший для данного человека систолический объем. У тренированных пловцов он такой же, как и при беге, а у нетренированных ниже, чем при беге. Как и у представителей других видов спорта, требующих проявления выносливости, систолический объем у пловцов в значительной мере определяется объемом полостей сердца.
Среднее артериальное давление при субмаксимальной и максимальной нагрузках в плавании больше, чем в беге, обычно на 10–20 %. Это может быть результатом повышенного внешнего (гидростатического) давления на тело и увеличения периферического сосудистого сопротивления кровотоку из-за сужения кожных кровеносных сосудов вследствие низкой кожной температуры (26–28°). Определенную роль играет также количество участвующей в работе мышечной массы. Известно, что сокращение небольших групп мышц вызывает более высокий подъем кровяного давления, чем напряжение больших мышечных групп.
При вертикальном положении тела на суше перфузионное давление в сосудах работающих ног повышено за счет гидростатического давления столба крови. Поэтому перфузия крови при беге облегчена по сравнению с горизонтальным положением тела при плавании. Однако повышенное артериальное давление во время плавания может вызвать усиление перфузии крови через сосуды работающих мышц, создавая благоприятные условия для снабжения их кислородом.
Исключительно важную роль в плавании, как и в других видах спорта, играют функциональные возможности исполнительного мышечного аппарата. Особую роль играют мышцы рук и пояса верхних конечностей, а при брассе — и мышцы ног.
Исследования композиции мышц показали, что у пловцов более высокий процент медленных волокон, чем у неспортсменов (соответственно 74,3 и 46 % в дельтовидной мышце и 52,7 % и 36,1 % в четырехглавой мышце бедра). Аналогичные данные были получены в исследованиях композиции мышц у спортсменок и нетренированных женщин. У пловцов-спринтеров быстрые волокна составляют 60–65 % всех волокон дельтовидной мышцы.
В процессе плавательной тренировки происходит усиление окислительного потенциала быстрых волокон, так что рабочие мышцы почти не имеют быстрых гликолитических волокон и содержат практически только быстрые окислительные волокна. Наряду с высоким процентом медленных волокон и уровнем их окислительного потенциала преобразование быстрых волокон в быстрые окислительные создает большой аэробный потенциал для рабочих мышц пловца.
К этому следует добавить усиленную капилляризацию рабочих мышц, что наряду с повышением активности ферментов окислительного метаболизма, увеличением количества и размеров митохондрий, содержания миоглобина и другими локальными изменениями ведет к повышению аэробных возможностей этих мышц. Это находит свое отражение в повышении МПК и аэробной работоспособности (выносливости) пловца.
Температура воды обычно ниже температуры кожи. Вода обладает большой теплоемкостью и теплопроводностью, что в сочетании с конвекцией (движением воды вдоль тела) создает предпосылки для значительных теплопотерь в воде. Если в условиях воздушной среды человек поддерживает тепловой баланс (постоянную температуру тела), несмотря на большие колебания температуры воздуха, то в условиях водной иммерсии для поддержания нормальной температуры тела без его теплоизоляции или усиления теплопродукции необходима температура воды около 33°С. Самая низкая температура воды, при которой в условиях полного покоя может поддерживаться тепловой баланс (критическая температура воды), варьирует от 22°С (для полных) до 32°С (для худых). Быстрая потеря тепла в воде особенно опасна для пловцов-стайеров и ныряльщиков, длительно находящихся в воде.
Средний поток тепла от кожи в воду определяется разностью между средней температурой кожи и температурой воды. В покое температура кожи на 1–2°С выше температуры воды, а при активном плавании эта разница менее 1°С. Тем не менее тепло так быстро отводится от поверхности тела в воду, что теплопотери определяются (лимитируются) главным образом тканевой проводимостью, которая, в свою очередь, зависит от разности между температурой ядра и температурой кожи. При этом передача тепла не зависит от скорости плавания.
При температуре воды лишь на 2°С ниже нейтральной (33°С) быстро происходит сужение периферических (кожных и мышечных) сосудов, что увеличивает тканевую изоляцию: уменьшается проведение тепла от ядра тела к коже, т.е. снижаются потери тепла телом. Очень теплая вода обусловливает вазодилятацию и уменьшение тканевой изоляции (увеличение потери тепла). Тканевая изоляция прямо зависит от толщины подкожного жирового слоя. Изменения температуры ядра тела в воде обратно связаны с толщиной подкожного жирового слоя. Поэтому уменьшение проведения тепла за счет снижения кожного кровотока особенно важно для худых людей. Важна также степень тренированности к таким условиям.
Во время плавания около 95% всей энергопродукции превращается в тепло. Как уже отмечалось, плавание увеличивает тканевое проведение тепла, что вызывает его отдачу телом, особенно в прохладной воде. При этом теплоотдача больше, чем теплопродукция. Соответственно в прохладной воде (ниже 25°С) тело охлаждается более быстро при активном плавании, чем при неподвижном положении.
Реакция кровообращения на движения в воде отражает конфликтные запросы к метаболизму (снабжение рабочих мышц кислородом), с одной стороны, и к нормальной терморегуляции, с другой. Ни одно из этих требований (особенно в холодной воде) полностью не удовлетворяется. Большие терморегуляторные нагрузки (охлаждение тела) ведут к снижению кровоснабжения мышц из-за усиления кожного кровотока.
Если в результате охлаждения температура ядра тела падает ниже 37°С, потребление кислорода повышается примерно на 0,5 л/мин при любой субмаксимальной скорости плавания. МПК уменьшается на 6–18 % по сравнению с МПК при нормальной температуре тела. Повышенное потребление кислорода при субмаксимальной скорости плавания и снижение МПК сильно уменьшают работоспособность (выносливость) пловца в условиях пониженной температуры воды.
При интенсивном и непродолжительном плавании в обычных бассейнах с оптимальной температурой воды тепловой баланс организма пловца практически не нарушается. Более того, создаются условия, при которых у пловца относительно меньшая часть сердечного выброса направляется в кожную сеть (как терморегуляторный механизм), чем у бегуна на длинную дистанцию в жарких условиях.
- http://irc.lv/qna/%D1%81_%D1%82%D0%BE%D1%87%D0%BA%D0%B8_%D0%B7%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B8_%D0%BF%D0%BE%D1%87%D0%B5%D0%BC%D1%83_%D0%BC%D1%8B_%D0%BD%D0%B5_%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B5%D0%BC_%D0%B0_%D1%83%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%B6%D0%B8%D0%B2%D0%B0%D0%B5%D0%BC_%D1%81%D0%B5%D0%B1%D1%8F_%D0%BD%D0%B0_%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D1%83
- http://xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai/%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8/627779/
- http://sport.sfedu.ru/smiming_book_online/modul_2.html