沈貴慶

(西北農(nóng)林科技大學體育部, 陜西 楊凌 712100)

0 前 言

2008年北京奧運會上，美國游泳隊在比賽中取得了優(yōu)異的成績，菲爾普斯個人連得了8枚游泳金牌.賽后，記者問他是否有什么取勝的秘訣，菲爾普斯笑著透露：“我的教練一再囑咐我，一定要注意轉(zhuǎn)身后的水下打腿技術，這招果然靈驗！要知道，無論是自由泳、蝶泳還有混合泳，都有水下打腿的技術！”.水下蝶泳打腿技術，即Underwater Undulatory Swimming，簡稱UUS，是一套非常有效的游泳技術.接受水下蝶泳打腿技術訓練的運動員要比那些沒有采取此項技術訓練的選手在出發(fā)和轉(zhuǎn)身階段所花費的時間更少.UUS技術在水中表現(xiàn)為正向、反向、側向的蝶泳打腿，同時也包括在泳姿轉(zhuǎn)換時的運用. 目前，美國在該項技術的研究和應用上處于領先地位，這是他們在游泳界的突出優(yōu)勢.中國在UUS技術的應用上還有待進一步學習和提高.

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

水下蝶泳打腿技術的流體力學、動力學等特征.

1.2 研究方法

本文主要運用個案研究法(對菲爾普斯的分析)、跨學科研究法(生理學、運動學、力學等)和系統(tǒng)科學法(將所有資料和方法作為一個系統(tǒng))，對水下蝶泳打腿技術進行了分析.

2 游泳流體力學分析

2.1 游泳與波浪阻力

游泳運動員的水下蝶泳打腿技術是指沒有借助自身的手臂動作獲得推進力卻在水下可以進行較長距離的游進，而在水面上游進時因身體有上下起伏產(chǎn)生了較大的波浪阻力，因此較水下游進距離短，那么應該怎樣解釋水下蝶泳打腿技術的優(yōu)點呢?

Videler 于1993年提出在水面游泳時由于波浪的產(chǎn)生而導致附加阻力的增加，流線型的身體在接觸空氣和水的界面時所遇到的阻力和相同情況在水下的阻力比較，后者所遇到的阻力比相同的身體在3倍于他的寬度或身體橫截面的深度時的阻力要多5倍多.他認為小波浪的產(chǎn)生和速度與身體的長度有關，速度越低、身體越長，損失的能量就越小.把這個理論運用到游泳中就可以得出如下結論：個子高的游泳者比身高矮的在很大意義上是有優(yōu)勢的，在游進時可以減少粘附在身體上的水的質(zhì)量，從而克服了這部分水的重力.Vorontsov給出了一個方程，從而發(fā)現(xiàn)了身體滑動或游進時的最小深度，即在此深度上水面上沒有波浪產(chǎn)生：h=v/2g·c，這里h表示身體滑動或游進時的最小深度，v表示身體速度，g表示重力加速度，c是一個無量綱的波動系數(shù).研究表明深度在0.3～0.7 m的地方波浪阻力可以忽略不計，因為出發(fā)和轉(zhuǎn)身之后的滑行速度比比賽的平均速度要高，同時在水面下滑行時不產(chǎn)生波浪，因此僅僅通過打腿就可以達到和保持高速滑行速度，從而對整個游泳是很有利的.

Lyttlle通過使用牽引機器在不同滑行速度和深度上來測量靜態(tài)阻力.研究結果表明在水深為0.4 m和0.6 m游進時阻力比在水面上滑行時減少了10%～20%，而在水深0.2 m滑行時其阻力會減少7%～14%.當把蹬腿動作作為一個新的因素引入到阻力測量過程中時，人們發(fā)現(xiàn)當游泳者作蹬腿動作并以1.6 m/s或1.9 m/s被牽引時總的身體阻力會減少，而當測試者以2.2～2.5 m/s被牽引時并沒有明顯的差別.但是當測試者以3.1 m/s被牽引且身體呈流線型無蹬腿動作時，身體阻力減小.

Cossor發(fā)現(xiàn)2000年奧運會上男子100 m蝶泳、 100 m仰泳、100 m自由泳和200 m蝶泳的決賽選手15 m出水時間和水下游進距離呈顯著的負相關關系.女子100 m仰泳、200 m蝶泳、200 m蛙泳和200 m自由泳決賽也呈現(xiàn)同樣的負相關關系，表明出發(fā)后的水下游進距離對比賽出發(fā)時間有很大的影響.

Mason分析了轉(zhuǎn)身時間的影響.他發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)身動作最重要的方面就是水下階段，其中包括蹬離池壁階段.對于男女運動員來說，水下游進距離與時間對于整個轉(zhuǎn)身時間都有很大的關系.在水下游進距離越長、時間越長，整個轉(zhuǎn)身階段成績耗時越少.

Toussaint發(fā)現(xiàn)，水面上的游進速度受到水面波浪形式的限制，而正是其導致了波浪阻力.當一個游泳者在水面游泳時，水被劈開一條游進路線，由于在游泳者身邊水流速度的不同而產(chǎn)生了壓力，從而導致波浪的產(chǎn)生.當速度增加時，產(chǎn)生的弓形波浪的大小和慣性都會增大，導致波浪不能迅速散去，從而阻礙了游泳者速度的提高.

2.2 游泳的動力學分析

幾乎各種大小的水生動物最有效的游泳運動從頭到尾都有一種橫波，當身體產(chǎn)生波運動和向前的動力時，推進力把水向后推，并保持總能量守恒，方向和運動方向相反，與此同時由于橫波包圍著身體，身體的摩擦力引起了液體向前的動量.由于粘滯性阻力，液體推開身體向后的流射可以與動量平衡.當一個軀體以一定的速度向前游時，向前和向后的動量是完全平衡的，不過它們?nèi)匀豢梢詥为氂嬎?

當一條魚波動游泳時，產(chǎn)生的波非常特殊，它的形式是一系列改變旋轉(zhuǎn)方向的漩渦.當魚的尾巴擺到一邊時，產(chǎn)生順時針漩渦，擺到另一邊時又產(chǎn)生逆時針漩渦.而波動游泳中每個產(chǎn)生推進力的身體部位甚至包括身體的其他部位都在做相對于頭部的側向擺動.身體的彎曲變形、魚尾擺動、胸鰭和背鰭的擺動都將產(chǎn)生推進效果.

專家通過粒子成像技術顯示并測量了鰻魚的身體在波動游泳時產(chǎn)生的旋渦的大小、形狀和速度，結果發(fā)現(xiàn)，鰻魚的身體后面將產(chǎn)生向后運動的兩排旋渦對，鰻魚在身體中前部平面產(chǎn)生的半圓形式的波在身體擺動過程中向后傳播.流動速度從頭部向后呈線性增加，到達尾部達到最大值.兩側的半圓流動具有相同的旋轉(zhuǎn)方向，這種結構稱為原型渦.

魚類通過側面的波動增加尾部的擊打頻率來提高游泳速度，通過研究金槍魚的尾部路徑的振幅發(fā)現(xiàn)振幅在0.17到0.20倍身體長度之間.在滑行弦的切線和滑行路徑的軸之間的角度被稱為攻角，動物的滑行軸和平移運動方向之間的角度稱為傾角.海豚身上的衰減分析表明，在攻角、傾角和速度之間角度和速度呈現(xiàn)負相關性.在慢速游泳時，海豚身體傾斜角度將近40°；在全速游泳時，傾角減少到20°，當攻角大約是20°時表現(xiàn)為慢速游泳，而當攻角減小為10°時游速將提高6倍.

在過去的10年里，對魚和哺乳動物游泳的運動學研究十分深入，分析內(nèi)容廣泛，涉及領域包括:鰭路徑尾部的觀察、滑行的頻率、身體路徑的中線、身體的速度、波動形式和振幅、斜度和攻擊的角度等.隨著研究的不斷深入，魚類的流體力學逐漸被人們所注意，粒子成像技術的應用開始了一個認識魚類和水交互作用的新知識時代.

3 水下蝶泳打腿的人體運動學

3.1 水下蝶泳打腿技術的動力學和人體運動

體育訓練表明在水下游泳只有打腿動作時，速度并不會比在水面用配合游速度慢.最近國際泳聯(lián)做出了競技游泳比賽某些規(guī)則的變化，緣于在國際性比賽中由于運動員使用了過多的水下蝶泳打腿技術，新規(guī)則對出發(fā)和轉(zhuǎn)身后使用水下蝶泳打腿動作的距離進行了限制，距離為15 m，但是這個距離還是被一些選手充分利用，以提高在水中進行的出發(fā)和轉(zhuǎn)身后的速度.

2005年7月國際泳聯(lián)技術委員會再次對游泳規(guī)則進行了修改，其中對蛙泳改動比較大.新規(guī)則稱:在出發(fā)和轉(zhuǎn)身的時候，如果游泳選手完全在水下，那么使用一次向下的海豚式打腿是允許的.這一新規(guī)則的頒布肯定了水下蝶泳打腿技術的理論意義和應用價值.

目前，水下蝶泳打腿技術即UUS還沒有在人類游泳中得到充分研究，早先的研究主要集中在蹼泳的項目上.有人對使用單片腳蹼的蹼泳技術進行了二維分析，結果用狹窄的垂直振幅和每一個振動的周期來表示大量的波動位移.在1984年的歐洲青年蹼泳錦標賽的水下錄像中，通過對決賽選手水下不同角度動作的分析發(fā)現(xiàn)，取得較好成績的選手的動作有許多共性，如開始向下打腿時膝關節(jié)彎曲較小，整個水下打腿動作中軀干和腿的擺動幅度較小.

最近的研究試著對UUS技術進行分析，并得到了可視技術的幫助，通過對水中生物包括身體和四肢的研究來分析UUS技術.Ungerechts比較了蝶泳選手和海豚的游泳數(shù)據(jù),在運動員和海豚之間比較了相應周期期間的上踢和下踢，發(fā)現(xiàn)在相同的運動頻率中海豚的上踢比較快.他認為:“人類的游泳者不會有效地將水如海豚那樣進行旋轉(zhuǎn)是因為他們的腳踩的形狀和彎曲范圍的限制，這個不足可以通過運動員加強下踢動作來解決，盡可能多使用像鞭打一樣的動作”.

有人還對同一受試者在最大速度條件下有腳蹼和無腳蹼水下蝶泳打腿游泳技術進行了分析，他們試著使用可視系統(tǒng)對游泳者的身體和腿的周圍運動通過染色水進行觀察.在向上踢的第一個階段，僅僅膝關節(jié)的彎曲允許腳幾乎垂直地移動和使大量的水處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài).有效率的游泳者產(chǎn)生了一個大的靜態(tài)旋渦，在向上的踢腿結束的時候，同時在向下踢結束時會有一個小的旋渦.無效率的游泳者在向下踢結束時則產(chǎn)生比較小的和翻轉(zhuǎn)旋渦，與此同時在向上踢結束時候則不產(chǎn)生旋渦.

3.2 水中的波動游泳:人體運動

運動學的研究目的是評估不同水平的游泳運動員完成水下蝶泳打腿技術時的差別.專家分析了兩組選手——國際級青少年選手和國家級選手.運動員的年齡和游泳水平?jīng)Q定了其組別的不同，大部分運動員之前沒有進行專門的水下蝶泳打腿技術訓練.用UUS技術進行15 m的二次試驗，攝像機記錄的區(qū)域從池邊出發(fā)并超過了7.5 m處，這個距離將保證所獲得推進的速度是由腿和身體完成的，要求運動員進行試驗時水深要超過0.5 m.

為了確定實驗組之間的差別，在進行分析之后要計算許多變量.通過分析將打腿周期分為3個階段:(1)向下踢;(2)第一次向上踢;(3)第二次向上踢.第二和第三階段最大的不同是腳的軌跡突然改變方向，從一個比較垂直的方向變到較水平的方向，這一變化是由于上踢過程中膝關節(jié)開始彎曲所致.把該階段和重心的水平及垂直速度結合起來可以發(fā)現(xiàn)，腿向下踢時水平速度增加，下踢結束時其值達到最大.有時速度的二次峰值和前面第一次的類似，通常出現(xiàn)在由上踢垂直階段向其水平階段過渡處.在下踢動作時垂直速度增加，當腳到達這個狀態(tài)之前垂直速度達到最高值，在腳垂直運動變化之前獲得最大垂直速度.在此情況下，絕對垂直速度值是不同的，下踢是上踢時的兩倍.

在研究中發(fā)現(xiàn)了令人驚訝的數(shù)據(jù):重心的水平速度在打腿周期中非常一致.只有在膝關節(jié)彎曲結束時，水平的速度減少到1.6 m/s，在整個打腿周期的75%時間內(nèi)其水平速度都超過2 m/s，這表明運動員在打腿周期中的顯著表現(xiàn)并沒有借助池壁的推進力.

當分析國際組青少年組數(shù)據(jù)時，我們發(fā)現(xiàn)重心平均速度的重要相關性:(1)重心水平平均速度；(2)髖部平均速度、髖部水平速度和垂直速度；(3)在下踢時重心的平均速度；(4)第一次上踢時重心的平均速度；(5)第二次上踢時重心的平均速度;(6)重心速度的最大值(但與重心速度的最小值顯著性更大)；(7)腳趾尖的平均速度;(8)踢蹬動作水平位移；(9)膝關節(jié)彎曲程度最大時的角度.研究同時發(fā)現(xiàn)重心的平均速度和下列兩個因素之間相關性較低或沒有明顯的相關性，即重心的平均垂直速度和打腿的幅度.進行性別分析時，國際組表明了所有的變量值均相似.身體角度僅僅在打腿動作的開始和結束時在水平的參考系中有所區(qū)別.男子的身體位置容易傾向水平方向而女子幾乎對稱性地在水平線上下振蕩.

在競技水平方面，當比較國際組和國家組游泳隊隊員時，發(fā)現(xiàn)在重心和髖部的速度、重心及髖部的水平速度以及腳趾的速度等方面，國際組比國家組要顯著高一些，在重心的垂直速度方面則沒有什么區(qū)別，兩組之間打腿的幅度也沒有什么不同，但是國際組的身高稍高一些，國際組相對身高的振幅百分比是34.31%，而國家組的百分比是36.58%，在水生動物中例如海豚的百分比是20%.在兩個組一個打腿動作周期期間觀察重心速度變化，我們發(fā)現(xiàn)了周期中類似的速度變化，盡管兩組的速度是不同的，髖部和腳趾的速度變化具有類似的結果.

4 結論

(1)水下蝶泳打腿技術是一套非常有效的游泳技術.接受水下蝶泳打腿技術訓練的運動員要比那些沒有采取此項技術的選手在出發(fā)階段所花費的時間更少.

(2)運動員轉(zhuǎn)身到15 m出水時間與水下蝶泳打腿游進距離呈負相關關系，單位時間內(nèi)水下蝶泳打腿游進距離越長，轉(zhuǎn)身階段的耗時越少.

(3)出發(fā)或轉(zhuǎn)身階段采用水下蝶泳打腿動作游進速度快于運動員手腳配合游進速度.

(4)運動員水下蝶泳打腿游進過程中身體重心、髖部速度及腳趾速度值越高，游進速度越快.

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