水下海豚式打水技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與流體動(dòng)力學(xué)研究綜述

楊同新（廣州體育學(xué)院研究生部　廣東廣州　510000）

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水下海豚式打水技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與流體動(dòng)力學(xué)研究綜述

楊同新
（廣州體育學(xué)院研究生部廣東廣州510000）

摘 要：競技游泳比賽出發(fā)和轉(zhuǎn)身階段，水下海豚式打水(Under Water Dolphin Kick)成為一項(xiàng)非常重要的比賽技術(shù)，在出發(fā)和轉(zhuǎn)身階段應(yīng)用好這項(xiàng)技術(shù)的游泳運(yùn)動(dòng)員往往為贏得比賽創(chuàng)造競技優(yōu)勢;國內(nèi)外眾多專家學(xué)者已經(jīng)從運(yùn)動(dòng)學(xué)、生物力學(xué)及流體動(dòng)力學(xué)角度分析和研究了這項(xiàng)技術(shù)，本文從上述三個(gè)角度綜述了水下海豚式打水技術(shù)的流體動(dòng)力學(xué)原理、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，以及應(yīng)用運(yùn)動(dòng)員模型與仿真材料技術(shù)對不同條件下該技術(shù)產(chǎn)生的推進(jìn)力變化進(jìn)行了分析和歸納，認(rèn)為：當(dāng)打水動(dòng)作頻率和游進(jìn)速度恒定時(shí)，游泳運(yùn)動(dòng)員踝關(guān)節(jié)的柔韌性對水下海豚式打水技術(shù)產(chǎn)生的推進(jìn)力有著顯著地影響;其次，當(dāng)游速與踝關(guān)節(jié)角度等因素恒定時(shí)，變換打水動(dòng)作頻率，推進(jìn)效率和游進(jìn)速度發(fā)生顯著性變化，當(dāng)頻率達(dá)到一定的幅度時(shí)，游進(jìn)速度保持較大的恒定值;再次，海豚式打水技術(shù)的節(jié)奏與動(dòng)作幅度所產(chǎn)生的推進(jìn)力和阻力值因運(yùn)動(dòng)員的身長、身體的橫截面積及髖、膝、踝關(guān)節(jié)的彎曲角度及主動(dòng)發(fā)力程度而呈現(xiàn)出個(gè)性化的流體力學(xué)特征與技術(shù)特征，訓(xùn)練和比賽中需要對運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行技術(shù)診斷和監(jiān)控，對水下海豚式打水技術(shù)進(jìn)行精細(xì)雕刻，為應(yīng)的比賽創(chuàng)造有利的技術(shù)條件。

關(guān)鍵詞：游泳出發(fā)蝶泳水下海豚式打水

The Kine，atics and Hydrodyna，ics Research Review ofUnderwater Dolphin Kick

Yang tongxin
Post-GraduateDepart，ent ofGuangzhou Sport University

水下蝶泳腿技術(shù)是由國內(nèi)游泳學(xué)者對Underwater Undulatory Swi，，ing（簡寫為UUS）或Under Water Dolphin Kick（簡寫為DLK）進(jìn)行翻譯得來。在游泳比賽規(guī)則規(guī)定的范圍內(nèi)，蝶泳海豚式打水技術(shù)不僅是蝶泳技術(shù)構(gòu)成要素，也是仰泳、蛙泳、自由泳比賽中在出發(fā)和轉(zhuǎn)身滑行階段里的一項(xiàng)最為重要的水下游進(jìn)技術(shù)。運(yùn)動(dòng)員在出發(fā)或轉(zhuǎn)身后，為獲得或保持較快的游進(jìn)速度，往往通過采用水下蝶泳海豚式打水技術(shù)來完成。在50米長池的游泳競技比賽中，水下滑行距離占了近30％的比例；在25米短池的競技游泳比賽中，則占整個(gè)比賽近60％的比例。理想的水下海豚式打水技術(shù)不但能夠幫助運(yùn)動(dòng)員在增加推進(jìn)力與減小阻力之間起到平衡的效果，而且可以為運(yùn)動(dòng)員有效地節(jié)省體能。從2012年倫敦奧運(yùn)會(huì)100米蝶泳的比賽成績來看，往往0.01s的時(shí)間就絕定運(yùn)動(dòng)員能否成功進(jìn)入決賽或者登上領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)；而比賽中在出發(fā)和轉(zhuǎn)身階段具備海豚式打水技術(shù)優(yōu)勢的運(yùn)動(dòng)員，在出發(fā)和轉(zhuǎn)身階段往往能游得更快。因此，比賽中水下海豚式打水技術(shù)成為決定運(yùn)動(dòng)成績的一個(gè)重要技術(shù)環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)對其開展廣泛地分析和深入研究。

1　水下海豚式打水技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

在國際泳聯(lián)最新規(guī)則規(guī)定下，蛙泳出發(fā)和轉(zhuǎn)身階段（在第一次手臂劃水動(dòng)作過程中，允許許打一次蝶泳腿接蛙泳蹬腿動(dòng)作）及蝶泳、仰泳、自由泳比賽的出發(fā)和轉(zhuǎn)身階段，蝶泳海豚式打水技術(shù)是一項(xiàng)被游泳運(yùn)動(dòng)員廣泛應(yīng)用的快速游進(jìn)技術(shù)，并已經(jīng)發(fā)展成為第五種泳式。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)許多國內(nèi)外游泳專家和學(xué)者以經(jīng)從多個(gè)技術(shù)視角和理論視角對游泳技術(shù)展開了一些研究。游泳生物力學(xué)專家（Vennell Pease2006等）早已證明了在下游進(jìn)比水面游進(jìn)速度要快，其首要原因是的波浪阻力可忽略不計(jì)。那么水下游進(jìn)速度快的具體原因在哪里？是不是只與無波浪阻力相關(guān)？

本文將從多個(gè)角度來揭開水下海豚式打水技術(shù)的謎題，本文中對水下海豚式打水技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的分析包括動(dòng)作姿態(tài)、啟動(dòng)打水的合適時(shí)機(jī)、動(dòng)作頻率與節(jié)奏快慢、動(dòng)作幅度與橫截面積、膝關(guān)節(jié)角度的變化關(guān)系、出發(fā)與轉(zhuǎn)身后15米的打水次數(shù)、水下海豚式打水的動(dòng)力學(xué)特征變化等六個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。。

1.1動(dòng)作姿態(tài)Cllard Auvray通過對人類與海豚和魚類的游泳動(dòng)作姿態(tài)進(jìn)行模擬和比較后指出：在15米范圍內(nèi)，采用側(cè)臥姿勢進(jìn)行水下海豚式打水的游進(jìn)速度顯著性增加，但在距離為25米的測試中就不具備加速的優(yōu)勢。此外，有人認(rèn)為：這種拿人類進(jìn)化后的游泳動(dòng)作與海豚或者魚類的游泳動(dòng)作進(jìn)行比較是不夠準(zhǔn)確的，因?yàn)槿咴谏眢w形狀、肌肉構(gòu)造、生理特點(diǎn)、肌肉力量、關(guān)節(jié)薄弱環(huán)節(jié)等方面存在巨大差異。[1]

水下海豚式打水技術(shù)都存在三種不同的動(dòng)作方向或動(dòng)作姿態(tài)，第一類是俯臥或仰臥打水（根據(jù)你游自由泳、蝶泳或者仰泳而定）；第二類是側(cè)臥打水；第三類是介于這兩者之間的位置的打水，又稱為Slant Kick，斜向打水。[2]在競技游泳比賽中，第三類水下海豚式打水技術(shù)動(dòng)作姿態(tài)的應(yīng)用范圍較小，主要作為自由泳轉(zhuǎn)身后用來銜接和轉(zhuǎn)換動(dòng)作姿態(tài)的一項(xiàng)重要技能。2006年Francisco Alves等對6名17歲左右的初級(jí)水平的國家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員的兩個(gè)完整周期的水下海豚式打水動(dòng)作進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明：運(yùn)動(dòng)員側(cè)臥位姿勢的水下海豚式打水動(dòng)作頻率相對要慢，并且手臂、肘關(guān)節(jié)、臀部的橫向振幅要大；在仰臥位姿勢打水中，腳踝趾屈的幅度更大，對柔韌性的要求很高，而且在其它因素不變的情況下，仰臥姿勢與俯臥姿勢在產(chǎn)生推進(jìn)力方面并不存在顯著性差異；此外還得到三種身體姿勢的斯特勞哈爾數(shù)值（見表1）

*與之前對海豚式打水動(dòng)作方向的研究結(jié)果相對比，發(fā)現(xiàn)所得數(shù)值基本與之前的研究結(jié)果相一致，并且斯特勞哈爾數(shù)值的大小與產(chǎn)生渦流推進(jìn)力的軀干動(dòng)作的穩(wěn)定性相關(guān)關(guān)[3]；日本學(xué)者Sugi，oto，Nakashi，a等研究了踝關(guān)節(jié)趾屈最大角度對蝶泳海豚式打水推進(jìn)力的影響，并指出：踝關(guān)節(jié)趾屈的角度以接近5°來增加時(shí)，對推進(jìn)力的產(chǎn)生有顯著性影響，此外，腳踝在下打和上打過程中要保持適度地緊張性用力。[4]

1.2啟動(dòng)打水的合適時(shí)機(jī)

運(yùn)動(dòng)員在出發(fā)離臺(tái)入水和轉(zhuǎn)身蹬邊結(jié)束后的這一時(shí)期，是速度損失呈直線下降的主要階段，這一時(shí)期對50米和100米游泳短距離項(xiàng)目比賽來說十分關(guān)鍵，對出發(fā)反應(yīng)能力和水下游進(jìn)的技術(shù)效率要求極高。但首要問題是運(yùn)動(dòng)員應(yīng)該在出發(fā)入水或轉(zhuǎn)身等邊后滑行多久開始打腿呢？

法國博士Dr.，arc Epilot使用4個(gè)，ini-DV攝像機(jī)，對8名（50米自由泳平均成績?yōu)?4.41）法國隊(duì)員采用抓臺(tái)式出發(fā)后的整個(gè)水下階段進(jìn)行拍攝，并在運(yùn)動(dòng)員的身體上使用了9個(gè)體表解剖標(biāo)志定位器來降低數(shù)字化過程中的誤差，將離臺(tái)后人體重心的最高速度進(jìn)行了分解，并指出了運(yùn)動(dòng)員該在什么時(shí)候開始打水最恰到好處。結(jié)果表明：運(yùn)動(dòng)員在身體重心通過6.02-6.51米后，其速度分布在1.9-2.2米/秒之間時(shí)，開始打水比較恰當(dāng)。因?yàn)樗俣鹊闹饕兓A段分布在出發(fā)5.63-6.01米之間。因此高水平的游泳運(yùn)動(dòng)員為獲得較快水平游進(jìn)速度，必須在結(jié)合個(gè)人的生物力學(xué)特點(diǎn)（包括流線型阻力、橫截面積、某一深度的阻力系數(shù)、弗勞德效率等），找到啟動(dòng)打腿的最佳時(shí)機(jī)。國內(nèi)游泳學(xué)者認(rèn)為通常當(dāng)運(yùn)動(dòng)員出發(fā)入水或轉(zhuǎn)身蹬邊后身體的滑行速度快接近本人最高游進(jìn)速度時(shí)開始做水下動(dòng)作，不能過早（如圖一.c）地開始，也不能過晚開始（如圖一.b），這都會(huì)造成速度和能量的損失。[5]這是運(yùn)動(dòng)員出發(fā)技術(shù)個(gè)性化訓(xùn)練安排的指針，也是比賽中運(yùn)動(dòng)員成功應(yīng)用好出發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)。

1.3動(dòng)作頻率與節(jié)奏快慢

動(dòng)作節(jié)奏（Rhyth，）是指在完成動(dòng)作過程中的時(shí)間特征。包括用力的大小、時(shí)間間隔長短、動(dòng)作幅度的大小及動(dòng)作快慢等要素。[6]游泳的動(dòng)作節(jié)奏是指游泳時(shí)每一個(gè)劃臂、打水或者蹬腿與完整技術(shù)動(dòng)作的動(dòng)作周期內(nèi)各技術(shù)組成部分的動(dòng)作速度與時(shí)間比例關(guān)系，各時(shí)段速度比利關(guān)系依個(gè)人技術(shù)風(fēng)格特點(diǎn)不同而異[7]。

美國游泳教練Bob Gillett對高水平男子和女子游泳運(yùn)動(dòng)員水下海豚式打水的節(jié)奏快慢（Te，po）和每個(gè)打水動(dòng)作周期內(nèi)身體前進(jìn)的距離開展了深入分析，其結(jié)果是：游泳運(yùn)動(dòng)員應(yīng)當(dāng)保持0.45秒左右的打水節(jié)奏速度。這與之前Russell ，ark對節(jié)奏的研究中提到的使用0.40秒的打水節(jié)奏速度不同，并且許多人可能認(rèn)為這個(gè)節(jié)奏太快，但Cohn在2012年的一項(xiàng)研究中證明：產(chǎn)生較大的流線型凈推進(jìn)力（Net Higher Strea，line Force）與快速的海豚式打水動(dòng)作節(jié)奏快慢相關(guān)，而且踝關(guān)節(jié)的柔韌性達(dá)到一定能力時(shí)，對這一推進(jìn)力大小的影響并不明顯。這說明，在考慮到運(yùn)動(dòng)員踝關(guān)節(jié)趾屈與背屈的力量條件的前提下，對于優(yōu)秀游泳運(yùn)動(dòng)員產(chǎn)生流線型凈推進(jìn)力而言，找到最佳的打水動(dòng)作頻率與正確的打水節(jié)奏的重要性要優(yōu)于踝關(guān)節(jié)柔韌性的發(fā)展。因此，海豚式打水技術(shù)較好的運(yùn)動(dòng)員，在符合個(gè)性技術(shù)特征發(fā)展需要的前提下，應(yīng)當(dāng)保持以0.40-0.45秒左右的動(dòng)作節(jié)奏速度來完成出發(fā)和轉(zhuǎn)身15米的水下游進(jìn)，并找到最佳的節(jié)奏與速度配比。在實(shí)際應(yīng)用中，一些海豚式打水技術(shù)較差的運(yùn)動(dòng)員總習(xí)慣于用幅度大、節(jié)奏慢方式來打水，甚至認(rèn)為這種快的打水節(jié)奏沒有必要，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為和鯨類相比，在相同的速度條件下，覺得人類的海豚式打水的動(dòng)作次數(shù)已經(jīng)夠多了。但須明白拿人類的游泳來和鯨類游泳作比較是不合適而且是有問題的，首先由于生物力學(xué)構(gòu)造上的差別；其次是人類腳掌和魚鰭的尺寸和大小不同。[5]此外，2014年日本學(xué)者Hirofu，i Shi，ojo采用光度超亮的防水LED標(biāo)志燈對軀干進(jìn)行標(biāo)記后，運(yùn)用自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理，對蝶泳海豚式打水的動(dòng)作頻率的研究結(jié)果如圖二，并且闡明：在運(yùn)動(dòng)員保持最快速游進(jìn)的過程中，如果打水頻率增加，打水動(dòng)作幅度就會(huì)降低，但速度并未發(fā)生改變，并且推進(jìn)效率顯著下降；另一方面，當(dāng)打水頻率下降時(shí)，打水動(dòng)作幅度增大，并且游進(jìn)速度減慢。盡管游進(jìn)速度變慢，但發(fā)現(xiàn)，與推進(jìn)效率無關(guān)的身體波動(dòng)技術(shù)效率則下降。因此，他認(rèn)為：在保持最大游進(jìn)速度的前提下，為了形成高效的水下波浪式打水動(dòng)作，訓(xùn)練中試著將打水頻率減小至90％，有助于運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練蝶泳水下波浪式打水的技術(shù)效率。

左圖表明游進(jìn)速度與打水頻率的變化關(guān)系，在保持最大游進(jìn)速度的動(dòng)作頻率的前提下，當(dāng)打水頻率從最佳頻率Pre=100％以5％遞減時(shí)，游進(jìn)速度呈下降趨勢（如圖二的左圖的左半部分所示），頻率越慢水下海豚式打水的游進(jìn)速度越慢；當(dāng)打水頻率從最佳頻率Pre=100％以5％遞增時(shí)，游進(jìn)的速度并未增加，反而會(huì)降低（如圖二的左圖的右半部分所示），因此造成體能的損失會(huì)更大；中間的圖像表示弗勞德效率與打水頻率的變化關(guān)系，當(dāng)打水頻率從最佳頻率Pre=100％以5％遞減時(shí)，弗勞德效率微弱增加，但當(dāng)打水頻率加快大于最佳頻率時(shí)，弗勞德效率急劇降低。右圖表示整個(gè)身長的每次身體動(dòng)作的波長與動(dòng)作頻率的變化關(guān)系，與圖二的左圖中游速與頻率的變化關(guān)系相似，當(dāng)打水頻率從最佳頻率Pre=100％以5％遞減時(shí)，整個(gè)身長的每個(gè)身體動(dòng)作的波長縮短；而當(dāng)頻率越快，整個(gè)身長的每次身體動(dòng)作的波長也不會(huì)增加；[8]因此，訓(xùn)練中為達(dá)到較高的弗勞德效率，在身體保持最高游進(jìn)速度的前提下，適當(dāng)?shù)难娱L每次身體動(dòng)作的波長，同時(shí)要找到適合運(yùn)動(dòng)員個(gè)人的最佳頻率。

1.4海豚式打水的動(dòng)作幅度與橫截面積及髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度的變化

動(dòng)作幅度是指每個(gè)打水動(dòng)作周期內(nèi)上打與下打之間腳尖動(dòng)作位移的峰值差，用Ap-p表示。由于海豚式打水的動(dòng)作幅度與產(chǎn)生阻力的身體橫截面積及髖、膝、踝關(guān)節(jié)的角度、身長及運(yùn)動(dòng)員的主動(dòng)發(fā)力等變量之間的復(fù)雜關(guān)系，并且動(dòng)作幅度的大小因運(yùn)動(dòng)員的個(gè)性化技術(shù)特征及身體的流體力學(xué)特征而千差萬別，因此往往是Atkinson曾經(jīng)研究過蝶泳腿上打與下打動(dòng)作的對稱性，并指出：上打階段與下打階段之間的動(dòng)作對稱性與快速的海豚式打水速度密切相關(guān)；上打階段技術(shù)效率高的運(yùn)動(dòng)員，往往在下打時(shí)游進(jìn)速度較快，這說明快速地游進(jìn)速度與某一時(shí)刻的海豚式打水技術(shù)動(dòng)作高度相關(guān)；在上打階段，在垂直方向范圍內(nèi)，如果腳尖速度的峰值增大，那么上打的時(shí)間就短；在上打結(jié)束、下打開始時(shí)，膝關(guān)節(jié)彎曲的角度就小。因此，比賽中要加快打水的動(dòng)作頻率，并注意提高上打階段腳趾的打水速度，控制好上打的動(dòng)作時(shí)間；同時(shí)要適當(dāng)?shù)販p小打水動(dòng)作幅度，尤其是身體上半部分的軀干、頭和手臂的振幅。[9]

2011年Ray，ondC.Z.Cohen，Paul W.Cleary[10]通過運(yùn)用可計(jì)算的流體力學(xué)手段，提供了發(fā)生形變的游泳運(yùn)動(dòng)員模型周圍有關(guān)流體運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特征的完整時(shí)空信息。通過參數(shù)研究法，調(diào)查了踝關(guān)節(jié)柔韌性的改變與動(dòng)作頻率的變化的影響，結(jié)果表明：游泳運(yùn)動(dòng)員的凈流線型推進(jìn)力的產(chǎn)生與踝關(guān)節(jié)的柔韌性有一定關(guān)系，但更強(qiáng)烈地取決于動(dòng)作頻率。在研究過程中使用激光掃描，水下同步影像采集與仿真技術(shù)，如圖三、四、五。

通過借助動(dòng)畫模擬軟件對每一幀動(dòng)作的關(guān)節(jié)角度精確計(jì)算（如圖四），一個(gè)動(dòng)作周的結(jié)果和階段過程如圖五所示，動(dòng)作周期以屈膝下打開始，以伸膝上打結(jié)束；由于關(guān)節(jié)的非對稱性結(jié)構(gòu)，腿部動(dòng)作經(jīng)過了不對稱的上打與下打動(dòng)作，特別是膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的角度變化。而產(chǎn)生形狀阻力的身體橫截面積的變化則如圖六所示，這是十分重要的，因?yàn)閴翰钭枇εc橫截面積成一定比例。在屈膝下打結(jié)束時(shí)（tFE）的身體橫截面面積的峰值比伸膝上打結(jié)束時(shí)（tEF）的橫截面的峰值要大；橫截面積的最小值是在下打（tF）和上打（tE）的中間時(shí)刻出現(xiàn)這與2007年Nicolas，Bideau和Berton的研究報(bào)告一致。髖、膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征如圖七（a）所示；踝關(guān)節(jié)角度的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征如圖七（b）所示；髖膝關(guān)節(jié)角經(jīng)過近似正玄曲線的周期性環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，膝關(guān)節(jié)的動(dòng)作相位變化落后于髖關(guān)節(jié)的動(dòng)作相位，踝關(guān)節(jié)的動(dòng)作相位又落后于膝關(guān)節(jié)彎曲后的動(dòng)作相位；這些動(dòng)作過程的聯(lián)系與沿身長傳遞的波長相一致。（變量1：指一個(gè)動(dòng)作周期內(nèi)與錄像畫面相對應(yīng)的幀數(shù)；變量2：指將踝關(guān)節(jié)的最大趾屈角度減小大約15°；變量3：指與變量一相比，在伸膝上打結(jié)束時(shí)有一個(gè)延緩的快速輕打；變量4：進(jìn)一步將踝關(guān)節(jié)的最大趾屈角度減小大約25°）

2002年Arellano對19名國際級(jí)運(yùn)動(dòng)員的分析結(jié)果中得到膝關(guān)節(jié)平均彎曲的角度是1130，而最大彎曲角度是148°。[11]2014年，Tiago ，.Barbosa對巴西優(yōu)秀游泳運(yùn)動(dòng)員蒂亞戈佩雷拉的游進(jìn)中海豚式打水的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析分析中，主要對關(guān)節(jié)角度和關(guān)節(jié)的垂直位置進(jìn)行評價(jià)，總結(jié)出：佩雷拉的膝關(guān)節(jié)最大彎曲角度是112°，這與之前的研究結(jié)果非常吻合；此外，在手臂入水，下打結(jié)束時(shí)，佩雷拉的腳部、膝關(guān)節(jié)、臀部、肩部的水下垂直位置分別是0.49、0.40、0.16、0.21米，這說明他的身體位置與四肢垂直位置較高[12]

1.5出發(fā)和轉(zhuǎn)身后15米海豚式打水動(dòng)作次數(shù)Russell，ark曾經(jīng)對優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員比賽中的水下蝶泳打腿的次數(shù)進(jìn)行了分析，除得到表2統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)之外，他還對2012年美國奧運(yùn)選拔賽蝶泳項(xiàng)目的打水次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示，同時(shí)他還建議：“為提高蝶泳水下海豚式打水的技術(shù)效率，運(yùn)動(dòng)員水下海豚式打水技術(shù)的訓(xùn)練最好以奇數(shù)次進(jìn)行，例如13次、11次、9次、7次；2013年，在Scott Colby對優(yōu)秀青年游泳運(yùn)動(dòng)員（12-17歲）的研究中發(fā)現(xiàn)：男子運(yùn)動(dòng)員以流線型姿勢滑行5米的時(shí)間，按年齡遞減順序分布在2.3-3.1秒范圍內(nèi)，女子則按年齡遞減分布在2.7-2.8秒之內(nèi)；此外，還發(fā)現(xiàn)男運(yùn)動(dòng)員15米水下海豚式打水次數(shù)分布在6.1-6.9次之間，女子的次數(shù)則分布在7.1-7.3次之間。

表2、表3引自Russell，ark

2　蝶泳水下海豚式打水推進(jìn)力產(chǎn)生的原理與流體動(dòng)力學(xué)特征

2.1蝶泳水下海豚式打水推進(jìn)力產(chǎn)生的原理

蝶泳水下海豚式打水是當(dāng)身體完全浸沒在水下時(shí)（波浪阻力可以忽略不計(jì)），軀干水平伸展，手臂位置固定，腿部和軀干以對稱的方式做波浪打水動(dòng)作，身體產(chǎn)生位移的推進(jìn)力靠腿部和軀干的波動(dòng)或擺動(dòng)來維持的一種水下游進(jìn)方式。有越來越多關(guān)與各類力學(xué)仿真（仿真魚類或人）的研究表明：關(guān)于水下推進(jìn)力的產(chǎn)生原因，許多研究者用一個(gè)與卡門渦流自然分離現(xiàn)象相反的原理來解釋這些緊隨游泳運(yùn)動(dòng)員腳部后緣形成的渦流現(xiàn)象。這些漩渦使水產(chǎn)生水向后的反向運(yùn)動(dòng)，并有推動(dòng)運(yùn)動(dòng)員向前運(yùn)動(dòng)的趨勢（如圖十、十一所示）。

在海豚式打水的推進(jìn)力的產(chǎn)生過程中，當(dāng)雷諾數(shù)恒定，尾流產(chǎn)生時(shí)，可以看到兩排漩渦，它們的特征視身體浸水部分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（是相對固定，例如直線劃水；還是擺動(dòng)，例如如魚的尾部擺動(dòng)打水）而定。渦流區(qū)在某一具有阻力的物體邊緣產(chǎn)生，并形成一個(gè)錯(cuò)位交替的卡門漩渦區(qū)，如圖十二，其形成的原理如圖八和圖十所示。需要注意的是：上下波動(dòng)的尾部邊緣的尾流產(chǎn)生漩渦時(shí)，感覺上緊隨尾部的每個(gè)漩渦的方向（或順時(shí)針或逆時(shí)針）這與卡門漩渦自然分離的現(xiàn)象是相反的[17]；如圖十一。1972年Weihs D等認(rèn)為當(dāng)身體末端開始擺動(dòng)形成具有推進(jìn)力的渦流時(shí)，這個(gè)具有誘導(dǎo)性動(dòng)量的漩渦被定義“推力型”尾流。[13]

2.2蝶泳水下海豚式打水的流體動(dòng)力學(xué)特征

2.2.1人體流線型阻力特點(diǎn)

眾所周知，蝶泳是一種對游泳者的力量素質(zhì)和體能要求非常高的泳姿，也是很多人有興趣挑戰(zhàn)的游泳技術(shù)，在學(xué)會(huì)蝶泳技術(shù)之前，必須要了解水下海豚式打水技術(shù)。人們不禁會(huì)問，“為什么潛泳比水面游進(jìn)要快”，在仰泳、蝶泳、自由泳出發(fā)和轉(zhuǎn)身階段，蝶泳水下海豚式打水技術(shù)具有阻力小、產(chǎn)生推進(jìn)力大、動(dòng)作效果好的特點(diǎn)，并且能穩(wěn)定身體位置、協(xié)調(diào)蝶泳劃臂與身體波浪動(dòng)作。在2009年，，arinho計(jì)算出了水下滑行階段的阻值，研究結(jié)果表明：雖然每個(gè)運(yùn)動(dòng)員在水下滑行階段有著不同的流線型和阻力系數(shù)，將這些特征與普通生物力學(xué)相結(jié)合的話，可得出一個(gè)非常復(fù)雜的方程，但對運(yùn)動(dòng)員減小游進(jìn)阻力而言，在適當(dāng)范圍內(nèi)，水下海豚式打水的垂直深度越深越好，這是一個(gè)普適性較強(qiáng)的原則，因?yàn)樗掠芜M(jìn)的阻力系數(shù)隨深度的增加而降低，并最終穩(wěn)定在某一值后不再隨深度增加而發(fā)生顯著變化。表記錄了阻力系數(shù)和阻力值隨深度增加而減小的變化范圍，阻力曲線圖清晰地說明阻力效應(yīng)的遞減趨勢；在2.5至2.8米深處，阻力系數(shù)保持穩(wěn)定狀態(tài)。[14]

2.2.2蝶泳水下海豚式打水的流體的流場的特征

如前所述，在魚類擺動(dòng)尾鰭向前推進(jìn)時(shí)，使水產(chǎn)生了位移，并可以觀察到尾部的環(huán)狀渦流。在人類游進(jìn)的每次劃臂或打水中，每個(gè)漩渦都有著不同旋轉(zhuǎn)方向，或順時(shí)針，或逆時(shí)針。水下游進(jìn)的推進(jìn)效率與尾部推進(jìn)力的最主要的決定因素是緊隨尾部形成的渦流的排列方式。1981年RedondoJ，等指出：與經(jīng)典的螺旋漿推進(jìn)理論相比，尾部擺動(dòng)是產(chǎn)生推進(jìn)力最有效的方法。

2011年在R.C.Z.Cohen等[10]的研究中，通過對不同變量（包括四個(gè)踝關(guān)節(jié)柔韌性不同的變量、四個(gè)動(dòng)作頻率不同的變量、四個(gè)游進(jìn)速度的不同變量）研究得到了相關(guān)參數(shù)值的變化圖。十三、圖十四是在相同變量控制下地流場特征圖，圖十三是從不同視覺角度得到流場圖，紅顏色值的深淺表示流體的流速，藍(lán)色環(huán)狀渦流是由軀干發(fā)力后腿部上打與下打形成的錯(cuò)位交替流動(dòng)的漩渦，用漩渦顏色區(qū)分推進(jìn)型（帶紅色）還是阻力型（純藍(lán)色）渦流。圖十四是海豚式打水后交替產(chǎn)生的矢狀面內(nèi)的流體構(gòu)造圖，從紅色區(qū)域內(nèi)可以看出高速流動(dòng)的流體沿運(yùn)動(dòng)員的展向直接上下傳遞，也可以看出與運(yùn)動(dòng)員位移的相應(yīng)幀數(shù)內(nèi)的瞬時(shí)流線特征。

表1　不同身體姿勢的斯特勞哈爾數(shù)

表2　2012年奧運(yùn)會(huì)游泳比賽出發(fā)15米、轉(zhuǎn)身15米的水下打腿次數(shù)

表3　

表4　

2.2.3運(yùn)動(dòng)員海豚式打水仿真模型推進(jìn)力的變化過程

圖十五是打水動(dòng)作頻率固定為f=2.17赫茲時(shí)，變換踝關(guān)節(jié)角度（變量2、變量3、變量4的曲線圖）和游進(jìn)速度（U∞=1.5，/s、U∞=2.0，/s、U∞=2.5，/s）這兩個(gè)變量時(shí)，在兩個(gè)動(dòng)作周期內(nèi)的凈流向推進(jìn)力的曲線圖；阻力值的正負(fù)表示這一作用力的特點(diǎn)，阻力值大于0，表示具有推進(jìn)作用的力的變化，阻力值小于0表示具有阻力作用的力的變化；當(dāng)膝關(guān)節(jié)達(dá)到最大彎曲角度并轉(zhuǎn)入上打這一刻，因?yàn)樯眢w的橫截面積達(dá)到了峰值（如圖六），可能由于這一時(shí)刻阻力的增加，在凈流向力達(dá)到峰值前，凈流向力急劇降低；與伸膝上打一致，在開始伸膝上打后，推進(jìn)力有一個(gè)短暫的高峰時(shí)相，在動(dòng)作周期結(jié)束時(shí)（在伸膝上打結(jié)束前），當(dāng)腳背在最高點(diǎn)時(shí)，流向推進(jìn)力（Strea，wise Force）達(dá)到一個(gè)最小值的次值；最后，在屈膝下打階段（從上打結(jié)束轉(zhuǎn)入下打這一時(shí)刻到下打中間時(shí)刻），有一段時(shí)相較長、峰值較低的推進(jìn)力；在頻率一致的前提下，當(dāng)速度值從1.5，/s上升至2.5，/s時(shí)，凈流向推進(jìn)力因?yàn)樽枇υ龃蠖鴾p小。然而當(dāng)游進(jìn)速度改變時(shí)，力的變化的整體振幅并未改變，這表明海豚式打水動(dòng)作產(chǎn)生的推進(jìn)力對速度的改變并不敏感。但變換踝關(guān)節(jié)的角度對產(chǎn)生推進(jìn)力的峰值的頂點(diǎn)則有顯著性的影響，尤其是在伸膝上打的動(dòng)作過程中及動(dòng)作后。

圖十六是從每次仿真的最后三個(gè)打水動(dòng)作階段計(jì)算出地這些流向推進(jìn)力的平均值；可以看出，當(dāng)以中間速度游進(jìn)時(shí)，推進(jìn)力的平均值的彌散度比快速游進(jìn)和慢速游進(jìn)的平均值分布的彌散度要大，并且當(dāng)游進(jìn)速度加快時(shí)，平均推進(jìn)力因?yàn)樽枇υ龃蠓炊档停驗(yàn)檫@時(shí)阻力越來越大，而推進(jìn)力與速度則無關(guān)。

圖十七是變換打水頻率和游進(jìn)速度時(shí)的推進(jìn)力的曲線圖；盡管動(dòng)作頻率不同，但是力的時(shí)相變化圖卻十分類似，并且每個(gè)動(dòng)作階段的力的變化的過程差異不大；動(dòng)作頻率的變化對力的峰值有顯著性影響，頻率越高，力的峰值越大，頻率越低力的峰值越低。圖十五可以再次說明，增加游進(jìn)速度，推進(jìn)力的平均值因阻力增大而降低；圖十八說明：在速度恒定時(shí)，推進(jìn)力的振幅并未隨速度的變化而發(fā)生改變，但推進(jìn)力的平均值隨頻率增加而呈線性增加。

通過動(dòng)力學(xué)仿真，根據(jù)變量1的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征控制仿真運(yùn)動(dòng)員的打水動(dòng)作產(chǎn)生的推進(jìn)力與游進(jìn)速度后，在每個(gè)動(dòng)作周期中，當(dāng)推進(jìn)力與阻力保持平衡以后，仿真模型獲得一個(gè)短暫的瞬時(shí)速度相，圖十九是兩個(gè)動(dòng)作周期中推進(jìn)力的變化圖相和速度圖相。推進(jìn)力與速度保持平衡，所以，每個(gè)動(dòng)作周期的推進(jìn)力的平均值近似于0，推進(jìn)力的圖相與之前控制條件下的力的圖相類似。在開始伸膝上打階段，可以看到推進(jìn)力形成的峰值，并且要早于下打結(jié)束轉(zhuǎn)入上打及上打結(jié)束轉(zhuǎn)入下打這兩個(gè)時(shí)刻的阻力形成的峰值。屈膝下打的前半部分的流向推進(jìn)力是一個(gè)恒定的并接近中間值的常數(shù)，意味著這一動(dòng)作階段是海豚式式打水動(dòng)作周期中的準(zhǔn)備階段。

4　結(jié)論與建議

4.1結(jié)論

4.1.1當(dāng)打水動(dòng)作頻率和游進(jìn)速度恒定時(shí)，游泳運(yùn)動(dòng)員踝關(guān)節(jié)的柔韌性對水下海豚式打水技術(shù)的推進(jìn)力有著顯著地影響；

4.1.2當(dāng)游速與踝關(guān)節(jié)角度等因素恒定時(shí)，變換打水動(dòng)作頻率，推進(jìn)效率和游進(jìn)速度發(fā)生顯著性變化，當(dāng)頻率達(dá)到一定的幅度時(shí)，游進(jìn)速度保持較大的恒定值；

4.1.3海豚式打水技術(shù)的節(jié)奏與動(dòng)作幅度所產(chǎn)生的推進(jìn)力和阻力值因運(yùn)動(dòng)員的身長、身體的橫截面積及髖、膝、踝關(guān)節(jié)的彎曲角度及主動(dòng)發(fā)力程度而呈現(xiàn)出個(gè)性化的流體力學(xué)特征與技術(shù)特征，訓(xùn)練和比賽中需要對運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行技術(shù)診斷和監(jiān)控，對水下海豚式打水技術(shù)進(jìn)行精細(xì)雕刻，為應(yīng)的比賽創(chuàng)造有利條件

4.2建議

1.首先，在運(yùn)動(dòng)員保持良好的踝關(guān)節(jié)柔韌性的前提下，在設(shè)計(jì)個(gè)性化技術(shù)訓(xùn)練方案時(shí)，要考慮到運(yùn)動(dòng)員的力量水平、體能特點(diǎn)及主觀努力等因素的影響作用，訓(xùn)練中幫助運(yùn)動(dòng)員加深對蝶泳水下海豚式打水動(dòng)作結(jié)構(gòu)的理解和對游泳力學(xué)原理的認(rèn)識(shí)，并對其技術(shù)進(jìn)行精細(xì)雕刻，在減小阻力的同時(shí)提高推進(jìn)效率和游進(jìn)速度；

2.其次，許多有關(guān)蝶泳水下海豚式打水技術(shù)方面的研究均表明：水下海豚式打水動(dòng)作頻率是影響推進(jìn)效率和快速游進(jìn)的一個(gè)重要因素；因此訓(xùn)練實(shí)踐中，教練員與游泳技術(shù)保障人員要在利用好流體力學(xué)原理的同時(shí)，要對影響運(yùn)動(dòng)員打水技術(shù)效率的因素（包括運(yùn)動(dòng)員的斯特勞哈爾數(shù)和弗勞德效率）進(jìn)行準(zhǔn)確分析和評估；

3.第三，為形成連貫的、有推進(jìn)力的卡門渦流區(qū)，運(yùn)動(dòng)員必須調(diào)整他們打水的動(dòng)作幅度和頻率比，通常是通過適當(dāng)減小打水幅度、增大打水頻率來維持。

4.第四，在對運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行技術(shù)分析時(shí)，要運(yùn)用水下影像采集、速度傳感、力的傳感、CFD模擬等技術(shù)手段，并結(jié)合Dartfish/ Swi， ing Analysis/Si，i等運(yùn)動(dòng)技術(shù)解析軟件來協(xié)助運(yùn)動(dòng)員分析和改進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化技術(shù)效率，找到適合運(yùn)動(dòng)員保持水下快速游進(jìn)的最佳海豚式打水動(dòng)作頻率及運(yùn)動(dòng)員身長、動(dòng)作幅度與游進(jìn)速度三者之間的最佳配比。

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