游泳｜力学参数的测量及应用

提高游速不外乎两个途径，一是减少身体的阻力，二是提高划水打腿的效率。研究表明，人游进时，百分之八十以上的能量都用于克服自身的阻力了，仅有不到百分之二十用于前进的推进。人的划水推进能力有差别，但身体阻力的差别更大，所以应该从两方面去挖掘潜力。这就需要对游泳者身体各部的阻力情况有一个清晰的了解。

一、主动阻力测量

主动阻力是指游进中的阻力， 定义为运动员主动阻力系数与速度平方之积（F = d x V^2）。 由于游进中运动员的阻力系数在被动阻力系数的基准上有小幅度的变化， 所以要说明运动员划水打腿的动作是否合理， 相对不打腿划水时的被动阻力增加了多少， 就需要对游进中的阻力， 即主动阻力进行测量。

图1 主动阻力测量设备

主动阻力测量系统（Measurement of Active Drag system）简称MAD-system， 由压力传导系统和压力数据处理系统组成。 在泳池的一端安有一压力传感器， 压力来自于水中一根长长的铝杆， 铝杆上有若干个把柄， 把柄距离水面0.8米。 把柄的间隔可调， 一般设为运动员的划幅。 运动员腿夹浮板， 依爬泳划动， 每步的推力作用于把柄上， 通过铝杆将压力传给传感器； 压力信 通过A/D转换被记录于终端， 终端则给出各个速度时的主动阻力数据， 经数学处理拟合出指数曲线， 并给出倒推方程。

图2 泳员进行爬泳的主动阻力测量

虽然我们改变不了速度与阻力的指数关系，但阻力系数是可以改善的，即我们可以通过改变自己的体位， 泳姿， 划频，乃至泳装来减小自身的阻力。 图1-3为德布鲁茵的主动阻力测量结果， 她的大红点以上的圈圈点点， 都是荷兰顶级的女选手的测试结果。由图可见，虽然她的速度指数与其他选手的相差不大， 但阻力系数很低，仅有16.45，而其他女选手的平均阻力系数为22， 男选手为27。这就是德布鲁茵成绩突出的主要原因，差距一目了然。

图3 德布鲁茵（红色圆点）及荷兰其他女选手（各色方圆圈）的主动阻力测量结果

除了对运动员的主动阻力测量外， MAD-system对增加划步长度还有帮助。 常规[拉划步]只须伸到最远， 推到最后， 究竟每步多长， 只有到终点计算。 由MAD-system演变出来的， 专门用于拉划步和推力训练的POP-system（Push of Pad）的每步的长度是可以事先设定好的， 若每天用一定时间从事这种适合自己的， 但又是逐渐加长的划步训练， 要比单纯地[拉划步]有效。现代游泳提倡手要像锚一样牢牢地扎在水里， 划水路线要近于直线； POP-system不但可以让选手体验推一堵墙的感觉，还可以校正划水路线， 训练身体各部的协调配合， 德布鲁因和霍根班德均为受益之人。

图4 用于拉划步和校准划水路线的POP-system

二、被动阻力测量

被动阻力(Passive drag)是指滑行中的阻力， 其定义与主动阻力相同， 但要比主动阻力略小， 它是衡量运动员流线型的定量标准， 也是选拔培养对象， 预测成绩的重要参考数据。

被动阻力测量系统又称牵引系统（Towing system）或滑轮系统（Pulley system）。 它由一台直流马达作为牵引动力源， 速度由终端设定， 可以从0-3.2M/S连续调节； 牵引力则由传感器获取， 并由终端监测记录。 牵引绳由滑轮导入不同的待测水下深度， 被测泳员依卧姿， 双手前伸抓住绳子滑行。 除上述测量外， 被动阻力测量系统还可以测量四种泳姿的腿部附加阻力， 与主动阻力的测量结果形成互补， 对运动员进行综合评估。

图5 被动阻力测量设备

被动阻力测量系统最早由前苏联采用， 并专门用于[高速牵引]；之后美澳开始效仿， 并加入了新的信息技术。 [高速牵引]的目的， 是为了通过[放大阻力]来培养选手们的水感， 这是因为速度快了，阻力才能被放大，身体感受水的压力才会更加明显；就好比把手伸到飞驰的汽车窗外才知道，哪个角度时手的阻力是最大的，才能发现并克服低速时不大容易发现的细微阻力。这就是用远高于正常游速的牵引机，将运动员在水里拖来拖去的理论依据。尤其大赛前的选手， 都应该经过长时间的牵引训练。

表1是澳洲31位男选手在不同深度牵引时的阻力数据。可以看出，速度越快则阻力越大；而水表面的阻力最大。世界定级男选手转身蹬离的速度为2.7米/秒，且为瞬间的速度；而表中的牵引速度在2.2—3.1米/秒，远远超过了人类的最快游速，其体验是常规训练无法替代的。

表1 不同深度的被动阻力测量结果

三、划水效率测量

测量手的划水效率可以挖掘选手的潜力， 也可发现高手的秘诀， 一般利用[微型压力传感器]来记录泳员手上的压力变化。首先在手上安装若干个微型压力传感器， 并对手掌的面积进行测量；用手掌的面积乘以传感器上的压强， 则为手掌获得的总压力。微型压力传感器的信 由终端显示，之前要经过信 扫描， 压力转换， 以及A/D转换处理。该系统由美国游泳技术研究所的Havriluk博士研制。

图6 利用微型压力传感器测量泳员的划水效率

由于水的不可压缩性， 人在水中身体前后受到的压力是相等的；其大小仅与水的深度有关， 基本属于[静态常压]。 而各式泳姿的目的，就是在身体前后制造出压力的差异， 使人朝向压力低的一方游进。静态时手心手背的压力是相等的， 划水时手心的压力会大于手背的，将手心的减去手背上的压力， 就是该手获得的推进力。 依此压力差值， 即可判定手的划水效率， 包括压力的绝对大小、推进力作用的时间、 及总的能量付出。

图7 划水效率测量系统记录下的蛙泳选手左-右手的划水效率

四、SwimDrag系统

SwimDrag系统能够对四种泳姿的游泳力学参数进行综合测量， 它由三种适合不同游速级别的流体力学载体和一套计算用软件包组成。 运动员只需系上适合自己速度的载体，在水中全力冲刺， 并与标准池的正常游进（无载体）的速度进行比较，计算出两次测试的平均速度，在两次游进的能量输出为最大且为常数的假设下，主动阻力就可以根据能量等于力乘以速度（P=F*V）来推导出来。

图8 SwimDrag力学参数测量系统

全部测试结果可以在5分钟内获得， 包括最高速度， 主动阻力， 流体力学系数， 总能量付出等。 任何教练员都可轻松地获取这些数据， 而不需要更多的技能。

表2 俄罗斯男子爬泳选手在1991年的SWIMDRAG测试记录

这套系统由俄罗斯国家游泳队的首席科学家Sergei Kolmogorov博士设计， 他是位生物力学、 生理极限、 和流体力学方面的专家， 曾参与了波波夫， 潘克拉托夫等知名选手的训练工作。美、 澳、 俄、 荷等国的游泳研究机构十年来一直在使用。

五、结束语

医生的医生是病理学家， 教练的教练则应该是生物力学和生理学方面的专家。 教练能教会我们如何游泳， 甚至能引导我们怎样游得更快， 但是为什么会快的问题， 往往要由生物力学及流体力学来回答， 就像病理学家要通过病理试验， 从细胞的层面来解释得病的原因那样。