какое свойство воды придает телу ощущение невесомости и плавучести
Проект ученический по физике «Вода в невесомости»
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Региональный этап Всероссийского детского
экологического форума «Зеленая планета 2014».
Конкурс школьных проектов «Эксперимент в космосе».
Проект «Вода в невесомости»
Автор: Яковлева Юлия Сергеевна, 2000 г.р.,ученица 7 класса
МКОУ «Кондинская СОШ»
Уникальность нашей планеты в том, что у нас не просто очень много воды, а в том, что она в жидком состоянии. Начав изучение физики в 7 классе, для меня открылся новый мир непознанного. Занимательные опыты с водой позволили наглядно изучить ее свойства, процессы.
Для всех жителей Земли не менее удивительным, странным явлением стала невесомость. Когда мы говорим о космосе, нам представляется холодное безвоздушное пространство. Бездонная глубина неба манила к себе людей. На разведку космоса отправился Ю.А. Гагарин. Именно он впервые ощутил состояние невесомости.
Обычные и повседневные элементарные бытовые вопросы в космосе, оказалось, решить намного сложнее, чем провести некоторые серьезные научные эксперименты. Например, просто попить «чайку» в космосе, не самая простая и легкая задача. Во-первых, для начала надо вскипятить воду, что в условиях невесомости уже не просто.
Как ведет себя вода в состоянии невесомости?
2. Цель: проверить в условиях МКС как ведет себя вода в состоянии невесомости.
— изучить материалы по данной проблеме;
— при помощи простейших приборов изучить свойства воды, исследовать явления в
— рассмотреть влияние невесомости на поведение воды и возможности проведения
3. Содержание эксперимента.
Совсем недавно, я прочитала книгу «Незнайка на Луне», из которой узнала о том, что в состоянии невесомости вода ведет себя иначе. Знайка рассказывает: « Всё было нормально, пока вода целиком наполняла бутылку. Но когда я половину воды выпил, начались странности: оставшаяся вода не держалась на дне бутылки и не собиралась в центре, а равномерно растекалась по стенкам, так что внутри бутылки образовался воздушный пузырь. Значит, вода притягивалась не к центру бутылки, а к ее стенкам. Это и понятно, так как притягивать друг друга могут лишь массы вещества, а пустота ничего притянуть к себе не может». Это лишь один из экспериментов, который предлагаю провести в МКС.
А как поведет себя вода, если бутылку открыть? Я слышала, что вода будет разлетаться в виде шариков? Интересно посмотреть! Причиной является поверхностное натяжение, стремясь создать наименьшую поверхность, придает им почти шарообразную форму.
На поверхности любой жидкости действуют силы поверхностного натяжения. Они возникают благодаря взаимному притяжению молекул, расположенных на поверхности, и молекул, находящихся в глубине жидкости. При этом создаются силы, которые стремятся уменьшить поверхность жидкости. В земных условиях можно провести серию интересных опытов, где наблюдается поверхностное натяжение:
а) бездонный стакан. В стакан, наполненный до краев водой, добавляют осторожно скрепки, монетки, иголки. Мы увидим, как поверхность воды в стакане начнет подниматься над краями и вздуется, как бы удерживаемая незримой пленкой;
б) плавающая игла. Тяжелые по сравнению с водой предметы, например иголка, могут лежать на поверхности воды.
Как проявляется поверхностное натяжение в космосе?
Герои Н. Носова пытались даже вскипятить воду в состоянии невесомости.
На Земле кипящая вода создает тысячи крошечных пузырьков пара. В космосе, наоборот, она производит один гигантский пузырь. И возникает вопрос: «Как вскипятить воду в невесомости?».
Оборудование: бутылка с водой, стакан с водой, широкий сосуд для воды, иголка, мелкие металлические предметы, электроплитка, чайник.
4. Ожидаемые результаты
После проведения опытов мы получим результаты, благодаря которым сможем ответить на поставленную проблему: «Как ведет себя вода в состоянии невесомости?»
При подготовке использовала учебную и художественную литературу. Изучив явление невесомости и свойства воды, я убедилась, что проблема «Вода в невесомости» стоит очень остро и имеет большое практическое значение. Вода – источник жизни. Без воды нет жизни. В состоянии невесомости необходимо учитывать сюрпризы, которые преподнесёт вода.
Н. Носов «Незнайка на Луне» МП «Уникум», 1993
В.С.Авдуевский, Л.В.Лесков «Работает невесомость» М «Молодая гвардия», 1987
А.В. Перышкин Физика 7класс, М «Просвещение», 2010
Глава 1 Вода – почти невесомость!
Вода – почти невесомость!
Из школьного курса физики мы знаем, что каждое тело обладает весом: чем больше масса, тем сильнее оно давит на опору. Происходит это благодаря земному притяжению. Именно под действием силы тяжести формируется скелет и мышечный аппарат не только во время роста, но и в течение всей жизни. Особенно влияние матушки-земли ощущается позвоночником: в детстве, под действием гравитации формируются изгибы (подробнее об этом вы можете прочесть в моей книге «Живая осанка»). С самого рождения каждый позвонок и каждый межпозвонковый диск притягивается к земле. Наша жизнь – это постоянная борьба с притяжением. В этом противостоянии тренируются и развиваются мышцы и кости, но одновременно изнашиваются подвижные сочленения – суставы и межпозвонковые диски. А в старости сила тяжести начинает «гнуть» даже кости: вспомните, как горбится спина, и ломаются кости пожилого человек с остеопорозом. Если посмотреть рентгеновские снимки позвоночника и суставов в возрасте старше 50 лет, то чем старше, тем явственнее можно заметить образование костных наростов, похожие на горные сталактиты или сталагмиты в подземной пещере, свисающие с одного позвонка на другой. Эти остеофиты, как мостики, соединяют соседние кости, делая их малоподвижными. Такие же костные разрастания можно обнаружить в области суставов рук и ног. Подобные процессы отражают нашу жизнь в поле тяготения земли.
Важнейшая часть лечения и профилактики любого заболевания позвоночника и суставов – это специализированная лечебная гимнастика. Об этом я подробно написал в своих книгах («Система умный позвоночник», «Изометрическая гимнастика доктора Борщенко», «Живая осанка», «Партерная гимнастика», «Растяжка для позвоночника»). Главные принципы этой гимнастики соответствуют древней врачебной заповеди – НЕ НАВРЕДИ! То есть занятия физическими упражнениями должны быть СБЕРЕГАЮЩИМИ! Наши упражнения должны сберечь то, что болезнь не успела отнять: сохранить связки, суставы, хрящи, кости. Известно, что артроз, остеохондроз разрушают связки, хрящи суставов и позвоночника, поэтому часто самые простые движения выполняются с болью: вспомните человека с плечелопаточным периартрозом – он с трудом поднимает руку, даже чтобы причесаться. И когда такому пациенту говорят «Разрабатывай плечо!», то нередко советчик с трудом представляет, какие сильные мучения испытывает больной. Он не только не способен самостоятельно поднять плечо, но и посторонний человек не может помочь ему – из-за болей в плечевом суставе.
И в то же время и пациент, и доктор понимают, что исцеление возможно только при использовании гимнастики. Выход один – использовать систему занятий, которая основана на сберегающих, щадящих принципах. Именно поэтому в своих книгах, таких как «Изометрическая гимнастика доктора Борщенко», «Партерная гимнастика», «Растяжка для позвоночника» я уделяю основное внимание именно такому сберегающему подходу. Эти системы помогают заниматься гимнастикой пациентам с болевыми синдромами в позвоночнике и суставах.
Однако на нашей планете имеется субстанция, которая обладает буквально волшебными свойствами. Мало того, что из воды созданы все живые организмы, но ей присуще еще одно уникальное качество – снижать действие силы тяжести. Организм человека более чем на 70 % состоит из воды, поэтому плотность нашего тела приближается собственно к воде. Если глубоко вдохнуть, то общая плотность тела будет меньше воды, и оно даже сможет самостоятельно всплыть. Именно этим пользуются большинство рыб: они имеют газовый пузырь, за счет чего могут свободно находится в любой точке водного пространства без затраты мышечных сил. То есть рыбы достигают состояния НЕВЕСОМОСТИ! Именно это свойство воды используют космонавты для тренировки в состоянии реальной невесомости на орбите. Космонавтов погружают в огромные бассейны, где они проводят по нескольку часов, привыкая двигаться в состоянии пониженной гравитации.
Пройти мимо такого уникального свойства воды никак невозможно! Поэтому и была написана эта книга о щадящей гимнастике для позвоночника и суставов в воде.
Итак, вода дает очевидные преимущества при занятиях гимнастикой: прежде всего, она облегчает многие движения. Как мы уже сказали, состояние почти невесомости в воде помогает выполнять те движения, которые на суше были бы невозможны из-за ослабления организма или болей. Поэтому водная гимнастика предназначена, прежде всего, для людей, имеющих болевые синдромы или ограничения.
Вода имеет определенную вязкость, поэтому при движениях она ограничивает резкие движения. Это другое преимущество, которое дарит нам тренировка в воде. Благодаря вязкости воды занимающийся обезопасит себя от необдуманного движения в определенном суставе или отделе позвоночника. Одновременно это свойство можно использовать и для повышения нагрузки, создавая дополнительное сопротивление. Например, движение рукой в воде с раскрытой ладонью выполнить сложнее, чем с сомкнутым кулаком. Таким способом можно повысить интенсивность тренировки.
Очень важная роль воды во время занятий – это действие на кожные покровы. Волны, возникающие при движении, воздействуют на кожу и, подобно массажу, рефлекторно положительно влияют на кровообращение в организме.
Позитивный заряд энергии, который получает человек от занятий в водной среде невозможно переоценить. Отличное настроение и запас бодрости после занятий в бассейне ощущает каждый!
Резюме:
Основная ежедневная нагрузка на суставы и позвоночник связана с силой тяжести
• Вода создает условия, близкие к невесомости, поэтому облегчает движения в больных суставах и позвоночнике
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Читайте также
ПОЧТИ ЧТО СУДЬБА
ПОЧТИ ЧТО СУДЬБА Бледного и светловолосого, его называли мальчиком из Чернобыля. Никогда раньше он не был в Италии, но слухи о футболе Прекрасной страны сопровождали его во снах в Конча-Заспе, тренировочной базе киевского «Динамо».Ему исполнилось чуть более пятнадцати
Параграф 33. Вода
Параграф 33. Вода Спортсмены, заботящиеся о поддержании своей формы, тщательно следят за поступлением в их организмы достаточного количества белка, углеводов и витаминов. Однако потребление воды зачастую остается бесконтрольным. Тем не менее необходимо учитывать, что мы
Вода и позвоночник
Вода и позвоночник Не только неестественная пища может стать причиной отложения цементирующих веществ в позвоночнике и суставах. Неорганический кальций, лишающий тело подвижности, есть и в воде, которую мы пьем. К сожалению, в любой питьевой воде присутствуют
Холодная вода
Холодная вода Хотя соревнования по триатлону, как правило, проводятся летом, это совсем не означает, что вы всегда будете плавать в теплой, как в бассейне, воде. Ее температура часто оказывается значительно ниже 24°. По правилам ITU, если температура воды не превышает 21° (для
Почти, но не все
Почти, но не все Существует великое множество интерпретаций систем тренинга – базовые, краткие, сокращенные и расписанные до мелочей. Словом, на любой вкус и на любые жизненные обстоятельства. В этой книге мною учтены почти все эти интерпретации. Отсюда совет: не
Вода Вода в палеодиете является одним из основных напитков, обойтись без которого просто невозможно. И действительно, если мы хотим сохранить здоровье и красоту, чистая вода нам просто необходима. Я не могу представить, что бы еще было так же важно, как вода. Наверное,
Вода Сасси
Вода Сасси Ингредиенты:вода — 2 л;имбирь (тертый) — 1 ч. л.;огурец — 1 шт.;лимон — 1 шт.;мята — 12 листиков.Огурец и лимон тщательно вымойте и тонко нарежьте кружочками. Положите все ингредиенты в кувшин и залейте водой. Дайте смеси настояться в течение ночи в
Вода Человек может обходиться без пищи гораздо дольше, чем мы думаем, – несколько недель, но без воды он быстро погибает. Наши тела на 70 % состоят из воды; она необходима для протекания почти всех процессов в нашем теле. При нормальных условиях мы выделяем более 3 л воды в
Глава 3. Алгоритмы цифровой Вселенной, белки, жиры, углеводы, вода
Глава 3. Алгоритмы цифровой Вселенной, белки, жиры, углеводы, вода Результаты, полученные в главе 2 сами по себе хороши, но они представляют собой следствие содержания в продуктах питательных веществ, т. е. белков, жиров и углеводов.Принято считать, что энергетическая
Глава 12 Соревнование (почти тренировка)
Глава 12 Соревнование (почти тренировка) Философа и врача-кардиолога доктора Джорджа Шихана, известного в США своим увлечением бегом, однажды спросили, в чем разница между любителем бега и бегуном. Его ответ был по-медицински краток: «В участии в соревнованиях».Немного
Какое свойство воды придает телу ощущение невесомости и плавучести
Все вокруг – медики, тренеры, журналисты и просто любители здорового образа жизни – говорят об уникальных свойствах воды и том, какую огромную пользу приносят водные занятия: «Вода – это эликсир молодости!», «Вода – это источник долголетия!», «Вода – это особая, редкостная стихия!», «Занятия в воде – вот то, что действительно полезно»… В чем же на практике уникальность воды и почему акватренировки пользуются такой популярностью?
Вода обладает свойствами, за счет которых выполнение физических упражнений в ней становится приятным, эффективным и безопасным средством поддержания превосходной физической формы. Например, в воде невозможно упасть, стукнуться коленкой, подвернуть ногу и натереть мозоль. Это, конечно, шутка, а на самом деле в водной среде на тело человека воздействуют три феноменальные силы, такие как выталкивание, сопротивление, гидростатическое давление, благодаря которым многие предпочитают тренироваться именно в воде. Хотите узнать, в чем же заключается их феноменальность? Хотя бы в том, что на суше такого не бывает.
При погружении в воду мы начинаем ощущать сдавленность. У некоторых людей это вызывает дискомфортное ощущение в груди. Но это не должно вас пугать. Таким образом проявляется воздействие на тело гидростатического давления. Благодаря этому давлению мышцы расслабляются, и человек чувствует себя бодрым и отдохнувшим после выхода из воды. Каким образом гидростатическое давление влияет на организм человека? Оно улучшает кровообращение, вследствие чего снижается частота пульса, активизирует работу почек и ведет к уменьшению количества избыточной жидкости в организме, стимулирует более полноценное снабжение печени молочной кислотой, что позволяет избежать болевых ощущений в мышцах после выполнения силовых упражнений, оказывает эффект массажа, что снижает мышечное напряжение и придает телу ощущение расслабленности. Скажите, разве можно получить сразу столько пользы, занимаясь на сухом берегу?
Еще одна сила, которая начинает проявляться при погружении в воду, – сила выталкивания. Вспомним физику. Известно, что в обычной среде на тело человека воздействует сила гравитации. Именно она позволяет нам всем ходить по земле, а не летать под облаками. Действие этой силы снижается при нахождении в воде. Подобные ощущения сравнимы лишь с чувством невесомости. Это свойство воды делает занятия аквафитнесом самым безопасным средством развития выносливости, силы и гибкости.
Гравитационное притяжение снижается по мере погружения тела в воду. И человек начинает испытывать на себе силу выталкивания, которая порождает чувство плавучести.
Известно, что при погружении до уровня груди сила гравитации снижается примерно на 80%. И что в итоге, какова польза подобного состояния? Результатом воздействия двух противодействующих сил является снижение нагрузки на суставы. Сила гравитации снижается, а сила выталкивания возрастает и создает опору телу.
Это означает, что можно развивать мышечную силу с наименьшей нагрузкой на суставы. На суше подобного эффекта добиться невозможно. Выполняя бег, прыжки, подскоки и подобного рода упражнения в обычной среде, мы только увеличиваем нагрузку на суставы и позвоночник, так как при приземлении на них обрушивается вес тела и таким образом создается ударное воздействие. При выполнении подобных упражнений в водной среде ударная нагрузка значительно снижается. Поэтому риск получения травмы сводится практически к нулю.
Подобное свойство воды делает занятия аквааэробикой не только оздоровительными и общеукрепляющими, но еще и лечебными. Они идеально подходят тем, кто нуждается в дополнительной опоре, например людям с избыточным весом, беременным женщинам или спортсменам, перенесшим травму. Если правильно использовать выталкивающую силу воды, то можно добиться значительного улучшения подвижности и гибкости суставов при незначительных мышечных усилиях. С другой стороны, сила выталкивания создает дополнительное сопротивление при выполнении движений в воде, и ее преодоление, наоборот, может быть использовано для развития выносливости и силы мышц.
И третья волшебная сила воды заключается в ее сопротивлении. Вода оказывает три типа сопротивления: лобовое, вихревое и вязкое. Каждое из этих сопротивлений по-разному воздействует на тело, и, находясь в воде, человек будет подвергаться одновременному воздействию всех трех типов.
Когда тело погружается в воду, на него начинает действовать сопротивление, в несколько раз превышающее сопротивление воздуха. Оно называется лобовым. Чтобы его преодолеть, необходимо прикладывать гораздо большие усилия, чем при выполнении тех же упражнений на суше. Поэтому скорость передвижения в воде не может быть высокой. Такое действие водной среды эффективно для развития мышечной и сердечно-сосудистой систем и требует больших энергетических затрат. Более того, чтобы передвигаться в воде со средней скоростью, необходимо выполнять упражнения с широкой амплитудой. Это означает, что в работе одновременно будут участвовать несколько мышечных групп, что способствует более равномерному развитию мышечной системы и улучшению осанки.
Когда тело начинает двигаться, увеличивается образование вихревых потоков, и возникает вихревое сопротивление воды, или турбулентность. Чем выше скорость передвижения, тем сильнее вихревое сопротивление. Оно затрудняет процессы передвижения и сохранения равновесия. Чтобы удержать баланс и совершить движение, необходимо сильно напрягать мышцы живота и совершать энергичные движения. Вихревое сопротивление также является естественным сопротивлением, которое позволяет привести мышцы в тонус. Вы можете увеличить нагрузку на мышцы, совершая быструю смену направлений, так как придется сильнее напрягать мышцы, чтобы удержать равновесие и преодолеть вихревое сопротивление воды.
Есть еще одно свойство воды – это вязкость. Чем выше вязкость, тем большее сопротивление будет оказывать вода. При увеличении температуры жидкости вязкость уменьшается. Поэтому в теплой воде совершать передвижение будет легче.
Спросите, для чего помнить эти премудрости о воде, которые изучают разве только в школе? Хотя бы для того, чтобы стало понятно, каким образом можно изменить степень нагрузки, занимаясь водными упражнениями, не имея под рукой никакого специального оборудования и без помощи инструктора по аквааэробике.
Повысить уровень нагрузки, занимаясь в воде, можно, используя исключительно свойства воды. Для этого нужно выполнять одно из предложенных действий:
• увеличивать амплитуду движений;
• использовать упражнения с частой и быстрой сменой направлений. Для того чтобы изменить направление движения, необходимо приложить дополнительные мышечные усилия, чтобы преодолеть вихревое сопротивление и удержать равновесие;
• овладевать гребковой техникой и использовать сопротивление воды. Существует множество гребковых движений, выполнять которые необходимо для удержания баланса. При занятиях водной гимнастикой в основном используется движение «восьмерка». Оно совершается кистями, и представляет собой вращение по дуге в виде цифры 8. Меняя положение пальцев рук и таким образом изменяя площадь поверхности работающих рук, можно увеличить или уменьшить сопротивление воды. Если держать кулаки сжатыми, нагрузка уменьшится, а если расположить кисти ковшиком, то нагрузка увеличится;
• совершать движения ногами и руками в противоположных направлениях. Разнонаправленные движения требуют дополнительных мышечных усилий для удержания равновесного положения;
• заниматься в прохладной воде.
Используя свойства воды, можно также снизить уровень нагрузки. Для этого нужно совершать действия, противоположные тем, которые перечислены выше. Конечно, указанные физические свойства воды – это только небольшая часть тех базовых знаний, которыми нужно владеть, если хочешь чувствовать себя, «как рыба в воде». Но вы же не собираетесь становиться специалистом по проблемам водного мира, ваша цель – всего лишь понять, что происходит в тот момент, когда вы начинаете двигаться в воде, и как регулировать водные потоки, чтобы по желанию в считаные секунды менять уровень нагрузки. Не сомневайтесь, теперь о воде вы знаете достаточно для того, чтобы успешно выполнить специальный комплекс для живота в бассейне.
Необычные проявления свойств воды в невесомости
Необычные физические свойства жидкостей проявляются не только в условиях научной лаборатории, но и в реальной жизни. Наблюдать удивительное поведение воды можно и на Земле, и в космосе. При этом не имеет особого значения, из какого источника взята вода: из колодца, скважины для воды, озера, реки или моря. Пробы воды, набранные из разных источников, будут отличаться химическим составом, а проявление физических качеств останутся неизменными.
Поведение воды при воздействии силы тяжести
На воду, как и на любую другую жидкость, налитую в какую-либо емкость, под влиянием земной гравитации действует сила притяжения, которая прижимает жидкость ко дну сосуда. В то же время присутствуют силы поверхностного натяжения, заставляющие воду занимать как можно меньший объем. Эти силы позволяют налить воды в сосуд чуть больше, чем позволяет его объем. Вода как будто собирается шапкой над краями стенок. Выливаться ей не дает сила поверхностного натяжения.
Действие этой силы можно наблюдать, когда положенная на поверхность воды иголка остается плавать. Еще одно проявление силы поверхностного натяжения проявляется, когда вода выливается из наклоненного сосуда: струя воды всегда принимает форму цилиндра. При наличии гравитации сила поверхностного натяжения и сила тяжести всегда уравновешены.
Вода на орбите
Все тела в космическом корабле, находящемся на орбите планеты, пребывают в состоянии невесомости. Поэтому на воду в салоне космического аппарата в большей степени начинает действовать сила поверхностного натяжения. Известно, что шар, как геометрическое тело, обладает наименьшей площадью поверхности при одинаковом с другими телами объеме. Следовательно, вода, вылитая из сосуда в условиях невесомости, соберется в шарики и будет плавать в воздухе, так как не имеет веса.
Кстати, вода, налитая в бутылку, также «плавает» в ней в виде множества шариков и капель, и заполнение бутылки водой полностью вызовет определенные затруднения: наливаемая вода будет вытеснять из бутылки воздух вместе с шариками воды. В бутылке останется только та вода, которая прилипнет к стенкам. Стоит отметить, что в салоне космического корабля отсутствует душ, потому что выливающаяся из душевой лейки вода, само собой разумеется, не вытечет в сливное отверстие, а будет разлетаться шариками по душевой кабине. Вместо душа в гигиенических целях космонавты используют влажные полотенца, ставшие прототипами всем известным влажным салфеткам.
А знаете ли вы.
Орбитальные станции «Салют» были оборудованы душем: вода в кабинку подавалась вместе со струей сжатого воздуха, а потом всасывалась как пылесосом в слив. Технология была признана нерентабельной из-за значительного расхода воды, и современную МКС душевыми кабинками не оснастили.
Какое свойство воды придает телу ощущение невесомости и плавучести
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,
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.
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.
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.
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.
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.
Соотношение вклада лобового сопротивления и подъемной силы в продвижение в заданном направлении зависит от нескольких факторов:
г) направления результирующей силы;
д) ориентацией пары кисть–предплечье в трехмерном пространстве;
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.
— 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.
Сила лобового сопротивления является доминирующей при создании продвигающей силы при плаванием кролем на груди, на спине и баттерфляем.
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;
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.
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 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.
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:
— поперечные и любые другие движения, отклоняющие тело от горизонтального положения;
— неравномерное продвижение пловца («рывки») также создает волны.
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.