【游泳 的 水阻分析】Part 1 基礎篇 水阻的定義

會想寫這篇文章是今年一月時游泳多多在全球最大科學期刊The Royal Society,看到一篇游泳論文的發表,主要是討論游泳選手之間的水流交互作用,但這篇論文也仔細的分析了游泳選手在游泳時與水的交互作用力有那些?是一篇有廣泛討論游泳時所遇到的各種力量,包括各種型態的水阻與作用力,並證明是否存在最佳Wave Riding??相關文章游泳多多整理後將分兩次發表,相關內容請參閱下面說明。

 

這篇文章簡單講應該是解答每位游泳選手心中一個長久的疑惑。游泳訓練時帶頭的人是不是比較累?練習時當跟隨者是不是比較省力?當然游泳多多要提省所有選手的事情是,最優秀的選手練習時應該都是游第一位….

 

但身為一位游泳選手還是要了解游泳時,你與水之間有那些相互作用力?這些力量如何產生??對游泳的影響的力道大小為何?? 其實這些疑問,這篇論文都有做歸納與整理,所以游泳多多會先從游泳時會與水產生何種作用力(水阻)的基本相關理論先做說明

 

 

游泳時產生的水阻有那些??

 

對於一個競技游泳選手而言,阻力是影響游泳績效的最重要因素之一。關於降低阻力在過去50年來游泳運動科學上的研究,多是聚焦在游泳選手的身體姿勢形態游泳技巧、以及泳衣的技術。這主要也與游泳時會產生三個最主要的阻力有關,這三個阻力分別為:

 

1.前進時推出波浪時產生的波浪阻力 = Rw

 

2.流體黏度產生的體表皮膚摩擦阻力 = Rf

 

3.排開邊界層的水流產生的壓差阻力 = Rp

 

所以游泳時產生的總阻力(Rt)為

Rt (總阻力)  = Rw + Rf + Rp

 

而游泳時產生的三種阻力與特性簡單介紹如下:

 

 

波浪阻力( Rw )  Wave Drag

 

波浪阻力是游泳時產生的三種阻力中最大的阻力,通常會佔到游泳總阻力的50~60%,所以在近代游泳相關技術的演進,都是以降低波浪阻力為目的,但游泳時產生的波浪有幾種特性,由於波浪的顯著物理特性是分散性; 也就是說當你看到一位選手游泳時產生的波浪越長,代表他的移動得越快。而通常游泳時製造的波浪所產生的大部分能量通過頭與身體到腳最後傳遞給水。簡單地說,這兩個波系統,即頭與手破水的船首波和最後經身體到腳傳遞給水的船尾波,彼此相互作用,產生的波浪是造成阻力的原因。

 

游泳時產生的波浪是游泳時最主要的阻力來源

 

波浪阻力有一個非常重要的物理特性,也是近幾年游泳技術上大幅演變的重要原因,也就是當一個游泳者全身在水深0.6公尺以下前進時,將不會有明顯的波浪阻力,也就是說當一位游泳選手在水深0.6公尺下前進時的總阻力將只有在水面游泳前進時產生總阻力的50~40%(少了50~60%阻力)這也是為何水下蝶腿會比在水面上游泳快的重要原因,因為這個游泳技巧沒有波浪阻力。

 

水下蝶腿的前進方式因為沒有波浪阻力,將較水面游泳少50~60%的水阻

 

所以這代表了任何游泳技術若可以最小化波浪阻力,將可以顯著地降低總阻力,進而提升游泳選手的績效。

 

 

 

摩擦阻力( Rf )  Skin-Friction Drag

 

游泳時水液由於有沾黏度產生與人體表皮膚摩擦的阻力叫摩擦阻力Rf,而在流體力學中計算水的摩擦阻力有一個重要參數叫雷諾數(Reynolds number),當雷諾數較小時,水的黏滯力對人的影響大於前進的慣性力;反之,若雷諾數較大時,前進的慣性力影響大於水的黏滯力,根據2002年Toussaint及Koeltzsch等人論文的研究,游泳時將產生的大於105的高雷諾數,所以體表皮膚與水的摩擦阻力相對游泳總阻力的占比最多僅有5%

 

所以大家花錢買的競賽型泳裝,在降低與水的摩擦阻力,頂多只能降低5%的總阻力,但為何2009年鯊魚裝為何可以讓眾多選手輕易打破39個世界記錄??其實還有一個很重要的原因是 「浮力」 ,鯊魚裝根據分析,最多可以讓游泳選手多產生最多20%的浮力,而後來FINA重新制定規則後,新的競賽型泳裝在浮力的效果被有效減低,但競賽型泳裝還是較一般泳裝有額外的「浮力」

 

競賽型泳裝能降低的摩擦阻力Rf 頂多只有5%,但它能產生額外的浮力

 

 

 

壓差阻力 ( Rp)  Pressure Drag

 

壓差阻力是游泳的第二大阻力,通常在水面游泳時佔總阻力的35~45%,就是當游泳選手在游泳前進時,游泳前進時與前方水流產生的壓力差阻力,這用下圖來解釋大家會比較清楚,見下圖的球體,假設球體是游泳選手,當他前進時,前方水流與游泳選手會產生一個橫截面的作用力,也是下圖中黑線的「壓差阻力的合力」,所以當游泳選手在水面上游泳時,壓差阻力會較小,當全身都在水底時壓差阻力會較大,不過游泳者通常在水面游泳時,全身在水裡的比率不會比在水面下潛行相差太大,所以壓差阻力雖然有差,但差距並不如波浪阻力的差距大,這也是水下蝶腿前進速度快的原因。

 

壓差阻力 ( Rp)  Pressure Drag做用圖解

 

雖然壓差阻力是游泳的第二大阻力,但它也是最難降低的阻力,主要就是降低身體與水面壓差作用的截面積,這也是一般訓練時,我們要求游泳選手轉身蹬牆時,要雙臂夾緊耳後,降低與水作用的截面積原因,主要也是為了降低壓差阻力。

 

 

 

所以根據上面的三種阻力說明,各位粉絲應該對游泳時所產生的主要三種阻力有一定的了解,所以下次Part 2部份,游泳多多將更深入說明,當游泳選手彼此競爭時,彼此間產生的作用力為何? 追隨者與領先者之間的交互作用力是否有傳說中的 Wave Riding(騎浪) 效應出現?

 

後言 :

 

這篇文章應該是這三年來游泳多多寫過最難寫的文章,也準備了快五個月,最後也決定分上下兩部份來發表,也還好有貴人相助,方能把這篇文章整理出來給各位粉絲閱讀,在此感謝竹科半導體工程師Jonathan Chang的鼎力協助,他是游泳多多粉絲與游泳選手的爸爸,他讓這篇艱澀充滿數學方程式的論文可以簡單化讓大家了解!! 游泳多多在此表達對他的謝意!!

 

Jonathan Chang

 

 

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