但是,这个问题还远不至此。许多科学家强调:我们人类在水中游泳、F-15在天上飞行和摩托艇在水中破浪前进都是同一个原理,可是水介质对我们游泳的影响真是太大了,足于使我们对游泳感到难以思议。
流体动力学告诉我们:游泳运动取决于二个基本因素∶我们施加的推进力和我们遭遇到的阻力或者是障碍力。不管我们如何使自己保持身体的流线型,阻力都是难以克服的。这就是说全凭力气游泳并不会使你成为游泳好手,然而知道一些物理知识迟早会派上用场的。
奥运会最好的游泳选手在游四种竞技泳姿中最快和效率最高的爬泳或者是自由泳时,仅有9%的能量使身体前进,(按照平均速度和效率划分,其次是蝶泳、仰泳和蛙泳),然而对我们其余的大部分人来说,要用差不多98%的能量去克服水的阻力。
阻力是使游泳效率低得惊人的主要原因,由于我们在水中移动时的身体形状造成了形状阻力,这种形状阻力很大程度地减少了我们前进的动量。当我们前进时,水就会在我们头前形成水压,同时,我们身后也会生成较大的压力小得多的湍流区。这种压力的不平衡会产生一种力,使水从高压区流向低压区,并试图向后推动我们。形状阻力是以速度的平方指数增加的,并且关键性地取决于活动物体前端截面面积的大小。
这就是舟艇设计者为什么把赛艇船体造成长而窄而不是粗而短的原因。并且也帮助人们解释了为什么许多世界上游得最快的游泳选手,看上去更像职业篮球运动员,而不是举重运动员。
美国游泳健将马特.比昂迪和俄罗斯游泳健将亚历山大.波波夫就是很完美的例子,他们是100米自由泳奥运会金牌获得者和世界纪录保持者,他们身材清瘦,身高分别是6英尺7英寸和6英尺6英寸。为了使形状阻力降低到最小程度,竞技游泳选手在水中都更注重向下按压躯干,同时抬高臀部,这会弥补上身原有浮力的不足,使他们以水平的而不是腿从水面下垂倾斜的身体姿势游泳,以便减少迎面或者前端截面的阻力。
许多优秀的自由泳和仰泳选手还掌握了身体从一侧转动到另一侧的游泳技术,每次划水时提肩出水,使身体形成较窄的轮廓,并且尽量前伸,由此增加身体长度,尽可能使身体细长并更有效率地滑行。(如果你划过二种形状相似但长度不同的爱斯基摩独木舟的话,你也许会注意到较长的独木舟尽管很重排水量很大,但每次划浆时都能滑行得更远。)
此外,身体从一侧转动到另一侧会产生一种扭力,在游进方向加上旋转向量,这有助于推进游泳者前进,象一枚螺丝钉被拧进木头一样,并允许他们像使用手臂和腿一样,使用髋部和躯干的肌肉群。
竞技游泳选手还设法使物体在水中移动时的"粘性"——摩擦阻力减到最低程度,一件松松垮垮的泳装或者过长的体毛会使体表粗糙增加摩擦阻力,所以许多游泳选手都穿紧身大小相称的泳衣,并往往在大赛前刮除体毛。
制造波浪就是制造最有害的阻力形式——波浪阻力。不像形状阻力是扯我们的后腿,而波浪阻力就在我们前面产生的高压区排斥我们。当我们游泳时,水花飞溅或者在水里做任何一种动作都会产生波浪。
在游泳池里推进得越快,我们头前生成的波浪就越大,就会形成一堵水墙限制我们的前进,波浪阻力不同于其它大多数流体阻力形式以速度的平方指数来增加,它是以速度的立方指数来增加的,因而在水中当你速度加倍时,波浪阻力的减速力就会增加八倍。
特德.伊莎贝尔是一位专业工程师,也是加州奥克斯纳市河间岛水上运动俱乐部的游泳教练,他说:许多顶尖游泳选手发现,他们转身后立即在水下打腿可以更快地游进相当长的距离(而不是很快地上升到水面游),这是因为水下消除了大部分波浪阻力。
伊莎贝尔认为,与在水面有明显优势的高瘦的竞赛选手相比,矮壮的竞赛选手在水下两腿并拢进行海豚式打腿做波浪动作,也许他们矮小的体表面积可能更占优势。他说:因为在水下移动的物体主要是受摩擦阻力的影响,所以减小物体的表面积就能减少所遇到的阻力,因为短小粗矮的物体与高大细长的物体相比表面积较少,所以船舶设计师把潜水艇设计成矮短粗圆的外形,而把水面船舶设计成高大细长的外形。
影响波浪阻力的另一个因素是一个物体在水面移动时的流畅程度,因为波浪也能携带能量,所以游泳者在水中做任何不平稳的或是多余的动作而产生的波浪都说明是能量的损耗。这就是为什么一个肌肉发达的小伙子在相邻的泳道中游泳时,手臂象风车一样抡圆了划水想加快速度,但前进速度似乎并不像他应该游得那么快的原因。
事实上,在1996年奥运会上,科学家们在研究运动员比赛时,发现用较少划次完成每趟赛程的游泳选手实际上是很可能赢得比赛的人。当前100米自由泳世界纪录保持者波波夫就非常注重保持完美的身体形状,训练时似乎从不快游,将游完每池长的划次减到最少。
因而他把形状阻力和波浪阻力都降低到了最低程度,这对提高比赛速度会越来越重要。他的教练吉纳迪.图列斯基根据流体力学的基本原理和对鱼游泳进行观察的方法作为他的非传统的训练方式,图列斯基说,鱼及其它动物都是以每个动作越过更长的距离来提高速度的,而不是提高动作的速率。在1992年奥运会上,当波波夫在50米自由泳比赛中击败比昂迪赢得第一枚奥运会金牌时,与比昂迪游完全程用了 36下划次相比,他用了33下划次。
泰利.拉夫林是完全水中游泳俱乐部的创办人和主任,本部设在纽约州新帕尔茨市,该俱乐部的教学计划是边游泳边改进,他告诉游泳者们说,计算划次最终会使他们学会消除不必要的动作并使效率最佳化。
“计算划次很重要,因为它是你如何使用能量的最明确的标记。”他说。“在游泳竞赛中,大约只有2%的人本能地用长划幅划臂,对我们其余的人来讲,有影响力的本能且告诉我们划得快才能游得快。 波波夫及其他顶尖游泳选手们可以毫不费力地划臂七到八次就能游过25码长的距离,”拉夫林说。“我在当地的基督教青年会游泳时,无论什么时候数划次,平均划频都是25下或者