沈貴慶

(西北農(nóng)林科技大學(xué)體育部, 陜西 楊凌 712100)

0 前 言

2008年北京奧運(yùn)會(huì)上，美國(guó)游泳隊(duì)在比賽中取得了優(yōu)異的成績(jī)，菲爾普斯個(gè)人連得了8枚游泳金牌.賽后，記者問(wèn)他是否有什么取勝的秘訣，菲爾普斯笑著透露：“我的教練一再囑咐我，一定要注意轉(zhuǎn)身后的水下打腿技術(shù)，這招果然靈驗(yàn)！要知道，無(wú)論是自由泳、蝶泳還有混合泳，都有水下打腿的技術(shù)！”.水下蝶泳打腿技術(shù)，即Underwater Undulatory Swimming，簡(jiǎn)稱UUS，是一套非常有效的游泳技術(shù).接受水下蝶泳打腿技術(shù)訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)員要比那些沒(méi)有采取此項(xiàng)技術(shù)訓(xùn)練的選手在出發(fā)和轉(zhuǎn)身階段所花費(fèi)的時(shí)間更少.UUS技術(shù)在水中表現(xiàn)為正向、反向、側(cè)向的蝶泳打腿，同時(shí)也包括在泳姿轉(zhuǎn)換時(shí)的運(yùn)用. 目前，美國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)的研究和應(yīng)用上處于領(lǐng)先地位，這是他們?cè)谟斡窘绲耐怀鰞?yōu)勢(shì).中國(guó)在UUS技術(shù)的應(yīng)用上還有待進(jìn)一步學(xué)習(xí)和提高.

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

水下蝶泳打腿技術(shù)的流體力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等特征.

1.2 研究方法

本文主要運(yùn)用個(gè)案研究法(對(duì)菲爾普斯的分析)、跨學(xué)科研究法(生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)等)和系統(tǒng)科學(xué)法(將所有資料和方法作為一個(gè)系統(tǒng))，對(duì)水下蝶泳打腿技術(shù)進(jìn)行了分析.

2 游泳流體力學(xué)分析

2.1 游泳與波浪阻力

游泳運(yùn)動(dòng)員的水下蝶泳打腿技術(shù)是指沒(méi)有借助自身的手臂動(dòng)作獲得推進(jìn)力卻在水下可以進(jìn)行較長(zhǎng)距離的游進(jìn)，而在水面上游進(jìn)時(shí)因身體有上下起伏產(chǎn)生了較大的波浪阻力，因此較水下游進(jìn)距離短，那么應(yīng)該怎樣解釋水下蝶泳打腿技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)呢?

Videler 于1993年提出在水面游泳時(shí)由于波浪的產(chǎn)生而導(dǎo)致附加阻力的增加，流線型的身體在接觸空氣和水的界面時(shí)所遇到的阻力和相同情況在水下的阻力比較，后者所遇到的阻力比相同的身體在3倍于他的寬度或身體橫截面的深度時(shí)的阻力要多5倍多.他認(rèn)為小波浪的產(chǎn)生和速度與身體的長(zhǎng)度有關(guān)，速度越低、身體越長(zhǎng)，損失的能量就越小.把這個(gè)理論運(yùn)用到游泳中就可以得出如下結(jié)論：個(gè)子高的游泳者比身高矮的在很大意義上是有優(yōu)勢(shì)的，在游進(jìn)時(shí)可以減少粘附在身體上的水的質(zhì)量，從而克服了這部分水的重力.Vorontsov給出了一個(gè)方程，從而發(fā)現(xiàn)了身體滑動(dòng)或游進(jìn)時(shí)的最小深度，即在此深度上水面上沒(méi)有波浪產(chǎn)生：h=v/2g·c，這里h表示身體滑動(dòng)或游進(jìn)時(shí)的最小深度，v表示身體速度，g表示重力加速度，c是一個(gè)無(wú)量綱的波動(dòng)系數(shù).研究表明深度在0.3～0.7 m的地方波浪阻力可以忽略不計(jì)，因?yàn)槌霭l(fā)和轉(zhuǎn)身之后的滑行速度比比賽的平均速度要高，同時(shí)在水面下滑行時(shí)不產(chǎn)生波浪，因此僅僅通過(guò)打腿就可以達(dá)到和保持高速滑行速度，從而對(duì)整個(gè)游泳是很有利的.

Lyttlle通過(guò)使用牽引機(jī)器在不同滑行速度和深度上來(lái)測(cè)量靜態(tài)阻力.研究結(jié)果表明在水深為0.4 m和0.6 m游進(jìn)時(shí)阻力比在水面上滑行時(shí)減少了10%～20%，而在水深0.2 m滑行時(shí)其阻力會(huì)減少7%～14%.當(dāng)把蹬腿動(dòng)作作為一個(gè)新的因素引入到阻力測(cè)量過(guò)程中時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)游泳者作蹬腿動(dòng)作并以1.6 m/s或1.9 m/s被牽引時(shí)總的身體阻力會(huì)減少，而當(dāng)測(cè)試者以2.2～2.5 m/s被牽引時(shí)并沒(méi)有明顯的差別.但是當(dāng)測(cè)試者以3.1 m/s被牽引且身體呈流線型無(wú)蹬腿動(dòng)作時(shí)，身體阻力減小.

Cossor發(fā)現(xiàn)2000年奧運(yùn)會(huì)上男子100 m蝶泳、 100 m仰泳、100 m自由泳和200 m蝶泳的決賽選手15 m出水時(shí)間和水下游進(jìn)距離呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系.女子100 m仰泳、200 m蝶泳、200 m蛙泳和200 m自由泳決賽也呈現(xiàn)同樣的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明出發(fā)后的水下游進(jìn)距離對(duì)比賽出發(fā)時(shí)間有很大的影響.

Mason分析了轉(zhuǎn)身時(shí)間的影響.他發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)身動(dòng)作最重要的方面就是水下階段，其中包括蹬離池壁階段.對(duì)于男女運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，水下游進(jìn)距離與時(shí)間對(duì)于整個(gè)轉(zhuǎn)身時(shí)間都有很大的關(guān)系.在水下游進(jìn)距離越長(zhǎng)、時(shí)間越長(zhǎng)，整個(gè)轉(zhuǎn)身階段成績(jī)耗時(shí)越少.

Toussaint發(fā)現(xiàn)，水面上的游進(jìn)速度受到水面波浪形式的限制，而正是其導(dǎo)致了波浪阻力.當(dāng)一個(gè)游泳者在水面游泳時(shí)，水被劈開(kāi)一條游進(jìn)路線，由于在游泳者身邊水流速度的不同而產(chǎn)生了壓力，從而導(dǎo)致波浪的產(chǎn)生.當(dāng)速度增加時(shí)，產(chǎn)生的弓形波浪的大小和慣性都會(huì)增大，導(dǎo)致波浪不能迅速散去，從而阻礙了游泳者速度的提高.

2.2 游泳的動(dòng)力學(xué)分析

幾乎各種大小的水生動(dòng)物最有效的游泳運(yùn)動(dòng)從頭到尾都有一種橫波，當(dāng)身體產(chǎn)生波運(yùn)動(dòng)和向前的動(dòng)力時(shí)，推進(jìn)力把水向后推，并保持總能量守恒，方向和運(yùn)動(dòng)方向相反，與此同時(shí)由于橫波包圍著身體，身體的摩擦力引起了液體向前的動(dòng)量.由于粘滯性阻力，液體推開(kāi)身體向后的流射可以與動(dòng)量平衡.當(dāng)一個(gè)軀體以一定的速度向前游時(shí)，向前和向后的動(dòng)量是完全平衡的，不過(guò)它們?nèi)匀豢梢詥为?dú)計(jì)算.

當(dāng)一條魚(yú)波動(dòng)游泳時(shí)，產(chǎn)生的波非常特殊，它的形式是一系列改變旋轉(zhuǎn)方向的漩渦.當(dāng)魚(yú)的尾巴擺到一邊時(shí)，產(chǎn)生順時(shí)針?shù)鰷u，擺到另一邊時(shí)又產(chǎn)生逆時(shí)針?shù)鰷u.而波動(dòng)游泳中每個(gè)產(chǎn)生推進(jìn)力的身體部位甚至包括身體的其他部位都在做相對(duì)于頭部的側(cè)向擺動(dòng).身體的彎曲變形、魚(yú)尾擺動(dòng)、胸鰭和背鰭的擺動(dòng)都將產(chǎn)生推進(jìn)效果.

專家通過(guò)粒子成像技術(shù)顯示并測(cè)量了鰻魚(yú)的身體在波動(dòng)游泳時(shí)產(chǎn)生的旋渦的大小、形狀和速度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鰻魚(yú)的身體后面將產(chǎn)生向后運(yùn)動(dòng)的兩排旋渦對(duì)，鰻魚(yú)在身體中前部平面產(chǎn)生的半圓形式的波在身體擺動(dòng)過(guò)程中向后傳播.流動(dòng)速度從頭部向后呈線性增加，到達(dá)尾部達(dá)到最大值.兩側(cè)的半圓流動(dòng)具有相同的旋轉(zhuǎn)方向，這種結(jié)構(gòu)稱為原型渦.

魚(yú)類通過(guò)側(cè)面的波動(dòng)增加尾部的擊打頻率來(lái)提高游泳速度，通過(guò)研究金槍魚(yú)的尾部路徑的振幅發(fā)現(xiàn)振幅在0.17到0.20倍身體長(zhǎng)度之間.在滑行弦的切線和滑行路徑的軸之間的角度被稱為攻角，動(dòng)物的滑行軸和平移運(yùn)動(dòng)方向之間的角度稱為傾角.海豚身上的衰減分析表明，在攻角、傾角和速度之間角度和速度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性.在慢速游泳時(shí)，海豚身體傾斜角度將近40°；在全速游泳時(shí)，傾角減少到20°，當(dāng)攻角大約是20°時(shí)表現(xiàn)為慢速游泳，而當(dāng)攻角減小為10°時(shí)游速將提高6倍.

在過(guò)去的10年里，對(duì)魚(yú)和哺乳動(dòng)物游泳的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究十分深入，分析內(nèi)容廣泛，涉及領(lǐng)域包括:鰭路徑尾部的觀察、滑行的頻率、身體路徑的中線、身體的速度、波動(dòng)形式和振幅、斜度和攻擊的角度等.隨著研究的不斷深入，魚(yú)類的流體力學(xué)逐漸被人們所注意，粒子成像技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)始了一個(gè)認(rèn)識(shí)魚(yú)類和水交互作用的新知識(shí)時(shí)代.

3 水下蝶泳打腿的人體運(yùn)動(dòng)學(xué)

3.1 水下蝶泳打腿技術(shù)的動(dòng)力學(xué)和人體運(yùn)動(dòng)

體育訓(xùn)練表明在水下游泳只有打腿動(dòng)作時(shí)，速度并不會(huì)比在水面用配合游速度慢.最近國(guó)際泳聯(lián)做出了競(jìng)技游泳比賽某些規(guī)則的變化，緣于在國(guó)際性比賽中由于運(yùn)動(dòng)員使用了過(guò)多的水下蝶泳打腿技術(shù)，新規(guī)則對(duì)出發(fā)和轉(zhuǎn)身后使用水下蝶泳打腿動(dòng)作的距離進(jìn)行了限制，距離為15 m，但是這個(gè)距離還是被一些選手充分利用，以提高在水中進(jìn)行的出發(fā)和轉(zhuǎn)身后的速度.

2005年7月國(guó)際泳聯(lián)技術(shù)委員會(huì)再次對(duì)游泳規(guī)則進(jìn)行了修改，其中對(duì)蛙泳改動(dòng)比較大.新規(guī)則稱:在出發(fā)和轉(zhuǎn)身的時(shí)候，如果游泳選手完全在水下，那么使用一次向下的海豚式打腿是允許的.這一新規(guī)則的頒布肯定了水下蝶泳打腿技術(shù)的理論意義和應(yīng)用價(jià)值.

目前，水下蝶泳打腿技術(shù)即UUS還沒(méi)有在人類游泳中得到充分研究，早先的研究主要集中在蹼泳的項(xiàng)目上.有人對(duì)使用單片腳蹼的蹼泳技術(shù)進(jìn)行了二維分析，結(jié)果用狹窄的垂直振幅和每一個(gè)振動(dòng)的周期來(lái)表示大量的波動(dòng)位移.在1984年的歐洲青年蹼泳錦標(biāo)賽的水下錄像中，通過(guò)對(duì)決賽選手水下不同角度動(dòng)作的分析發(fā)現(xiàn)，取得較好成績(jī)的選手的動(dòng)作有許多共性，如開(kāi)始向下打腿時(shí)膝關(guān)節(jié)彎曲較小，整個(gè)水下打腿動(dòng)作中軀干和腿的擺動(dòng)幅度較小.

最近的研究試著對(duì)UUS技術(shù)進(jìn)行分析，并得到了可視技術(shù)的幫助，通過(guò)對(duì)水中生物包括身體和四肢的研究來(lái)分析UUS技術(shù).Ungerechts比較了蝶泳選手和海豚的游泳數(shù)據(jù),在運(yùn)動(dòng)員和海豚之間比較了相應(yīng)周期期間的上踢和下踢，發(fā)現(xiàn)在相同的運(yùn)動(dòng)頻率中海豚的上踢比較快.他認(rèn)為:“人類的游泳者不會(huì)有效地將水如海豚那樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)是因?yàn)樗麄兊哪_踩的形狀和彎曲范圍的限制，這個(gè)不足可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)員加強(qiáng)下踢動(dòng)作來(lái)解決，盡可能多使用像鞭打一樣的動(dòng)作”.

有人還對(duì)同一受試者在最大速度條件下有腳蹼和無(wú)腳蹼水下蝶泳打腿游泳技術(shù)進(jìn)行了分析，他們?cè)囍褂每梢曄到y(tǒng)對(duì)游泳者的身體和腿的周圍運(yùn)動(dòng)通過(guò)染色水進(jìn)行觀察.在向上踢的第一個(gè)階段，僅僅膝關(guān)節(jié)的彎曲允許腳幾乎垂直地移動(dòng)和使大量的水處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài).有效率的游泳者產(chǎn)生了一個(gè)大的靜態(tài)旋渦，在向上的踢腿結(jié)束的時(shí)候，同時(shí)在向下踢結(jié)束時(shí)會(huì)有一個(gè)小的旋渦.無(wú)效率的游泳者在向下踢結(jié)束時(shí)則產(chǎn)生比較小的和翻轉(zhuǎn)旋渦，與此同時(shí)在向上踢結(jié)束時(shí)候則不產(chǎn)生旋渦.

3.2 水中的波動(dòng)游泳:人體運(yùn)動(dòng)

運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究目的是評(píng)估不同水平的游泳運(yùn)動(dòng)員完成水下蝶泳打腿技術(shù)時(shí)的差別.專家分析了兩組選手——國(guó)際級(jí)青少年選手和國(guó)家級(jí)選手.運(yùn)動(dòng)員的年齡和游泳水平?jīng)Q定了其組別的不同，大部分運(yùn)動(dòng)員之前沒(méi)有進(jìn)行專門(mén)的水下蝶泳打腿技術(shù)訓(xùn)練.用UUS技術(shù)進(jìn)行15 m的二次試驗(yàn)，攝像機(jī)記錄的區(qū)域從池邊出發(fā)并超過(guò)了7.5 m處，這個(gè)距離將保證所獲得推進(jìn)的速度是由腿和身體完成的，要求運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)水深要超過(guò)0.5 m.

為了確定實(shí)驗(yàn)組之間的差別，在進(jìn)行分析之后要計(jì)算許多變量.通過(guò)分析將打腿周期分為3個(gè)階段:(1)向下踢;(2)第一次向上踢;(3)第二次向上踢.第二和第三階段最大的不同是腳的軌跡突然改變方向，從一個(gè)比較垂直的方向變到較水平的方向，這一變化是由于上踢過(guò)程中膝關(guān)節(jié)開(kāi)始彎曲所致.把該階段和重心的水平及垂直速度結(jié)合起來(lái)可以發(fā)現(xiàn)，腿向下踢時(shí)水平速度增加，下踢結(jié)束時(shí)其值達(dá)到最大.有時(shí)速度的二次峰值和前面第一次的類似，通常出現(xiàn)在由上踢垂直階段向其水平階段過(guò)渡處.在下踢動(dòng)作時(shí)垂直速度增加，當(dāng)腳到達(dá)這個(gè)狀態(tài)之前垂直速度達(dá)到最高值，在腳垂直運(yùn)動(dòng)變化之前獲得最大垂直速度.在此情況下，絕對(duì)垂直速度值是不同的，下踢是上踢時(shí)的兩倍.

在研究中發(fā)現(xiàn)了令人驚訝的數(shù)據(jù):重心的水平速度在打腿周期中非常一致.只有在膝關(guān)節(jié)彎曲結(jié)束時(shí)，水平的速度減少到1.6 m/s，在整個(gè)打腿周期的75%時(shí)間內(nèi)其水平速度都超過(guò)2 m/s，這表明運(yùn)動(dòng)員在打腿周期中的顯著表現(xiàn)并沒(méi)有借助池壁的推進(jìn)力.

當(dāng)分析國(guó)際組青少年組數(shù)據(jù)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)重心平均速度的重要相關(guān)性:(1)重心水平平均速度；(2)髖部平均速度、髖部水平速度和垂直速度；(3)在下踢時(shí)重心的平均速度；(4)第一次上踢時(shí)重心的平均速度；(5)第二次上踢時(shí)重心的平均速度;(6)重心速度的最大值(但與重心速度的最小值顯著性更大)；(7)腳趾尖的平均速度;(8)踢蹬動(dòng)作水平位移；(9)膝關(guān)節(jié)彎曲程度最大時(shí)的角度.研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)重心的平均速度和下列兩個(gè)因素之間相關(guān)性較低或沒(méi)有明顯的相關(guān)性，即重心的平均垂直速度和打腿的幅度.進(jìn)行性別分析時(shí)，國(guó)際組表明了所有的變量值均相似.身體角度僅僅在打腿動(dòng)作的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)在水平的參考系中有所區(qū)別.男子的身體位置容易傾向水平方向而女子幾乎對(duì)稱性地在水平線上下振蕩.

在競(jìng)技水平方面，當(dāng)比較國(guó)際組和國(guó)家組游泳隊(duì)隊(duì)員時(shí)，發(fā)現(xiàn)在重心和髖部的速度、重心及髖部的水平速度以及腳趾的速度等方面，國(guó)際組比國(guó)家組要顯著高一些，在重心的垂直速度方面則沒(méi)有什么區(qū)別，兩組之間打腿的幅度也沒(méi)有什么不同，但是國(guó)際組的身高稍高一些，國(guó)際組相對(duì)身高的振幅百分比是34.31%，而國(guó)家組的百分比是36.58%，在水生動(dòng)物中例如海豚的百分比是20%.在兩個(gè)組一個(gè)打腿動(dòng)作周期期間觀察重心速度變化，我們發(fā)現(xiàn)了周期中類似的速度變化，盡管兩組的速度是不同的，髖部和腳趾的速度變化具有類似的結(jié)果.

4 結(jié)論

(1)水下蝶泳打腿技術(shù)是一套非常有效的游泳技術(shù).接受水下蝶泳打腿技術(shù)訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)員要比那些沒(méi)有采取此項(xiàng)技術(shù)的選手在出發(fā)階段所花費(fèi)的時(shí)間更少.

(2)運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)身到15 m出水時(shí)間與水下蝶泳打腿游進(jìn)距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，單位時(shí)間內(nèi)水下蝶泳打腿游進(jìn)距離越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)身階段的耗時(shí)越少.

(3)出發(fā)或轉(zhuǎn)身階段采用水下蝶泳打腿動(dòng)作游進(jìn)速度快于運(yùn)動(dòng)員手腳配合游進(jìn)速度.

(4)運(yùn)動(dòng)員水下蝶泳打腿游進(jìn)過(guò)程中身體重心、髖部速度及腳趾速度值越高，游進(jìn)速度越快.

參考文獻(xiàn)

[1] 王 晶. 菲爾普斯獲美年度最佳游泳運(yùn)動(dòng)員[N]. 中國(guó)體育報(bào), 2003-07-08.

[2] 張 銘. 游泳運(yùn)動(dòng)員成功的六大因素[J]. 中國(guó)體育教練員, 2000,(4):37-39.

[3] 陳雄山. 水下蝶泳打腿技術(shù)”的生物力學(xué)特征及發(fā)展途徑相關(guān)問(wèn)題的研究[J].浙江體育科學(xué)，2008,(5):43-46.

[4] 仰紅慧. 蛙泳技術(shù)及對(duì)阻力推進(jìn)力影響的研究[D]. 上海：上海體育學(xué)院碩士學(xué)位論文, 2005.

[5] 楊錫讓．運(yùn)動(dòng)生理學(xué)[M]. 北京：北京體育大學(xué)出版社， 1988.

[6] 杰·康西爾曼. 美國(guó)游泳技術(shù)和訓(xùn)練[M].北京：人民體育出版社，1974.

[7] 陳武山.游泳訓(xùn)練理論[Z].2000.

[8] 圖列斯基、蔣金日來(lái)華講學(xué)資料匯編. 國(guó)家體育總局游泳運(yùn)動(dòng)管理中心[R]. 北京：北京體育大學(xué)游泳教研室， 2001.

[9] C.Gordon，D.Dmitrliev. 阻力系數(shù)與流體速度、年齡、身體形態(tài)指標(biāo)之間的相互關(guān)系[J]. 體育理論與實(shí)踐(俄), 1985,(3):28-31.

[10] 北京體育學(xué)院.游泳專修通用教材[M]．北京：人民體育出版社，1990.