劉東升 朱英民

(錦州市體育運(yùn)動學(xué)校,遼寧錦州 121000)

皮劃艇槳葉流體動力分析研究

劉東升 朱英民

(錦州市體育運(yùn)動學(xué)校,遼寧錦州 121000)

皮劃艇在水中的運(yùn)動是通過人的劃槳動作推動船向前進(jìn),而皮劃艇所獲得的動力都與槳葉的流體動力性能有關(guān),它直接影響著船速的變化。論述了流體力學(xué)在皮劃艇項目中的應(yīng)用現(xiàn)狀,為我國的體育流體力學(xué)的發(fā)展提供借鑒,為設(shè)計高性能水上運(yùn)動器材奠定基礎(chǔ),為皮劃艇運(yùn)動訓(xùn)練起到積極的指導(dǎo)作用。

皮劃艇槳葉;流體力學(xué);性能

1 前言

人體或運(yùn)動器械的運(yùn)動都是在流體環(huán)境中的運(yùn)動。在很多情況下流體對人體或運(yùn)動器械運(yùn)動的影響是不能忽略的[1]。隨著我國競技體育的蓬勃發(fā)展,體育工程學(xué)逐漸成為一門新興學(xué)科,當(dāng)今正逐步滲透到體育運(yùn)動項目的各個領(lǐng)域,當(dāng)今的體育比賽勝負(fù)差距越來越小,因此,器材的流體動力性能也顯得越來越重要,流體力學(xué)在體育中的應(yīng)用也越來越廣泛,特別是水上項目更依賴流體力學(xué)原理的發(fā)展,為了在比賽中獲得勝利,越來越多的流體動力優(yōu)越的體育器材逐漸為人們認(rèn)可[2]。體育工程學(xué)涉及的研究領(lǐng)域很多,其中體育器材的流體動力性能的研究是一個重要的方向。例如皮劃艇在行進(jìn)中船槳在水中的運(yùn)動等都會受到流水與槳葉之間相互作用所產(chǎn)生的阻力。本文分析皮劃艇槳葉在流體中的運(yùn)動,主要目的就是探索減小或避免在特定方向上皮劃艇所受到的流體阻力、增大動力以及與此相關(guān)的動作技術(shù)和方法。以此來提高速度,使運(yùn)動員能在比賽中取得優(yōu)異的成績。

2 皮劃艇與槳葉在水中所受到的阻力分析

眾所周知,不少體育運(yùn)動項目都與空氣和水有著密切的關(guān)系。在進(jìn)行運(yùn)動的時候,運(yùn)動員的身體與其所使用的器械,都在跟空氣和水做相對運(yùn)動,這樣在運(yùn)動中就會難免的產(chǎn)生或多或少的阻力,直接會影響著比賽的成績。如果在比賽中運(yùn)動員對這些力學(xué)問題掌握得好、理解透徹、運(yùn)用得當(dāng),就有可能創(chuàng)造佳績;反之就有可能輸?shù)舯荣?。在體育運(yùn)動中最常見的就是阻力問題,一般情況下,按照常理來講多數(shù)體育比賽項目都希望阻力小一些,但是有的運(yùn)動項目或者在運(yùn)動的某一階段,卻希望阻力大一些。如皮劃艇運(yùn)動就是這樣,皮劃艇在水中向前運(yùn)動的力量,主要是靠槳葉與水接觸產(chǎn)生的阻力來獲得的。從流體力學(xué)的角度來看,這是利用水的反作用力,也就是槳葉在水中運(yùn)動的時候受到水的阻力,這個阻力反過來作用艇上,使艇向前進(jìn)。顯而易見,在這個過程中,這種阻力越大越好。力的物理學(xué)定義簡述為物體的質(zhì)量乘以加速度,即力(F)=質(zhì)量(m)×加速度(a),這說明物體在受外力作用時所獲得的加速度的大小與外力的大小成正比,而與物體的質(zhì)量也成正比,加速度的方向與力的方向相同。此外,根據(jù)牛頓第三定律的作用力與反作用力的原理,這兩個力是同時并存的大小相等,方向相反并作用在同一條直線上的,為了推動船的前進(jìn),運(yùn)動員必須有力作用在槳葉上,推動水向后,同時產(chǎn)生一個反作用力推動船向前。所以皮劃艇運(yùn)動員應(yīng)該盡量地把靜止的水往后推壓,這樣做才能增加水對槳葉阻力,以此來加快艇的速度。由于皮劃艇項目在劃槳的時候,要做循環(huán)重復(fù)的劃槳運(yùn)動,也就是在完成一個劃的動作以后,接著要做一個返回的動作,來為下一次動作做準(zhǔn)備。由于做重復(fù)動作的時候,槳的運(yùn)動方向與艇前進(jìn)的方向是一致的,此時槳的運(yùn)動產(chǎn)生的阻力就成了艇前進(jìn)的不利因素,故皮劃艇運(yùn)動員在做出水動作的時候,應(yīng)該盡量減小槳葉的迎水面積,降低回返速度,減小阻力。由此看出,皮劃艇運(yùn)動員劃槳的不同階段阻力起著不同的作用,因而對劃槳動作的技術(shù)要求也有很大不同。運(yùn)用流體力學(xué)的理論,可以找出皮劃艇運(yùn)動同流體阻力的特殊規(guī)律,提出合理的技術(shù)要求,采取科學(xué)的訓(xùn)練方法,提高比賽成績。

3 皮劃艇槳葉性能的影響因素分析

優(yōu)美和力量是傳統(tǒng)奧林匹克的衡量標(biāo)準(zhǔn)。在眾多比賽中,皮劃艇運(yùn)動更加完美地詮釋了奧運(yùn)會的這一精髓。然而,在2004年雅典奧運(yùn)會上,計算流體力學(xué)的加入成為皮劃艇選手爭奪金牌最有分量的因素。皮劃艇能這樣的引人注目,我們應(yīng)該更好的研究皮劃艇這項運(yùn)動,使之成為我國的優(yōu)勢項目。眾所周知,皮劃艇運(yùn)動是靠運(yùn)動員有節(jié)奏地劃動船槳來前進(jìn)的。當(dāng)皮劃艇被運(yùn)動員連續(xù)的劃槳推進(jìn)時,船艇將會波動式的前進(jìn),這是一個復(fù)雜的運(yùn)動的問題。例如:一個體重大、力量大的運(yùn)動員不一定是劃得最快的運(yùn)動員。為了使運(yùn)動員所劃的每次都能達(dá)到最大的效率,這就要進(jìn)一步了解影響皮劃艇速度的因素。第一,外界因素;研究表明,影響槳葉性能的主要因素分別是頻率、浸角深度、攻角。推進(jìn)效率最高的區(qū)域位于槳桿與船艇垂直時的角度附近。皮劃艇槳葉在空氣中沒有固定的支撐點,運(yùn)動軌跡不定,水動力特性更為復(fù)雜[3]。第二,技術(shù)因素;皮艇的劃槳技術(shù)是右手在右肩上方,肘向外彎屈,左手放松前伸使槳葉盡量向前靠近船舷。插槳時右手向前平推,左手向下迅速把槳葉插入水中。借助轉(zhuǎn)體時腰、背肌肉群的力量和左腿蹬腿的力量,左手沿著船邊在髖骨高度平行于水面向后劃至腰部,完成拉槳動作。右手隨著左手的拉槳動作由彎屈直至向前推出伸直。拉槳結(jié)束后,左手迅速抬起,手腕向外轉(zhuǎn)動移到左肩上,這時槳葉已從水中提出,完成了劃槳周期的4個動作。當(dāng)右邊的槳葉插入水中時,下一個劃槳周期便開始了。劃艇的劃槳技術(shù)是上體前屈,上手臂微屈,下手盡量向前伸出,結(jié)合下肩的前伸下壓,上手伸直向前使槳葉與水面成65-75°角迅速把槳插入水中。通過腰、肩背肌的轉(zhuǎn)抬力量以軀干帶動兩臂拉槳,使船艇獲得前進(jìn)的最大作用力。拉槳動作在腰部位置結(jié)束時,下手腕迅速內(nèi)轉(zhuǎn)拔槳,肘部向外,上手向上把槳葉提出水面。槳葉一離開水,上手微屈,軀干前屈,下手由屈到直擺槳向前,完成推槳動作;隨后再插槳,開始下一動作循環(huán)。這個動作要求運(yùn)動員協(xié)調(diào)、連貫,才能產(chǎn)生更大的推動力。

4 皮劃艇槳葉的流體動力分析

皮劃艇技術(shù)是指運(yùn)動員多次重復(fù)一種循環(huán)動作,即周期性的劃槳運(yùn)動。皮劃艇運(yùn)動員在劃艇時,其手臂、軀干、上肢和身體各環(huán)節(jié)總是沿著一定的運(yùn)動軌跡做動作,這種動作軌跡與劃槳技術(shù)的合理性是內(nèi)在聯(lián)系的。皮劃艇槳葉面垂直于水流,會受到水流帶來的沖擊力,槳葉面越大這種力也越大。一般皮艇槳葉為710-775c 、劃艇槳葉面一般為960-1090c 。只有當(dāng)槳葉完全浸在水中并垂直于水流方向時,水流才垂直接觸整個槳葉面,槳葉才能受到流水帶來的最大的阻力。從運(yùn)動員每完成一個劃槳動作來分析,皮劃艇槳葉從入水到出水一共經(jīng)歷抓水階段、動力階段、操向階段三個階段。為了進(jìn)一步搞清楚運(yùn)動員劃槳動作產(chǎn)生的作用力這個問題,要注意槳葉迎水面積的重心,因為劃槳過程中,總作用力集中在重心上,總作用力既來自于槳葉的水平推進(jìn)力。

在皮艇運(yùn)動員劃槳過程中,槳葉的位置相對于水流的旋轉(zhuǎn)對于皮劃艇運(yùn)動員劃槳技術(shù)的效果是十分關(guān)鍵的,如果在左右兩邊劃槳運(yùn)動垂直對稱,那么迎水面積的分布模型將完全相等。但是受到多種因素的影響,實際劃槳過程中并非能達(dá)到理論角度的完全效果,運(yùn)動員在劃槳的第一階段想盡快地把槳葉插進(jìn)水中,所以槳葉迎水面積的形狀從插槳到槳葉垂直這一段比較陡,力呈上升狀態(tài)。所以這個過程要明白兩點:第一,充分利用上身前傾的作用使槳葉以最大的銳角角度快速入水,槳葉一旦被水淹沒即快速移動成水平面,從入水開始以最大推力的劃槳至結(jié)束。第二,槳葉出水時要垂直水面,出水時轉(zhuǎn)槳要輕快。此時運(yùn)動員的軀干、上肢肌肉間隙放松,為下一個周期劃槳做準(zhǔn)備。要求運(yùn)動員左邊軀干減緩旋轉(zhuǎn),槳葉出水,應(yīng)迅速,果斷。手臂與肘明顯上抬,肘關(guān)節(jié)的高度低于肩關(guān)節(jié),小臂的位置應(yīng)高于耳,每一槳結(jié)束時保持艇速,保證艇的行進(jìn)的速度是勻速行動。因此出水必須干凈利落,技術(shù)動作連貫。

綜上所述,槳葉水下軌跡為閉合式的,比較各種力的分配是否合理,可以找到某些一般共同特點和專門性的特征。槳葉的運(yùn)動帶有較多的空間特性。了解正確的槳葉工作過程,有助于運(yùn)動員正確運(yùn)用劃槳技術(shù)使其發(fā)揮最佳效果,在日常訓(xùn)練過程中,鼓勵隊員在技術(shù)訓(xùn)練課中檢查槳葉工作情況,讓運(yùn)動員知道怎樣練習(xí)才能達(dá)到技術(shù)完美,大量的水上技術(shù)訓(xùn)練才能使技術(shù)進(jìn)一步提高。在槳葉水下推動船體前進(jìn)的過程中,槳葉迎水面積的大小與劃槳技術(shù)、劃槳幅度和劃槳速度有著密切相關(guān)的聯(lián)系。要想獲得最大劃槳力和船速,就必須注重劃槳技術(shù)和水下槳葉的迎水面積的大小。運(yùn)動員只有了解這些基本理論知識才有助于掌握和提高劃槳技術(shù),以便提高運(yùn)動水平,而教練員也能夠更加科學(xué)合理地開展訓(xùn)練工作。

5 結(jié)論

在競技運(yùn)動競爭日趨激烈的今天,高水平運(yùn)動員之間運(yùn)動技術(shù)的差距越來越小,處于同一水平運(yùn)動員的數(shù)量日益增多。在這種情況下,優(yōu)秀運(yùn)動員之間的競爭更多地集中在對科學(xué)的訓(xùn)練和比賽的細(xì)節(jié)上。運(yùn)用相關(guān)的流體力學(xué)的知識,對皮劃艇槳葉的水下迎水受力進(jìn)行分析,從而掌握劃槳最佳技術(shù)效果和槳葉受力的最佳時間,使運(yùn)動員的技術(shù)和力量得以更加完美地配合,從而產(chǎn)生最有效的推動船艇前進(jìn)的動力。因此,全面、準(zhǔn)確和科學(xué)地分析并把握皮劃艇槳葉的立體力學(xué)規(guī)律是提高比賽成績的一項極其重要任務(wù)。

[1]趙煥彬,李建設(shè).運(yùn)動生物力學(xué)[M].北京:高等教育出版社, 2008:163.

[2]鄭偉濤,馬勇.我國流體力學(xué)在水上運(yùn)動項目中的應(yīng)用現(xiàn)狀[A].第12屆運(yùn)動生物力學(xué)學(xué)術(shù)交流論文集[C].太原,2008:13.

[3]馬勇.水上運(yùn)動項目器材的流體動力性能研究[J].武漢體育學(xué)院學(xué)報,2008,42(2):72.

The Analysis of Fluid Dynam ics on Canoeing

Liu Dongsheng,Zhu Yingmin
(Jinzhou Sports School,Jinzhou,121000,Liaoning,China)

Canoeing’smovement in thewater ispushed forward by players’strokes,and the canoeing’s dynamics is related to the paddles’fluid dynamic performance.The fluid dynamic performance influences the variability of canoeing’s speed.Thispaper ismainly about the situationsof the fluidmechanics’using in canoeing nowadays.Thispaper can be used in China’sphysical fluidmechanics’development for reference,it can be used to lay the foundation for designing the high-powerful equipmentof water sports,and it can be used to give a positive guidance in canoeing sports training.

canoeing’spaddle;fluidmechanics;performance

G861.4

A

1672-1365(2011)01-0083-02

2010-05-08;

2010-08-25

劉東升,教師,研究方向:運(yùn)動訓(xùn)練。