《簡明運動生物力學》課件55人體運動的流體力學分析

1、第四節(jié)人體運動的流體力學分析第四節(jié)人體運動的流體力學分析人體運動的流體力學分析人體運動的流體力學分析一、人體在流體中運動的阻力（一）流動阻力的性質1、在理想不可壓縮流體中作勻速直線運動不受阻力一個在各個方向都伸展到無窮遠的靜止的理想不可壓縮流體中作勻速直線運動的有限物體，不論其形狀如何，它所受的沿運動方向的總阻力或垂直于運動方向的總升力都等于零。對于以運動方向為對稱軸的物體，則根本不受力的作用。2、加速運動存在阻力當物體作加速運動時，即使流體沒有粘滯性，物體也會受到一種慣性阻力。這是因為外力在克服物體慣性使之加速的同時，還要不斷克服流體的慣性，使其動能不斷增加，其效果就像物體的質量增加了一樣。

2、另外，當物體在理想不可壓縮流體的自由表面上運動時，還會受到“興波阻力”，這時，物體克服所作的功轉化為表面波系的動能。一、人體在流體中運動的阻力（一）流動阻力的性質3、在粘性流體中運動會受到阻力當物體在粘滯流體中運動時，即使物體作勻速運動，也會受到阻力。在速度較低的情況下，附著在物體表面的流體隨物體一起運動，從而使物體表面的流體隨物體一起運動，從而使物體表面流體層與鄰近流體層間產生相對運動，由此產生的阻礙物體運動的流體層間的粘滯力，稱為摩擦阻力或粘滯阻力。3、在粘性流體中運動會受到阻力當物體在粘滯流體中運動時，即使根據牛頓內摩擦定律（牛頓粘性定律）摩擦阻力與流體層間相對速度的橫向變化率dv/dz

3、成正比，與相對運動的接觸面積成正比，所以摩擦阻力的大小與物體相對流體的速度和物體的表面積 均成正比。由于運動物體前、后方存在壓強差而產生“壓差阻力”。當速度較大時，運動物體的尾部將產生渦旋，并使前、后方壓強差明顯增大，此時，壓差阻力與速度的平方成正比，壓差阻力將成為阻力的主要來源。根據牛頓內摩擦定律（牛頓粘性定律）4、阻力大小與身體姿勢有關如圖：高臺滑雪運動員采用不同的身體姿勢，在滑雪斜坡跑道經70-90米的下滑助跑后起跳，空中自由飛行階段與空氣的相對速度約為30m/s，人體相對于運動方向的投影面積約為0.2-0.9m2。其中，a、b、c、d、e、f表示運動員兩手將滑雪杖置于胸前。c、d、e、

4、f表示運動員兩手將滑雪杖置于體側。4、阻力大小與身體姿勢有關如圖：高臺滑雪運動員采用不同的身體注：被測試者為男性，身高1.70米，體重70千克，阻力單位為牛頓。結論：滑雪杖置于胸前且軀干緊貼大腿阻力最小。空中姿勢abcdefcdef空氣阻力11.811.912.115.119.519.917.319.123.526.2根據總阻力計算公式可得出風洞試驗中，運動員在飛行中所受到的空氣阻力（如表）注：被測試者為男性，身高1.70米，體重70千克，阻力單位為（二）流動阻力的分類流動阻力包括：摩擦阻力、壓差阻力、興波阻力、慣性阻力1、摩擦阻力摩擦阻力是流體與運動物體表面之間的摩擦力。主要與運動物體的表面

5、積、速度以及表面的粗糙程度等有關。摩擦阻力與物體的表面積和物體相對于流體的速度一次方成正比。（二）流動阻力的分類流動阻力包括：摩擦阻力、壓差阻力、興波阻2、壓差阻力壓差阻力是由于流動時流束變形以及渦旋的出現等原因，在物體的前方（迎流方）和后方產生壓強差所引起的阻力。3、興波阻力興波阻力是由于物體在自由液面運動而產生波浪所引起的阻力。潛泳的距離。4、慣性阻力由于流體作非定常流動或運動物體在流體中作加速運動所引起的阻力。2、壓差阻力二、人體在流體中運動的推進力人體主要可以利用流體的反作用力以及升力作為推進力。（一）升力體育運動中“升力”的概念的內涵已經有所擴大。除了典型的運動器械在空中受到向上的升

6、力外，還有其他方向的可以用升理論解釋的流體動力效應。如自由泳時手掌受到的“升力”是向前方向，旋轉的球體受到的“升力”是向側向，而汽車賽車的尾翼受到的“升力”甚至是向下方向的。（二）流體的反作用力各類泳姿，自由泳、蝶泳、蛙泳和仰泳的上肢劃水和下肢打水的準時力。還有蹼泳，是運動員穿著如海豚尾一樣的腳蹼進行比賽，游進時雙手不動，以何如部發(fā)力帶動腿再帶動腳蹼上下擺動前進。這些動作，是采用將水推向后方，從而獲得水對人體的反作用力（即推進力）。二、人體在流體中運動的推進力人體主要可以利用流體的反作用力以三、游泳流體力學分析（一）流線形和水感1、流線形：保持流線形的身體姿勢是減小游泳阻力的重要途徑之一。保持

7、流線形，就是保證流線能夠平穩(wěn)地流過身體而不發(fā)生紊亂，防止紊流（湍流）出現。2、水感：水感是一種重要的能力。較好的水感就是熟悉水的流動。有水感的選手會知道如何用手掌抓水、推水，并讓身體以最小的阻力，像魚一樣地在水中向前游進。圖為流線形水滴?？梢?，標準的流線形體是具有鈍圓的頭部加上尖銳的尾部。這也可以說明為什么飛機機翼的截面及機身和潛艇的艇身都被設計成類似水滴形的流線形。三、游泳流體力學分析（一）流線形和水感圖為流線形水滴?？梢?，簡明運動生物力學課件5-5人體運動的流體力學分析-（二）劃水1、曲肘劃水直臂劃水技術，手只在垂直于身體方向劃水效率最高。較好的技術應是屈肘劃水以縮短力臂。由牛頓第二定律F

8、=ma可知，手的質量m不變，加速度大可獲得較大的力量，因此劃水時應加速劃水，以獲得較大的推進力。同時，除加速劃水外，需持續(xù)一段時間，劃水路線宜長，以獲得較大的沖量。（二）劃水1、曲肘劃水在靜水中劃水如果路線不變，只能在劃水之初劃到靜水得到推進力，在劃水的后半段，則因水會與手一起向后移動，沒有或少有推進力，因此，較好劃水技術應該是屈肘，經由不同的深度、路線劃水（如“S”形），以劃到最多的靜水，獲得最大的推動力。在靜水中劃水如果路線不變，只能在劃水之初劃到靜水得到推進力，2、手掌的方位有實驗證明，在水中直立時手掌的角度與手前進方向成40度時，向上的推舉力最大，因此自由式的劃水最有效的方式是，像螺旋

9、漿一樣地劃水，且隨時調整手掌角度，以獲得最大的推進力。2、手掌的方位有實驗證明，在水中直立時手掌的角度與手前進方向自由泳劃水時手掌的升力效應是既存在于有攻角時相，也存在于零攻角時相。由自由泳手臂的劃水動作模式圖可銅陵，以水平速度1.8米/秒的肩關節(jié)為原點，上臂長0.65米，劃水臂的平均角速度為300/秒。當把一次劃水動作分為1、2、3、4、5、6、7個位相，就會看到1、2、3位相手臂下壓的趨勢較大；5、6、7位相手臂上抬的趨勢較大，這正是引起身體俯仰起伏的原因。有效的水平推力主要出現在3、4、5位相。自由泳劃水時手掌的升力效應是既存在于有攻角時相，也存在于零攻從運動生物力學的角度改進劃水技術可

10、從以下三個方面著手：第一，加長3、4、5位相的劃水距離和迎水面積，可采用曲臂Z形或S形劃水路線，并使手掌微屈，加大劃水效果；第二，加快3、4、5位相的劃水頻率，屈臂可減小上肢轉動慣量，提高手掌的線速度值，從而增大反作用力沖量；第三，在各個位相利用手掌的沖角產生的升力效應。從運動生物力學的角度改進劃水技術可從以下三個方面著手：3、配速由前面流動的阻力分析可知，當運動物體在靜止流體中作加速運動時，會帶動周圍的一部分流體一起運動，產生附加阻力（慣性阻力）。游泳劃水時，身體移動的速度會加快，不劃時就會慢下來這種模式像單沖程引擎，推進速度是不穩(wěn)定的。越是不穩(wěn)定的速度，能量的浪費也就越大。因此，長劃距、有

11、節(jié)奏的劃水可提高游泳速度的穩(wěn)定性。這在技術上要求當一只手臂由空中移動時，另一只手臂是在水中劃水，這種劃水模式比較像二沖程引擎，一個活塞推動時另一個活塞在回復當中。3、配速（三）打腿打腿（打水）是游泳推進力的主要來源之一。推進原理的理論基礎是萊特希爾（Lighthill）發(fā)展的卡門（Karman）渦街（列）推進理論。1、打腿推進力產生原理根據水生生物泳動的流體動力學分析，高效擺動推進時產生的力的方式，都和鳥類飛行時翼上的空氣動力相似。通過在流體動力水槽中的研究，發(fā)現了在擺動時會產生如圖所示的旋渦圖。根據卡門渦街推進理論，渦旋是打腿（擺尾）的推進力的來源?？ㄩT渦街（三）打腿打腿（打水）是游泳推進力

12、的主要來源之一。推進原理的在一定條件下的定常來流繞過某些物體時，物體兩側會周期性地脫落出旋轉方向相反、并排列成有規(guī)則的雙列線渦。開始時，這兩列線渦分別保持自身的運動前進，接著它們互相干擾，互相吸引，而且干擾越來越大，形成非線性的所謂渦街。卡門渦街是粘性不可壓縮流體動力學所研究的一種現象。流體繞流高大煙囪、高層建筑、電線、油管道和換熱器的管束時都會產生卡門渦街。衛(wèi)星拍攝的卡門渦街在一定條件下的定常來流繞過某些物體時，物體兩側會周期性地脫落當腳在最高位置時，向下擊水，產生逆時針方向的旋渦，給蹼下方的水一個向后的沖量，因而水給人體一個向前的反作用力；而當腳蹼在最低位置時，向上擊水，產生順時針方向的旋

13、渦，給蹼上方的水一個向后的沖量，因而水又給人體一個向前的反作用力，這就是游進時的推進力。另一方面，流體在流過物體時在一定條件下會因出現卡奴役和渦街產生周期性變化的阻力，而上述分析中的尾渦渦列方向及排列恰與卡門渦街相反，因此卡門渦街為阻力，游泳打腿則為動力。辯證地看待旋渦：因為推進力與渦量強度成正比，因而需要保證一定的渦量強度，以保證所產生的推力足以克服阻力；另方面，由于機械能損失與渦量的平方成正比，故應避免過強的旋渦，以減少能量損失。當腳在最高位置時，向下擊水，產生逆時針方向的旋渦，給蹼下方的身體的側向擺動，蛇形游進，或向左右兩側打腿，也都會增加體側后方的漩渦。因而增加了形狀阻力。物體前面的形

14、狀越不好，（非流線型），壓力就越大，物體后面的形狀越不好，漩渦就越多，壓力就越小，物體前后的壓力差越大，所受的形狀阻力（也稱漩渦阻力）越大。因此，在游泳時保持身體的流線型是非常重要的。在出發(fā)和轉身后的滑行中，身體要保持平直和一定的緊張度，做好流線型，以減少漩渦阻力（可圖示）。蛙泳應先伸臂再蹬腿，讓手臂接近伸直，做好流線型再蹬腿，不要屈臂在胸前或伸臂同時蹬腿。另外，蹬完腿應拼攏伸直，不要彎曲分腿。爬泳、蝶泳、仰泳打腿時要伸直腳面，勾著腳都會在身后出現大面積的漩渦。浪花表示形狀（漩渦）阻力。形狀阻力最小的是流線型體，如果流線型體的阻力系數為1，那么截面相等，速度相同的其他形狀物體的阻力要大許多，甚

15、至30-100倍。身體的側向擺動，蛇形游進，或向左右兩側打腿，也都會增加體側后2、潛泳打腿自由泳、蝶泳和仰泳的比賽中，經常可以見到運動員轉身后在水面下較深處以海豚方式打水，而不是立即浮出水面劃水。其原因是：（1）因為水下沒有波浪阻力；（2）是在較深處無論是上打水還是下打水，都能產生推力，效率較高，因此游速較快，且兩臂也能有短暫的休息時間，出水面后可加速向前劃水。而在水面游泳，只有向下打水有推力，效率較低。2、潛泳打腿自由泳、蝶泳和仰泳的比賽中，經?？梢砸姷竭\動員轉簡明運動生物力學課件5-5人體運動的流體力學分析-四、人體運動的流體力學特性（一）流動的阻力應包括慣性阻力。減小慣性阻力的途徑是，保

16、持動作的連貫性，盡量減少速度的變化。（二）摩擦阻力和壓差阻力均與物體的形狀有關，故不宜用形狀阻力來表示壓差阻力?？梢酝ㄟ^改進技術動作和運動器材減弱壓差阻力。（三）根據流動阻力的性質，肢體回程動作阻力的概念缺乏分類的依據。肢體回程動作的阻力的產生，仍是摩擦阻力、壓差阻力、興波阻力和慣性阻力作用的結果。四、人體運動的流體力學特性（一）流動的阻力應包括慣性阻力。減（四）體育運動中的“升力”已不限于對“上升”的分析，“升力”可以向前、向側甚至是向下。（五）升力以及旋轉球側向力均源于流速差產生的壓強差。（六）對于有動力的人體的運動來說，旋渦的產生并不總是起阻礙作用。如何合理的利用渦量強度，產生推力克服阻

17、力；同時出現避免過強的旋渦，減少能量損失，給運動技術的改進提供了新視角。（四）體育運動中的“升力”已不限于對“上升”的分析，“升力”五、認識鯊魚皮泳衣鯊魚皮泳衣（shark-skin like swimsuit）其他稱呼：神奇泳衣、SPEEDO泳衣，LZRRacer泳衣、快皮泳者在水中遇到的阻力，與水的密度、泳者的正面面積、摩擦系數及泳者速度的平方成正比，因此減少正面面積和摩擦系數是設計低阻力泳的關鍵。五、認識鯊魚皮泳衣鯊魚皮泳衣（shark-skin like鯊魚皮泳衣它的核心技術在于模仿鯊魚的皮膚，鯊魚皮膚表面粗糙的V形皺褶可以大大減少水流的摩擦力，使身體周圍的水流更高效地流過，鯊魚得以快

18、速游動。該泳衣的超伸展纖維表面便是完全仿造鯊魚皮膚表面制成的。此外，這款泳衣還充分融合了仿生學原理：在接縫處模仿人類的肌腱，為運動員向后劃水時提供動力；在布料上模仿人類的皮膚，富有彈性。被禁用實驗表明，快皮的纖維可以減少3%水的阻力，對于1%秒就能決定勝負的游泳比賽，其意義不言而喻。鯊魚皮泳衣它的核心技術在于模仿鯊魚的皮膚，鯊魚皮膚表面粗糙的第I代鯊魚皮（2000年Fastskin）采用纖維模仿鯊魚皮膚結構，能引導周圍的水流，減少水阻力并提高游速3%7.5%。作為鯊魚皮的代表，這款泳裝在悉尼奧運會上風靡全球，有83%的參賽選手身穿鯊魚皮參加比賽。第II代鯊魚皮（2004年 Fastskin 2

19、）在第1代的基礎上，在面料表面加上顆粒狀的小點，目的是減少30%的水阻，整體功能比第1代提升7.5%。2004年雅典奧運會上獲得獎牌的運動員中有47人身穿該款泳衣。第I代鯊魚皮（2000年Fastskin）第III代鯊魚皮（ 2007年 Fastskin Pro）由防氧彈性紗和特細尼龍紗組成，彈性比同類產品高15%，可減少肌肉振動和能量損耗。2007年協助世界各國運動員先后21次打破世界紀錄。第IV代鯊魚皮（ 2008年 Fastskin LZR Racer）由極輕、低阻、防水和快干性能LZR Pulse面料組成，是全球首套以高科技熔接生產的無皺褶比賽泳裝。2008年泳池里共誕生105項世界紀

20、錄，其中79項由它制造。在近1個月內產生的16項新的世界紀錄中，有14項是由選手穿著這款泳衣創(chuàng)造的。第III代鯊魚皮（ 2007年 Fastskin Pro）高科技孕育第四代“鯊魚皮”第四代“鯊魚皮”由Speedo公司、美國宇航局和澳洲流體實驗室聯合開發(fā)。與前三代產品全黑的外形不同，LZRRacer的表面有黑色和灰色兩種色塊；摸上去輕、薄、透，手感發(fā)沙。這款泳衣精妙之處首先在于材料。據稱，這種叫做“LZRPulse”的特殊材料是借助了美國國家航空及太空總署(NASA)測試航天器進入地球大氣層后表面承受摩擦力的風洞，對100余種材料進行了測試后選定的。美國宇航局為此提供了空洞試驗和火箭技術，泳衣

21、面料中已經沒有了傳統(tǒng)意義上的紡織物?！癓ZRPulse”通過將貼近體表的水排開，保證水和肌膚的最少接觸，以達到減阻的效果。其針織技術同樣超前，LZRRacer是世界上首件100%利用超聲波粘合的泳衣，周身找不到一處接縫，因此也減少了部分阻力。泳衣的灰色部分是高彈力的特殊材質，包裹在幾個主要的大肌群上，強有力地壓縮運動員的軀干與身體其他部位，降低肌肉與皮膚震動，幫助運動員節(jié)省能量、提高成績。此外，貼合脊椎的波浪形拉鏈、獨特的腰部加固技術，都使這件泳衣充滿高科技含量。高科技孕育第四代“鯊魚皮”簡明運動生物力學課件5-5人體運動的流體力學分析-簡明運動生物力學課件5-5人體運動的流體力學分析-簡明運

22、動生物力學課件5-5人體運動的流體力學分析-解剖第四代“鯊魚皮”材料：據稱，這種叫做“LZRPulse”的特殊材料是借助了美國國家航空及太空總署(NASA)測試航天器進入地球大氣層后表面承受摩擦力的風洞，對100余種材料進行了測試后選定的。美國宇航局為此提供了空洞試驗和火箭技術，泳衣面料中已經沒有了傳統(tǒng)意義上的紡織物?！癓ZRPulse”通過將貼近體表的水排開，保證水和肌膚的最少接觸，以達到減阻的效果。其針織技術同樣超前，LZRRacer是世界上首件100%利用超聲波粘合的泳衣，周身找不到一處接縫，因此也減少了部分阻力。外觀：泳衣的灰色部分是高彈力的特殊材質，包裹在幾個主要的大肌群上，強有力地

23、壓縮運動員的軀干與身體其他部位，降低肌肉與皮膚震動，幫助運動員節(jié)省能量、提高成績。此外，貼合脊椎的波浪形拉鏈、獨特的腰部加固技術，都使這件泳衣充滿高科技含量。解剖第四代“鯊魚皮”材料：據稱，這種叫做“LZRPulse”解剖第四代“鯊魚皮”材料：據稱，這種叫做“LZRPulse”的特殊材料是借助了美國國家航空及太空總署(NASA)測試航天器進入地球大氣層后表面承受摩擦力的風洞，對100余種材料進行了測試后選定的。美國宇航局為此提供了空洞試驗和火箭技術，泳衣面料中已經沒有了傳統(tǒng)意義上的紡織物?！癓ZRPulse”通過將貼近體表的水排開，保證水和肌膚的最少接觸，以達到減阻的效果。其針織技術同樣超前，

24、LZRRacer是世界上首件100%利用超聲波粘合的泳衣，周身找不到一處接縫，因此也減少了部分阻力。外觀：泳衣的灰色部分是高彈力的特殊材質，包裹在幾個主要的大肌群上，強有力地壓縮運動員的軀干與身體其他部位，降低肌肉與皮膚震動，幫助運動員節(jié)省能量、提高成績。此外，貼合脊椎的波浪形拉鏈、獨特的腰部加固技術，都使這件泳衣充滿高科技含量。解剖第四代“鯊魚皮”材料：據稱，這種叫做“LZRPulse”數字解讀第四代“鯊魚皮”100%-它是世界上首件100%利用超聲波粘合的泳衣，周身找不到一處接縫，能減少4-7%的阻力；40-要穿上它至少要花費40分鐘，需要隊友幫助；48-從2008年“鯊魚皮”問世到本屆奧

25、運會開始之前，已經有48項紀錄被穿著它的運動員打破；10%-5%-2%-比起上一代“鯊魚皮”，新泳及至少降低10%的水中阻力，并且減少5%的氧氣消耗，成績提高2%；400-Speedo的設計團隊為了做出更符合人體曲線的泳衣，先后對400多名泳壇名將的身體進行了三維立體掃描；70-新版“鯊魚皮”在胸部、臀部等人體阻力最大的部位，采用特殊材料對肌肉進行壓縮，把運動員的身體盡可能塑造成流線形。為了達到這些目的，這款泳衣比一般泳衣要緊70倍；7000-每件“鯊魚皮”泳衣的造價大約為人民幣7000元；6-因為每穿一次高檔泳衣都會對纖維材料產生磨損，而且其材質較為特殊，因而提速泳衣的最佳使用次數僅為6次。

26、數字解讀第四代“鯊魚皮”100%-它是世界上首件100六、對菲爾普斯的分析-菲爾普斯的特點1、泳池中的黃金比例體型：他的身體特點是人類中最接近魚的一位。如果單從體型上看，沒有人認為菲爾普斯是一個標準帥哥。他身高193cm，但是上下身的比例嚴重失調。上身的長度大約和207cm高的人長度相當，而雙腿卻只和175cm高的人長度相當。常人的身高和臂展相差不大，而他的臂展卻達到了201cm，超出身高14cm，像三國時的蜀主劉備那樣雙手過膝。這注定了他站在陸地上時，看起來體型有點怪異。事實上，菲爾普斯的確在陸地上很不適應，不時莫名其妙地跌倒，有一年就曾摔了一跤，導致右腕骨折。但是這樣的身材，可稱為泳池中的

27、黃金比例，在泳池中雙臂發(fā)力時省力而高效。菲爾普斯說過：“如果我能在水中睡覺而不需離開，那或許是我最安全的地方。我在那里永遠不會受到傷害，永遠不會有任何問題。” 六、對菲爾普斯的分析-菲爾普斯的特點1、泳池中的黃金比2、大腳如蹼大手如槳菲爾普斯那雙大腳，相當于我們通用標準47號的鞋，在水中好像安上了一副腳蹼，腿雖短但助推力極強。而且，其短而粗壯的大腿，則更容易在觸壁時發(fā)力。根據了解，菲爾普斯觸壁后能利用推力“滑”出10米多，比別人多滑出三四米，這遠比擊水游泳要快。同時，菲爾普斯臂展達到2米的長胳膊每劃一下都比別人前進更多，好像劃船時的船槳。2、大腳如蹼大手如槳從肚臍到頭頂的距離與足部到肚臍的距離之間的比例應該是1:1.618；但菲爾普斯身體的這一比例是1:1.7。對比與他同樣身高的人，他的腿短而上半身更長。據說他的褲子腰圍約86厘米，而長度只有81厘米左右。菲爾普斯的腿甚至比身高175厘米的長跑名將奎羅伊還要短。據此人們得出結論：菲爾普斯這樣的體型非常接近于一條魚。3、完美的人體存在一個“黃金分割比”從肚臍到頭頂的距離與足部到肚臍的距離之間的比例應該是1:1.簡明運動生物力學課件5-5人體運動的流體力學分析-菲爾普