《简明运动生物力学》课件55人体运动的流体力学分析

1、第四节人体运动的流体力学分析第四节人体运动的流体力学分析人体运动的流体力学分析人体运动的流体力学分析一、人体在流体中运动的阻力（一）流动阻力的性质1、在理想不可压缩流体中作匀速直线运动不受阻力一个在各个方向都伸展到无穷远的静止的理想不可压缩流体中作匀速直线运动的有限物体，不论其形状如何，它所受的沿运动方向的总阻力或垂直于运动方向的总升力都等于零。对于以运动方向为对称轴的物体，则根本不受力的作用。2、加速运动存在阻力当物体作加速运动时，即使流体没有粘滞性，物体也会受到一种惯性阻力。这是因为外力在克服物体惯性使之加速的同时，还要不断克服流体的惯性，使其动能不断增加，其效果就像物体的质量增加了一样。

2、另外，当物体在理想不可压缩流体的自由表面上运动时，还会受到“兴波阻力”，这时，物体克服所作的功转化为表面波系的动能。一、人体在流体中运动的阻力（一）流动阻力的性质3、在粘性流体中运动会受到阻力当物体在粘滞流体中运动时，即使物体作匀速运动，也会受到阻力。在速度较低的情况下，附着在物体表面的流体随物体一起运动，从而使物体表面的流体随物体一起运动，从而使物体表面流体层与邻近流体层间产生相对运动，由此产生的阻碍物体运动的流体层间的粘滞力，称为摩擦阻力或粘滞阻力。3、在粘性流体中运动会受到阻力当物体在粘滞流体中运动时，即使根据牛顿内摩擦定律（牛顿粘性定律）摩擦阻力与流体层间相对速度的横向变化率dv/dz

3、成正比，与相对运动的接触面积成正比，所以摩擦阻力的大小与物体相对流体的速度和物体的表面积 均成正比。由于运动物体前、后方存在压强差而产生“压差阻力”。当速度较大时，运动物体的尾部将产生涡旋，并使前、后方压强差明显增大，此时，压差阻力与速度的平方成正比，压差阻力将成为阻力的主要来源。根据牛顿内摩擦定律（牛顿粘性定律）4、阻力大小与身体姿势有关如图：高台滑雪运动员采用不同的身体姿势，在滑雪斜坡跑道经70-90米的下滑助跑后起跳，空中自由飞行阶段与空气的相对速度约为30m/s，人体相对于运动方向的投影面积约为0.2-0.9m2。其中，a、b、c、d、e、f表示运动员两手将滑雪杖置于胸前。c、d、e、

4、f表示运动员两手将滑雪杖置于体侧。4、阻力大小与身体姿势有关如图：高台滑雪运动员采用不同的身体注：被测试者为男性，身高1.70米，体重70千克，阻力单位为牛顿。结论：滑雪杖置于胸前且躯干紧贴大腿阻力最小。空中姿势abcdefcdef空气阻力11.811.912.115.119.519.917.319.123.526.2根据总阻力计算公式可得出风洞试验中，运动员在飞行中所受到的空气阻力（如表）注：被测试者为男性，身高1.70米，体重70千克，阻力单位为（二）流动阻力的分类流动阻力包括：摩擦阻力、压差阻力、兴波阻力、惯性阻力1、摩擦阻力摩擦阻力是流体与运动物体表面之间的摩擦力。主要与运动物体的表面

5、积、速度以及表面的粗糙程度等有关。摩擦阻力与物体的表面积和物体相对于流体的速度一次方成正比。（二）流动阻力的分类流动阻力包括：摩擦阻力、压差阻力、兴波阻2、压差阻力压差阻力是由于流动时流束变形以及涡旋的出现等原因，在物体的前方（迎流方）和后方产生压强差所引起的阻力。3、兴波阻力兴波阻力是由于物体在自由液面运动而产生波浪所引起的阻力。潜泳的距离。4、惯性阻力由于流体作非定常流动或运动物体在流体中作加速运动所引起的阻力。2、压差阻力二、人体在流体中运动的推进力人体主要可以利用流体的反作用力以及升力作为推进力。（一）升力体育运动中“升力”的概念的内涵已经有所扩大。除了典型的运动器械在空中受到向上的升

6、力外，还有其他方向的可以用升理论解释的流体动力效应。如自由泳时手掌受到的“升力”是向前方向，旋转的球体受到的“升力”是向侧向，而汽车赛车的尾翼受到的“升力”甚至是向下方向的。（二）流体的反作用力各类泳姿，自由泳、蝶泳、蛙泳和仰泳的上肢划水和下肢打水的准时力。还有蹼泳，是运动员穿着如海豚尾一样的脚蹼进行比赛，游进时双手不动，以何如部发力带动腿再带动脚蹼上下摆动前进。这些动作，是采用将水推向后方，从而获得水对人体的反作用力（即推进力）。二、人体在流体中运动的推进力人体主要可以利用流体的反作用力以三、游泳流体力学分析（一）流线形和水感1、流线形：保持流线形的身体姿势是减小游泳阻力的重要途径之一。保持

7、流线形，就是保证流线能够平稳地流过身体而不发生紊乱，防止紊流（湍流）出现。2、水感：水感是一种重要的能力。较好的水感就是熟悉水的流动。有水感的选手会知道如何用手掌抓水、推水，并让身体以最小的阻力，像鱼一样地在水中向前游进。图为流线形水滴。可见，标准的流线形体是具有钝圆的头部加上尖锐的尾部。这也可以说明为什么飞机机翼的截面及机身和潜艇的艇身都被设计成类似水滴形的流线形。三、游泳流体力学分析（一）流线形和水感图为流线形水滴。可见，简明运动生物力学课件5-5人体运动的流体力学分析-（二）划水1、曲肘划水直臂划水技术，手只在垂直于身体方向划水效率最高。较好的技术应是屈肘划水以缩短力臂。由牛顿第二定律F

8、=ma可知，手的质量m不变，加速度大可获得较大的力量，因此划水时应加速划水，以获得较大的推进力。同时，除加速划水外，需持续一段时间，划水路线宜长，以获得较大的冲量。（二）划水1、曲肘划水在静水中划水如果路线不变，只能在划水之初划到静水得到推进力，在划水的后半段，则因水会与手一起向后移动，没有或少有推进力，因此，较好划水技术应该是屈肘，经由不同的深度、路线划水（如“S”形），以划到最多的静水，获得最大的推动力。在静水中划水如果路线不变，只能在划水之初划到静水得到推进力，2、手掌的方位有实验证明，在水中直立时手掌的角度与手前进方向成40度时，向上的推举力最大，因此自由式的划水最有效的方式是，像螺旋

9、浆一样地划水，且随时调整手掌角度，以获得最大的推进力。2、手掌的方位有实验证明，在水中直立时手掌的角度与手前进方向自由泳划水时手掌的升力效应是既存在于有攻角时相，也存在于零攻角时相。由自由泳手臂的划水动作模式图可铜陵，以水平速度1.8米/秒的肩关节为原点，上臂长0.65米，划水臂的平均角速度为300/秒。当把一次划水动作分为1、2、3、4、5、6、7个位相，就会看到1、2、3位相手臂下压的趋势较大；5、6、7位相手臂上抬的趋势较大，这正是引起身体俯仰起伏的原因。有效的水平推力主要出现在3、4、5位相。自由泳划水时手掌的升力效应是既存在于有攻角时相，也存在于零攻从运动生物力学的角度改进划水技术可

10、从以下三个方面着手：第一，加长3、4、5位相的划水距离和迎水面积，可采用曲臂Z形或S形划水路线，并使手掌微屈，加大划水效果；第二，加快3、4、5位相的划水频率，屈臂可减小上肢转动惯量，提高手掌的线速度值，从而增大反作用力冲量；第三，在各个位相利用手掌的冲角产生的升力效应。从运动生物力学的角度改进划水技术可从以下三个方面着手：3、配速由前面流动的阻力分析可知，当运动物体在静止流体中作加速运动时，会带动周围的一部分流体一起运动，产生附加阻力（惯性阻力）。游泳划水时，身体移动的速度会加快，不划时就会慢下来这种模式像单冲程引擎，推进速度是不稳定的。越是不稳定的速度，能量的浪费也就越大。因此，长划距、有

11、节奏的划水可提高游泳速度的稳定性。这在技术上要求当一只手臂由空中移动时，另一只手臂是在水中划水，这种划水模式比较像二冲程引擎，一个活塞推动时另一个活塞在回复当中。3、配速（三）打腿打腿（打水）是游泳推进力的主要来源之一。推进原理的理论基础是莱特希尔（Lighthill）发展的卡门（Karman）涡街（列）推进理论。1、打腿推进力产生原理根据水生生物泳动的流体动力学分析，高效摆动推进时产生的力的方式，都和鸟类飞行时翼上的空气动力相似。通过在流体动力水槽中的研究，发现了在摆动时会产生如图所示的旋涡图。根据卡门涡街推进理论，涡旋是打腿（摆尾）的推进力的来源。卡门涡街（三）打腿打腿（打水）是游泳推进力

12、的主要来源之一。推进原理的在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、并排列成有规则的双列线涡。开始时，这两列线涡分别保持自身的运动前进，接着它们互相干扰，互相吸引，而且干扰越来越大，形成非线性的所谓涡街。卡门涡街是粘性不可压缩流体动力学所研究的一种现象。流体绕流高大烟囱、高层建筑、电线、油管道和换热器的管束时都会产生卡门涡街。卫星拍摄的卡门涡街在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落当脚在最高位置时，向下击水，产生逆时针方向的旋涡，给蹼下方的水一个向后的冲量，因而水给人体一个向前的反作用力；而当脚蹼在最低位置时，向上击水，产生顺时针方向的旋

13、涡，给蹼上方的水一个向后的冲量，因而水又给人体一个向前的反作用力，这就是游进时的推进力。另一方面，流体在流过物体时在一定条件下会因出现卡奴役和涡街产生周期性变化的阻力，而上述分析中的尾涡涡列方向及排列恰与卡门涡街相反，因此卡门涡街为阻力，游泳打腿则为动力。辩证地看待旋涡：因为推进力与涡量强度成正比，因而需要保证一定的涡量强度，以保证所产生的推力足以克服阻力；另方面，由于机械能损失与涡量的平方成正比，故应避免过强的旋涡，以减少能量损失。当脚在最高位置时，向下击水，产生逆时针方向的旋涡，给蹼下方的身体的侧向摆动，蛇形游进，或向左右两侧打腿，也都会增加体侧后方的漩涡。因而增加了形状阻力。物体前面的形

14、状越不好，（非流线型），压力就越大，物体后面的形状越不好，漩涡就越多，压力就越小，物体前后的压力差越大，所受的形状阻力（也称漩涡阻力）越大。因此，在游泳时保持身体的流线型是非常重要的。在出发和转身后的滑行中，身体要保持平直和一定的紧张度，做好流线型，以减少漩涡阻力（可图示）。蛙泳应先伸臂再蹬腿，让手臂接近伸直，做好流线型再蹬腿，不要屈臂在胸前或伸臂同时蹬腿。另外，蹬完腿应拼拢伸直，不要弯曲分腿。爬泳、蝶泳、仰泳打腿时要伸直脚面，勾着脚都会在身后出现大面积的漩涡。浪花表示形状（漩涡）阻力。形状阻力最小的是流线型体，如果流线型体的阻力系数为1，那么截面相等，速度相同的其他形状物体的阻力要大许多，甚

15、至30-100倍。身体的侧向摆动，蛇形游进，或向左右两侧打腿，也都会增加体侧后2、潜泳打腿自由泳、蝶泳和仰泳的比赛中，经常可以见到运动员转身后在水面下较深处以海豚方式打水，而不是立即浮出水面划水。其原因是：（1）因为水下没有波浪阻力；（2）是在较深处无论是上打水还是下打水，都能产生推力，效率较高，因此游速较快，且两臂也能有短暂的休息时间，出水面后可加速向前划水。而在水面游泳，只有向下打水有推力，效率较低。2、潜泳打腿自由泳、蝶泳和仰泳的比赛中，经常可以见到运动员转简明运动生物力学课件5-5人体运动的流体力学分析-四、人体运动的流体力学特性（一）流动的阻力应包括惯性阻力。减小惯性阻力的途径是，保

16、持动作的连贯性，尽量减少速度的变化。（二）摩擦阻力和压差阻力均与物体的形状有关，故不宜用形状阻力来表示压差阻力。可以通过改进技术动作和运动器材减弱压差阻力。（三）根据流动阻力的性质，肢体回程动作阻力的概念缺乏分类的依据。肢体回程动作的阻力的产生，仍是摩擦阻力、压差阻力、兴波阻力和惯性阻力作用的结果。四、人体运动的流体力学特性（一）流动的阻力应包括惯性阻力。减（四）体育运动中的“升力”已不限于对“上升”的分析，“升力”可以向前、向侧甚至是向下。（五）升力以及旋转球侧向力均源于流速差产生的压强差。（六）对于有动力的人体的运动来说，旋涡的产生并不总是起阻碍作用。如何合理的利用涡量强度，产生推力克服阻

17、力；同时出现避免过强的旋涡，减少能量损失，给运动技术的改进提供了新视角。（四）体育运动中的“升力”已不限于对“上升”的分析，“升力”五、认识鲨鱼皮泳衣鲨鱼皮泳衣（shark-skin like swimsuit）其他称呼：神奇泳衣、SPEEDO泳衣，LZRRacer泳衣、快皮泳者在水中遇到的阻力，与水的密度、泳者的正面面积、摩擦系数及泳者速度的平方成正比，因此减少正面面积和摩擦系数是设计低阻力泳的关键。五、认识鲨鱼皮泳衣鲨鱼皮泳衣（shark-skin like鲨鱼皮泳衣它的核心技术在于模仿鲨鱼的皮肤，鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶可以大大减少水流的摩擦力，使身体周围的水流更高效地流过，鲨鱼得以快

18、速游动。该泳衣的超伸展纤维表面便是完全仿造鲨鱼皮肤表面制成的。此外，这款泳衣还充分融合了仿生学原理：在接缝处模仿人类的肌腱，为运动员向后划水时提供动力；在布料上模仿人类的皮肤，富有弹性。被禁用实验表明，快皮的纤维可以减少3%水的阻力，对于1%秒就能决定胜负的游泳比赛，其意义不言而喻。鲨鱼皮泳衣它的核心技术在于模仿鲨鱼的皮肤，鲨鱼皮肤表面粗糙的第I代鲨鱼皮（2000年Fastskin）采用纤维模仿鲨鱼皮肤结构，能引导周围的水流，减少水阻力并提高游速3%7.5%。作为鲨鱼皮的代表，这款泳装在悉尼奥运会上风靡全球，有83%的参赛选手身穿鲨鱼皮参加比赛。第II代鲨鱼皮（2004年 Fastskin 2

19、）在第1代的基础上，在面料表面加上颗粒状的小点，目的是减少30%的水阻，整体功能比第1代提升7.5%。2004年雅典奥运会上获得奖牌的运动员中有47人身穿该款泳衣。第I代鲨鱼皮（2000年Fastskin）第III代鲨鱼皮（ 2007年 Fastskin Pro）由防氧弹性纱和特细尼龙纱组成，弹性比同类产品高15%，可减少肌肉振动和能量损耗。2007年协助世界各国运动员先后21次打破世界纪录。第IV代鲨鱼皮（ 2008年 Fastskin LZR Racer）由极轻、低阻、防水和快干性能LZR Pulse面料组成，是全球首套以高科技熔接生产的无皱褶比赛泳装。2008年泳池里共诞生105项世界纪

20、录，其中79项由它制造。在近1个月内产生的16项新的世界纪录中，有14项是由选手穿着这款泳衣创造的。第III代鲨鱼皮（ 2007年 Fastskin Pro）高科技孕育第四代“鲨鱼皮”第四代“鲨鱼皮”由Speedo公司、美国宇航局和澳洲流体实验室联合开发。与前三代产品全黑的外形不同，LZRRacer的表面有黑色和灰色两种色块；摸上去轻、薄、透，手感发沙。这款泳衣精妙之处首先在于材料。据称，这种叫做“LZRPulse”的特殊材料是借助了美国国家航空及太空总署(NASA)测试航天器进入地球大气层后表面承受摩擦力的风洞，对100余种材料进行了测试后选定的。美国宇航局为此提供了空洞试验和火箭技术，泳衣

21、面料中已经没有了传统意义上的纺织物。“LZRPulse”通过将贴近体表的水排开，保证水和肌肤的最少接触，以达到减阻的效果。其针织技术同样超前，LZRRacer是世界上首件100%利用超声波粘合的泳衣，周身找不到一处接缝，因此也减少了部分阻力。泳衣的灰色部分是高弹力的特殊材质，包裹在几个主要的大肌群上，强有力地压缩运动员的躯干与身体其他部位，降低肌肉与皮肤震动，帮助运动员节省能量、提高成绩。此外，贴合脊椎的波浪形拉链、独特的腰部加固技术，都使这件泳衣充满高科技含量。高科技孕育第四代“鲨鱼皮”简明运动生物力学课件5-5人体运动的流体力学分析-简明运动生物力学课件5-5人体运动的流体力学分析-简明运

22、动生物力学课件5-5人体运动的流体力学分析-解剖第四代“鲨鱼皮”材料：据称，这种叫做“LZRPulse”的特殊材料是借助了美国国家航空及太空总署(NASA)测试航天器进入地球大气层后表面承受摩擦力的风洞，对100余种材料进行了测试后选定的。美国宇航局为此提供了空洞试验和火箭技术，泳衣面料中已经没有了传统意义上的纺织物。“LZRPulse”通过将贴近体表的水排开，保证水和肌肤的最少接触，以达到减阻的效果。其针织技术同样超前，LZRRacer是世界上首件100%利用超声波粘合的泳衣，周身找不到一处接缝，因此也减少了部分阻力。外观：泳衣的灰色部分是高弹力的特殊材质，包裹在几个主要的大肌群上，强有力地

23、压缩运动员的躯干与身体其他部位，降低肌肉与皮肤震动，帮助运动员节省能量、提高成绩。此外，贴合脊椎的波浪形拉链、独特的腰部加固技术，都使这件泳衣充满高科技含量。解剖第四代“鲨鱼皮”材料：据称，这种叫做“LZRPulse”解剖第四代“鲨鱼皮”材料：据称，这种叫做“LZRPulse”的特殊材料是借助了美国国家航空及太空总署(NASA)测试航天器进入地球大气层后表面承受摩擦力的风洞，对100余种材料进行了测试后选定的。美国宇航局为此提供了空洞试验和火箭技术，泳衣面料中已经没有了传统意义上的纺织物。“LZRPulse”通过将贴近体表的水排开，保证水和肌肤的最少接触，以达到减阻的效果。其针织技术同样超前，

24、LZRRacer是世界上首件100%利用超声波粘合的泳衣，周身找不到一处接缝，因此也减少了部分阻力。外观：泳衣的灰色部分是高弹力的特殊材质，包裹在几个主要的大肌群上，强有力地压缩运动员的躯干与身体其他部位，降低肌肉与皮肤震动，帮助运动员节省能量、提高成绩。此外，贴合脊椎的波浪形拉链、独特的腰部加固技术，都使这件泳衣充满高科技含量。解剖第四代“鲨鱼皮”材料：据称，这种叫做“LZRPulse”数字解读第四代“鲨鱼皮”100%-它是世界上首件100%利用超声波粘合的泳衣，周身找不到一处接缝，能减少4-7%的阻力；40-要穿上它至少要花费40分钟，需要队友帮助；48-从2008年“鲨鱼皮”问世到本届奥

25、运会开始之前，已经有48项纪录被穿着它的运动员打破；10%-5%-2%-比起上一代“鲨鱼皮”，新泳及至少降低10%的水中阻力，并且减少5%的氧气消耗，成绩提高2%；400-Speedo的设计团队为了做出更符合人体曲线的泳衣，先后对400多名泳坛名将的身体进行了三维立体扫描；70-新版“鲨鱼皮”在胸部、臀部等人体阻力最大的部位，采用特殊材料对肌肉进行压缩，把运动员的身体尽可能塑造成流线形。为了达到这些目的，这款泳衣比一般泳衣要紧70倍；7000-每件“鲨鱼皮”泳衣的造价大约为人民币7000元；6-因为每穿一次高档泳衣都会对纤维材料产生磨损，而且其材质较为特殊，因而提速泳衣的最佳使用次数仅为6次。

26、数字解读第四代“鲨鱼皮”100%-它是世界上首件100六、对菲尔普斯的分析-菲尔普斯的特点1、泳池中的黄金比例体型：他的身体特点是人类中最接近鱼的一位。如果单从体型上看，没有人认为菲尔普斯是一个标准帅哥。他身高193cm，但是上下身的比例严重失调。上身的长度大约和207cm高的人长度相当，而双腿却只和175cm高的人长度相当。常人的身高和臂展相差不大，而他的臂展却达到了201cm，超出身高14cm，像三国时的蜀主刘备那样双手过膝。这注定了他站在陆地上时，看起来体型有点怪异。事实上，菲尔普斯的确在陆地上很不适应，不时莫名其妙地跌倒，有一年就曾摔了一跤，导致右腕骨折。但是这样的身材，可称为泳池中的

27、黄金比例，在泳池中双臂发力时省力而高效。菲尔普斯说过：“如果我能在水中睡觉而不需离开，那或许是我最安全的地方。我在那里永远不会受到伤害，永远不会有任何问题。” 六、对菲尔普斯的分析-菲尔普斯的特点1、泳池中的黄金比2、大脚如蹼大手如桨菲尔普斯那双大脚，相当于我们通用标准47号的鞋，在水中好像安上了一副脚蹼，腿虽短但助推力极强。而且，其短而粗壮的大腿，则更容易在触壁时发力。根据了解，菲尔普斯触壁后能利用推力“滑”出10米多，比别人多滑出三四米，这远比击水游泳要快。同时，菲尔普斯臂展达到2米的长胳膊每划一下都比别人前进更多，好像划船时的船桨。2、大脚如蹼大手如桨从肚脐到头顶的距离与足部到肚脐的距离之间的比例应该是1:1.618；但菲尔普斯身体的这一比例是1:1.7。对比与他同样身高的人，他的腿短而上半身更长。据说他的裤子腰围约86厘米，而长度只有81厘米左右。菲尔普斯的腿甚至比身高175厘米的长跑名将奎罗伊还要短。据此人们得出结论：菲尔普斯这样的体型非常接近于一条鱼。3、完美的人体存在一个“黄金分割比”从肚脐到头顶的距离与足部到肚脐的距离之间的比例应该是1:1.简明运动生物力学课件5-5人体运动的流体力学分析-菲尔普