《简明运动生物力学》课件55人体运动的流体力学分析.ppt
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- 简明运动生物力学 简明 运动 生物力学 课件 55 人体 流体力学 分析
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1、第四节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人体运动的流体力学分析一、人体在流体中运动的阻力一、人体在流体中运动的阻力(一)流动阻力的性质(一)流动阻力的性质 1 1、在理想不可压缩流体中作匀速直线运动不受阻力、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。对于以运动方向的总阻力或垂直于运动方向的总
2、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。向为对称轴的物体,则根本不受力的作用。2 2、加速运动存在阻力、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。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。另外,当物性,使其动能不断增加,其效果就像物体的质量增加了一样。另外,当物体在理想不可压缩流体的自由表面上运动时,还会受到体在理想不可压缩流体的
3、自由表面上运动时,还会受到“兴波阻力兴波阻力”,这,这时,物体克服所作的功转化为表面波系的动能。时,物体克服所作的功转化为表面波系的动能。3 3、在粘性流体中运动会受到阻力、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体层与邻近流体层间产生相对运动,由此
4、产生的阻碍物体运动的动,由此产生的阻碍物体运动的流体层间的粘滞力,称为流体层间的粘滞力,称为摩擦阻摩擦阻力或粘滞阻力力或粘滞阻力。根据牛顿内摩擦定律(牛顿粘性定律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摩擦阻力与流体层间相对速度的横向变化率变化率dv/dzdv/dz成正比,与相对运动的接成正比,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与物体相对流体的速度和物体的表面积积 均成正比。均成正比。由于运动物体前、后方存在压强差而由于运动物体前、后方存在压强差而产生产生“压差阻力压差阻力”。当速度较大时,。
5、当速度较大时,运动物体的尾部将产生涡旋,并使前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、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。将成为阻力的主要来源。/fAdv dz 4 4、阻力大小与身体姿势有关、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,在滑雪斜坡跑道经道经70-9070-90米的下滑助跑后起跳,空中自由飞行阶段与空气的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相对速度约为30m/s30m/s,人体相对于
6、运动方向的投影面积约为,人体相对于运动方向的投影面积约为0.20.2-0.9m-0.9m2 2。其中,。其中,a a、b b、c c、d d、e e、f f表示运动员两手将滑雪杖置表示运动员两手将滑雪杖置于胸前。于胸前。c c?、d d?、e e?、f f?表示运动员两手将滑雪杖置于体侧。表示运动员两手将滑雪杖置于体侧。注:被测试者为男性,身高注:被测试者为男性,身高1.701.70米,体重米,体重7070千克,阻力单位为牛顿。千克,阻力单位为牛顿。结论:结论:滑雪杖置于胸前且躯干紧贴大腿阻力最小。滑雪杖置于胸前且躯干紧贴大腿阻力最小。空中姿势abcdefc?d?e?f?空气阻力11.8 11
7、.9 12.1 15.1 19.5 19.9 17.3 19.1 23.5 26.2根据总阻力计算公式可得出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)风洞试验中,运动员在飞行中所受到的空气阻力(如表)(二)流动阻力的分类(二)流动阻力的分类流动阻力包括:流动阻力包括:摩擦阻力、压差阻力、兴波阻摩擦阻力、压差阻力、兴波阻力、惯性阻力力、惯性阻力1 1、摩、摩擦阻力擦阻力摩擦阻力是流体与运动物体表面之间的摩擦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积、速度以及表面的。主要与运动物体的表面积、速度以及表面的粗糙程度等有关。摩擦阻力与物体的表面
8、积和粗糙程度等有关。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。物体相对于流体的速度一次方成正比。2 2、压差阻力、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因,在物体的前方(迎流方)和后方产生压强差所引起的阻力。起的阻力。3 3、兴波阻力、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。起的阻力。潜泳的距离。4 4、惯性阻力、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由于流体作非定常流动或运
9、动物体在流体中作加速运动所引起的阻力。动所引起的阻力。二、人体在流体中运动的推进力二、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及升力作为推进力。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(一)升力 体育运动中体育运动中“升力升力”的概念的内涵已经有所扩大。除了典型的运动器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力外,还有其他方向的可以用升理论解释的流械在空中受到向上的升力外,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体动力效应。如自由泳时手掌受到的“升力升力”是向前方向,旋转的球是向前方向,旋转的球体受到的体受到
10、的“升力升力”是向侧向,而汽车赛车的尾翼受到的是向侧向,而汽车赛车的尾翼受到的“升力升力”甚至甚至是向下方向的。是向下方向的。(二)流体的反作用力(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),是采用将水
11、推向后方,从而获得水对人体的反作用力(即推进力)。三、游泳流体力学分析三、游泳流体力学分析(一)流线形和水感(一)流线形和水感 1 1、流线形:保持流线形的身体、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姿势是减小游泳阻力的重要途径之一。保持流线形,就是保证流之一。保持流线形,就是保证流线能够平稳地流过身体而不发生线能够平稳地流过身体而不发生紊乱,防止紊流(湍流)出现。紊乱,防止紊流(湍流)出现。2 2、水感:水感是一种重要的能、水感:水感是一种重要的能力。较好的水感就是熟悉水的流力。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动。有水感的选手会知道如何用手掌抓水、推水,并让
12、身体以最手掌抓水、推水,并让身体以最小的阻力,像鱼一样地在水中向小的阻力,像鱼一样地在水中向前游进。前游进。图为流线形水滴。可见,标准图为流线形水滴。可见,标准的流线形体是具有钝圆的头部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身和潜艇的艇身都被设计成类似水滴形的流线形。似水滴形的流线形。(二)划水(二)划水1 1、曲肘划水、曲肘划水直臂划水技术,手只在垂直于身体方向划水直臂划水技术,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效率最高。较好的技术应是屈肘划水以缩
13、短力臂。由牛顿第二定律力臂。由牛顿第二定律F=maF=ma可知,手的质量可知,手的质量m m不变,加速度大可获得较大的力量,因此划不变,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。路线宜长,以获得较大的冲量。在静水中划水如果路线不变,只能在划水之初划到静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
14、好划水技术应该是移动,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(如屈肘,经由不同的深度、路线划水(如“S S”形),以划形),以划到最多的静水,获得最大的推动力。到最多的静水,获得最大的推动力。2 2、手掌的方位、手掌的方位有实验证明,在水中直立时有实验证明,在水中直立时手掌的角度与手前进方向成手掌的角度与手前进方向成4 40 0度时,向上的推举力最大,度时,向上的推举力最大,因此自由式的划水最有效的因此自由式的划水最有效的方式是,像螺旋浆一样地划方式是,像螺旋浆一样地划水,且随时调整手掌角度,水,且随时调整手掌角度,以获得最大的推进力。以获得最大的推进力。自由
15、泳划水时手掌的升力效应是既存在于有攻角时相,也存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,在于零攻角时相。由自由泳手臂的划水动作模式图可铜陵,以水平速度以水平速度1.81.8米米/秒的肩关节为原点,上臂长秒的肩关节为原点,上臂长0.650.65米,划水臂米,划水臂的平均角速度为的平均角速度为300/300/秒。秒。当把一次划水动作分为当把一次划水动作分为1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7个位相,就会看个位相,就会看到到1 1、2 2、3 3位相手臂下压的趋势较大;位相手臂下压的趋势较大;5 5、6 6、7 7位相
16、手臂上抬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推力主要出现在3 3、4 4、5 5位相。位相。从运动生物力学的角度改进划水技术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:可从以下三个方面着手:第一,加长第一,加长3 3、4 4、5 5位相的划水距离和位相的划水距离和迎水面积,可采用曲臂迎水面积,可采用曲臂Z Z形或形或S S形划水形划水路线,并使手掌微屈,加大划水效果路线,并使手掌微屈,加大划水效果;第二,加快第二,加快3 3、4 4、5 5位相的划水频率,位相的划水频率,屈臂可减小上肢转动惯
17、量,提高手掌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第三,在各个位相利用手掌的冲角产生的升力效应。生的升力效应。3 3、配速、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(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。会慢
18、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、有越是不稳定的速度,能量的浪费也就越大。因此,长划距、有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。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。(三)打腿(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打腿(打水)是游泳推进力的主要来源之一。
19、推进原理的理论基础是莱特希尔(莱特希尔(LighthillLighthill)发展的卡门()发展的卡门(KarmanKarman)涡街(列)推进理论。)涡街(列)推进理论。1 1、打腿推进力产生原理、打腿推进力产生原理根据水生生物泳动的流体动力学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,涡旋是打腿卡门涡街推进理论,
20、涡旋是打腿(摆尾)的推进力的来源。(摆尾)的推进力的来源。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出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
21、筑、电线、油管道和换热器究的一种现象。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。的管束时都会产生卡门涡街。卫星拍摄的卫星拍摄的卡门涡街卡门涡街 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涡,给蹼上方的水一个最低位置时,向上击水,产生顺时针方向的旋涡,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,这就是游进时的向后
22、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。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
23、力;另方面,由于机械能损失与涡量的平方以克服阻力;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。成正比,故应避免过强的旋涡,以减少能量损失。身体的侧向摆动,蛇形游身体的侧向摆动,蛇形游进,或向左右两侧打腿,进,或向左右两侧打腿,也都会增加体侧后方的漩也都会增加体侧后方的漩涡。因而增加了形状阻力。涡。因而增加了形状阻力。物体前面的形状越不好,(非流线型),压力就越大,物物体前面的形状越不好,(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
24、大。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
25、着脚都曲分腿。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。会在身后出现大面积的漩涡。浪花表示形状(漩浪花表示形状(漩涡)阻力。形状阻涡)阻力。形状阻力最小的是流线型力最小的是流线型体,如果流线型体体,如果流线型体的阻力系数为的阻力系数为1 1,那,那么截面相等,速度么截面相等,速度相同的其他形状物相同的其他形状物体的阻力要大许多,体的阻力要大许多,甚至甚至30-10030-100倍。倍。2 2、潜泳打腿、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
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