人体运动中的流体阻力在线视频

同学们大家好

今天我与大家讨论的内容是

人体运动中流体的阻力

之前的老师已经给大家介绍了

流体力学的一些基本知识和概念

给大家讲解了流体力学的伯努利定律

和马格努斯效应

那么今天我们在此基础

进一步给大家分别介绍

人在水中和空气中运动时

所受到的阻力问题

那么物体在流体中运动

会受到哪些阻力呢

物体在流体中运动的阻力包括

摩擦阻力和压差阻力

如果在水中运动

还会有兴波和碎波阻力

摩擦阻力是指由于流体的粘性作用

流体流经物体表面时

物体表面会产生与物体相切的摩擦力

这种摩擦力的合力就是摩擦阻力

什么是压差阻力呢

流体流经非流线型物体时

会在物体后面产生流速较快的尾流区域

物体前面流速慢

压强大

物体后面流速大

压强小

因此物体前后具有压强差

由此而产生的阻力

就是压差阻力

又叫形状阻力

流体流经流线型物体时

尾流区域还小或没有

压差阻力很小

从这张图可以看出

相同横截面积的不同形状的物体

在流体中受到的压差阻力大小不同

当物体在水中运动时

物体后面会兴起波浪

显然这个波浪的能量

是由运动物体对水体做功提供的

因此物体将由于兴波而遭受阻力

这就是所谓的兴波阻力

兴起的波浪很快破碎

产生的阻力称为碎波阻力

好

总体概念明确之后

首先我们看游泳时的阻力

人游泳时受到的阻力主要包括3部分

摩擦阻力 压差阻力 形状阻力

和兴波 碎波阻力

摩擦阻力一般不超过游泳时总阻力的15%

以前

很多人都以为运动员游泳时

主要受到的是摩擦阻力

所以通过在身上抹油

或者穿非常光滑的游泳衣来降低摩擦阻力

但是效果并不好

因为摩擦阻力

其实并不是游泳时受到阻力的主要来源

游泳时受到的阻力主要来源于压差阻力

也就是说人在游进过程中

人体的形状不是流线型

水流经人体表面时

会在人身后

或者一些凹凸的地方形成涡旋

产生压差阻力

压差阻力占游泳总阻力的50%-80%

显然

想办法减少游泳时的压差阻力

才能有效减少总阻力

那游泳运动员应该如何减少压差阻力呢

首先

运动员在水中游进时

应尽量保证身体与水面平行

从这个表里的数据可以看到

运动员在水里不同的姿势

会造成阻力变化

身体与水面越不平行

也就是与水面的夹角越大

受到的阻力越大

在蛙泳收腿结束姿势时

会受到非常大的阻力

第二点

运动员要尽量使自己的身体轮廓

成为流线型

使水流经身体过程中减少涡动和涡旋

2009年国际游泳联合会

禁止运动员在比赛中穿着所谓高科技泳装

就是因为这些泳装通过材质 弹性分布

和增加覆盖面积的设计

大大减少了运动员游泳的阻力

减少了运动员游泳时的耗能

有效地提高了成绩

在这种高科技泳装的帮助下

在2008年一年里

就有100项游泳世界纪录被打破

下面我就来看下

高科技泳衣是如何减少游进阻力的

首先

这种泳装的表面

有类似鲨鱼皮肤的结构 嵴状物突起

这种结构可以使水流经时

尽量依附表面流过

减少涡动和涡旋

第二

这种泳装非常紧

而且在胸部 臀部 大腿等

人体表面凸起的位置更紧

一方面减少游进过程中肌肉颤动

导致的阻力

更重要的是减少人体表面凸起

把人体紧束成流线型

这两方面的作用

大大减少了游进过程中的压差阻力

另外到2009年

有些高科技泳装还采用聚亚安酯材料

使泳衣在减阻的同时提高了浮力

当高科技泳衣

帮助运动员成绩快速突破的同时

人们也逐渐醒悟

如果再不限制高科技泳衣的使用

游泳比赛将不再是运动员之间的比拼

因此国际泳联决定

在2010年全面禁止运动员

穿着聚亚安酯材料制作的泳衣参加比赛

同时规定了男女运动员泳衣

不能覆盖的位置

我们看到

2010年以后游泳运动员

穿的都是纺织材料制成的无袖泳衣

除了泳衣泳帽的使用也可以减少阻力

现在游泳运动员往往先带一个泳帽

在第一个泳帽外面带泳镜

再戴一个泳帽

这样可以减少泳镜的橡胶带

产生的形状阻力

而且一些公司还着力设计泳镜的形状

使泳镜能够改善运动员脸部结构

所产生的形状阻力

那么除了摩擦阻力和形状阻力

人游泳过程中受到的阻力

还有兴波和碎波阻力

我们可以看到

鱼在游进过程中产生的波浪相对是很小的

但人在游泳过程中由于身体动作

会产生较大的兴波和碎波阻力

但是不同运动员

由于水感 技术水平的差异

动作产生的波浪大小不同

受到的兴波和碎波阻力也不同

最后

再介绍下运动员在空气中

运动所受到的阻力

一般的人或者物体

在空气中运动所受到的阻力

与空气密度 与气流相对的正面投影面积

取决于身体形状

和雷诺尔系数的迎面阻力系数

以及运动员相对于气流的速度有关

F = 1/2 ρ.S.Cd.V^2

人在跑步时

速度为5.1m/s时（马拉松）

空气阻力约为0.9kg

跑速为10～12m/s时

也就是短跑的速度

空气阻力约为2.5~4.2kg

因此越是高速运动的项目

越要想办法减少跑步时受到的空气阻力

对于自行车运动员来说

高速骑行所发挥出来的能量

有80～90％消耗在与空气阻力的对抗中

这种空气阻力主要是压差阻力

也就是由运动员和自行车的形状

决定的阻力

自行车运动员受到的空气阻力

可以用F＝0.043 ·S ·V^2计算

从这个公式可以看出

与气流相对的正面投影面积

是非常影响空气阻力的

因此运动员在比赛过程中

均会保持低姿骑行的姿态

当然自行车 运动员

运动员的头盔 鞋 服装的形状和材料

也会大大影响空气阻力

我们可以看到

自行车头盔形状的设计

自行车鞋的结构

封闭车轮 自行车框架等等

无处不是经过精心设计

以减少骑行过程中的阻力

英国等自行车项目成绩很好的国家

还会利用风洞对自行车和运动员

进行整体的检测

以确定自行车结构形状产生阻力

以及分析运动员骑行姿势

和自行车的配合对阻力的影响

好

我们总结一下这节课的内容

首先

我们介绍了人在空气或游泳过程中

可能受到的阻力的类型和产生的原因

这些阻力包括摩擦阻力

压差阻力 兴波和碎波阻力

之后我们介绍了

如何降低游泳过程中的阻力

我们知道了高科技泳装

通过改善人体流线型形状

以及泳衣表面结构的设计

降低水流流经泳衣表面时

所产生的涡动和涡旋

从而降低压差阻力

同时运动员还要掌握合理的游泳技术

以降低由于身体姿势和动作而产生的阻力

我们还知道了压差阻力

也是造成运动员在空气中运动时

所受阻力的 重要来源

因此通过身体姿势的调整 头盔

以及有关器械构型的设计

来降低这种压差阻力

好

这次课就讲到这里

同学们再见