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流体力学在游泳池的运用054290 卢婷 女子动画物理学中，研究流体宏观运动的这部分力学，称为流体力学。它分为流体静力学和流体动力学两部分。流体静力学研究流体平衡时力的宏观状态和规律，其主要内容有比重、液体内部压强、浮力和阿基米德定律等。众所周知水的一条最为重要的自然属性水是一种流体。接下来就分析一下流体力学在游泳池的运用。流体动力学告诉我们：游泳运动取决于二个基本因素我们施加的推进力和我们遭遇到的阻力或者是障碍力。不管我们如何使自己保持身体的流线型，阻力都是难以克服的。这就是说全凭力气游泳并不会使你成为游泳好手，然而知道一些物理知识迟早会派上用场的。首先让我们分析一下水的自然特性第一，关于水的粘滞性  流体均具有粘滞性，它产生于分子间相互吸引作用，在流体力学中称为“内聚力”。粘滞性随温度升高而降低，水的粘滞性在260C时为空气的48倍（水0.89×10-3牛顿秒米，空气=1.83×10-5牛顿秒米）。  水在静止时各方向压力平稳，粘滞性不显示作用，当水受到的外力大于水的内聚力时，水层压力产生变化，水分子间的连结被冲散，由于相互吸引关系产生水层磨擦来对抗外力，直至外力被削弱静止。外力越大，内聚力被冲散越严重，分子间磨擦现象越激烈。此即人体或物体在水中运动时构成阻力的根源。游泳时一切动作都会受制于水粘滞性因素形成的阻力作用，它是水环境中力作用的重要因素之一。第二， 关于水的压力：水有压力。当人站立在齐胸深的水中，就会明显地感受到水的压力存在。因为，此时人在水中呼吸变得完全不同于平时在陆上呼吸那样轻松自如，尤其在吸气时感到费力。这种现象就是水的压力在起作用。压力指垂直作用于物体表面的力。单位面积上受到的压力称为压强。液体内部向任何方向都有压强。在同一深度，向各个方向的压强都相等。深度增加压强也随着增加。液体内部某处的压强p等于那里的深度h跟液体的密度和重力加速g的乘积。即Pgh。因而水的压力也随水的深度增加而增大，水的压强变化如图21，人体在水中，上面的水对人体压强小，下面的水对人体压强大，两侧压强相等。这样，上、下压强之差就产生了一种把人托起的力，这种把人向上托起来的力就是浮力。 第三， 关于水的流动性  水具有流动性。水在受到压应力和切应力影响时，若外力大于水的原有内聚力，水层将被撕裂并产生局部高于其他水层的压力，由于水流体具有压力平衡的性质，高压区的流体流向低压区或伴随外力的方向流动，以此达到流体的平衡，这种压力转换过程称为流动。根据流体力学的规律，流体流动时，如流速由大变小，压强就由小变大，反之，如流速由小变大，压强就由大变小。正是这种原因，人在水中得不到固定支撑。大部分动作冲量都转移到水的流动上去，使人的动作冲量被流体的流动性所吸纳、抵耗与分散而得不到象陆地上动作用力的效果，故人难以在水中表现出爆发式用力的现象。第四， 关于水的密度  密度是某种物质的质量和其体积的比值。其数学表达式为mv，常用单位为克厘米3、吨米3。水的密度在40C时为1克厘米3或1千克分米3或1吨米3。海水的密度为1.03吨米3，因为海水的密度与溶解在海水中盐成份含量有关。在260C和一个大气压的条件下，水的密度为996千克米3，而空气的密度为1.18千克米3，水的密度约为空气密度的844倍。第五， 关于水的难以压缩性  水作为一种液体，它具有难以压缩的特性，水在每增加一个大气压时仅缩小120000。在一限定的容器内，被施加一定压力的水的体积不会因压力的增加而改变，所以水的密度不会因水的深度变化而产生变化。任何物体入水后，水不会缩小体积，而是以物体体积换取等量水的容积，因而入水物体要受到等量容积水的作用力，使物体重量被水的重量平衡，人体本身大部分也是水分。所以，人体也具备与水相同的不可压缩的特性。接着让我们分析下人体在水中飘浮的能力在没有受到其他物体的支持时，浸入水中的物体，在竖直方向上受到两个力的作用。一个是重力，一个是浮力。重力是由于地球的吸引力而使物体受到的力，其方向向下。浮力是由于流体内部压强差而产生对物体的一种向上的托力，其方向是向上的。浮力的大小等于该物体所排开的流体的重量，即“阿基米德原理”。物体在水中的浮沉，决定于其所受到的重力和浮力的关系。当浮力大于重力时，则上浮；浮力小于重力时，则下沉；浮力等于重力时，则悬浮。  物体在水中的浮沉可以直接从其密度看出来。当浸入水中的物体的密度小于或等于水的密度，这一物体就可漂浮。如浸入水中的物体的密度大于水的密度，这一物体就下沉。 通常所说的人体密度是指人身体的平均密度。如以解剖学概念理解人体的密度则有不同，例：人体的骨骼器官密度比水的密度要大50，肌组织和体液的密度也略高于水的密度，而脂肪与充气的肺叶的密度则小于水的密度。第一， 呼吸对身体飘浮的影响作用  人体密度平均值接近于水的密度，约为0.961.05克厘米3。而人的胸廓与肺器官可通过气体交换有节律性地改变人的平均密度。吸气后体积变大，密度变小，约为0.960.99克厘米3，人体在水中可浮起来。呼气时体积减小，密度加大，约为1.021.05克厘米3，身体下沉。通过肺呼吸对身体体积变化的控制，可影响并左右人的平均身体密度，这就是人可具备飘浮能力的关键因素。  一个人当他吸气后身体可飘浮起来，当他呼气后身体就沉下去，这一类人被称为“受呼吸制约的漂浮者”。因为，他的身体是漂或是沉取决于呼吸对胸廓容积的改变。另一类人无论她吸气、呼气、胸廓扩张与否均不影响她的漂浮，这一类人属于“天然的漂浮者”。原因是这一类人的身体密度小于水的密度，既使在呼气之后仍然如此。这一类人身体器官组织低密度成分的百分比高于常人，比如皮下脂肪、脏器脂肪附着、腹腔大网膜比例高，典型人群为肥胖的女性。  当然，还有一类人，他们的身体密度高于常人，既使充分吸气使胸廓扩张也无法获得足够的排水量使身体飘起。这一类人多见于代谢水平高、皮下脂肪沉着很少、肌肉骨骼发达、又多从事重力量劳动的青年男性。典型人群为男子中长跑或马拉松运动员。我们称为“天然的下沉者”。第二， 人体不同的漂浮姿态对漂浮时的影响  人体的平均密度决定了他所具备的漂浮能力，而人体的漂浮姿态受到浮心和重心的影响，重心是身体各部分质量的平衡点，是重力对身体所施加向地心的合力中心。重心随人体姿态的变化而相应变化。浮心可被视为身体体积排开水的重量后获得向上的浮力中心。 当人体浸没于水中时，他的重心与排开水体积的浮心不在一个重合点上。浮心一般靠近人的胸廓，而重心多靠近人的骨盆上端。总之在水平状态漂浮时，重心与浮心之间的力矩越长，转动的扭矩力就越大，人体下肢的下沉就越快。如果下肢下沉较快，则其动量足以拉得漂浮者的头部也浸没于水中，这使有些“受呼吸制约的漂浮者”产生错觉，认为自己属于“天然的下沉者”的一类。  对“天然漂浮者”而言，由于体脂成分多分布于小腹、臀部、大腿等下肢部位，下肢的排水量远大于“受呼吸制约的漂浮者”。由于“天然漂浮者”的重心与浮心之间力矩非常接近，所以“天然漂浮者”多能保持水平状态的漂浮姿态，而很少因重心与浮心之间的扭矩作用而发生下肢下沉的现象。  身体的重心可通过四肢的位移使之与浮心之间的力矩缩短，浮心因解剖结构的关系不会有大的改变，而重心则可以通过头部和四肢的位置改变而变化。图2-4就演示了三种常见的由于肢体的调节作用而改变了重心与浮力之间力矩的漂浮姿态。 人漂浮时，通过对肢体位置的调整可使重心与浮心处于一垂线平衡的位置上。根据水具有浮力这一特点，在游泳时应尽量利用水的浮力，尽量减少身体各部分失去水浮力作用的时间，具体做法是：1 在手臂经空中移臂的泳式技术中，应缩短空中移臂的时间，这样不但可以避免过分减少静水浮力，而且有利于提高划水频率，但注意不要因加快移臂速度而造成手臂肌肉不必要的紧张。2 呼吸时头不应抬得过高，换气时间不宜过长，以避免过多的浮力损失。3 在呼吸动作中，应有闭气阶段，吸气要短促而充分，这样不仅对浮力有利，还能增加氧气的吸入量。中长距离项目由于速度相对慢，动水升力相对小，闭气时间相对长一些。短距离项目因速度快，动水升力大，闭气时间可以短一些。4 手臂前伸动作应尽可能地伸展（包括伸肩），使重心尽量移近浮心，保持平衡的身体位置，减小迎水面，减小形状阻力。这对加长划水路线也十分有利。 流体力学渗入到生活中的方方面面，流体力学。流体力学渗入到生活的方方面面，并且运用到生活的方方面面。以上是流体力学在游泳池的作用。