“力学”角度观看游泳比赛
以下文章来源于科学大院 ，作者万田
（作者注：本文内容仅供观赏及吹牛使用，请勿作为实际游泳指南。）
游泳是奥运会当中的金牌大户，不仅有各种距离的比赛，还分四种泳姿，接力项目更是紧张刺激。游泳运动员健美的体型和优美的泳姿，也使比赛具有很高的观赏性。
但是，就跟足球比赛里啥叫越位、篮球比赛走没走步一样，游泳比赛中也充满了问题陷阱，比如“为什么要潜泳”、“为什么自由泳最快”……一旦回答不上，那就是看了个热闹了。
作为科研人员，我们不但要能简单回答疑问，还要从原理上给与解答，这篇文章就当是一份借助了科学力量的观赛指南吧。
希望朋友们认真阅读，下届奥运为中国游泳队加油的时候用得着~
我国游泳选手张雨霏（图片来源：新华社记者许畅摄）
问题一：为什么入水后要潜泳一段距离？
从运动员一跃入水开始，问题就来了，为什么运动员要像海豚一样在水下潜泳一段距离再出水面（蛙泳比赛除外）。
普通观众的解答：当然是因为这样最快；
专业观众解答：因为水下蝶泳腿最快；
科研人员的解答：因为潜泳没有波阻。
图片来源：veer图库
游泳时主要会受到三种阻力：压阻、摩阻和波阻。
通俗地说，压阻就是你游泳时头部感受到的水的压力。摩阻就是摩擦阻力，水流过你的身体表面时受到的粘性力，由你身体表面的光滑度和水流速度梯度决定。被禁的鲨鱼皮泳衣，就是模仿鲨鱼的皮肤达到减小阻力的目的，现在运动员则通过刮体毛来减小摩阻了。波阻，全称叫波浪阻力，就是游泳时拍出来的波浪会对身体产生阻力。水面通常叫做自由表面，由于空气密度比水小得多，使得水面相比水底更容易产生波浪。潜泳时没有这部分阻力，所以潜泳是最快的泳姿，但是由于其危险性被禁止使用。现代游泳比赛时，每次转身最多只允许潜15米。
问题二：为什么自由泳是最快的比赛泳姿？
答案就是自由泳是阻力系数最小的比赛泳姿。“阻力系数”四个字一定要说全，后面两个字是体现专业性的地方。
阻力与阻力系数、速度的平方和挡水面积成正比。自由泳因为速度快，其阻力并非最小，不过，清华大学的闫卫星等人1通过实验测量了自由泳和蛙泳的动态阻力和阻力系数（表1和表2，C即阻力系数），自由泳的阻力系数仅是蛙泳的50%左右。如果自由泳和蛙泳以相同的速度前进，那么自由泳的阻力会小于蛙泳。从这个角度来说，阻力系数越小的泳姿越省力。
表1 运动员自由泳的动态阻力系数
表2 运动员蛙泳的动态阻力系数
问题三：为什么长距离自由泳比赛中，运动员很少打腿？
原因大家都知道，就是打腿太费力，自由泳的推力主要由手臂产生，腿重而且离心脏远，导致推进效率低。
图片来源：东京奥运会官方网站
那完全不打腿行不行？如果你懂力学，进行一下力学分析，就知道应该是不行的，运动员需要通过打腿来保持身体姿态。
人体在水中受到的垂直方向的力，主要有重力、浮力和水的压力，这三者不仅仅需要保持力的大小平衡，还要保持力矩大小的平衡。重力作用点在人体的质心，通常在肚子附近。由于肺部里的空气能产生大量浮力，因此，人体的浮力作用中心更靠近身体上半部分。那么，为了保持身体平衡，就需要身体下半部分产生一个向上的力，或者通过上半部分身体产生一个向下的力，这样产生的力矩就会平衡浮力产生的力矩，身体在水中才会保持平衡。自由泳的向下打腿，就是保持身体力矩平衡的一种手段。
还有一种“下坡式”自由泳，头部下沉的较多，整个上半身与前进方向有个夹角，水能够冲击到背部，这样产生的上半身向下的力，也能保持力矩平衡。“下坡式”自由泳是不用打腿的或者很少打腿的，这样能够更省力，适用于长距离游泳。
我国游泳选手汪顺（图片来源：东京奥运会官方网站）
游泳比赛演变成今天这种形式，有很多的原因，其中包含了很多力学原理。随着流体力学和生物力学越来越多地应用到比赛中，相信以后运动员的速度会越来越快。对于我们普通人来说，如果游泳学不会，有时候不光要问教练，更要在梦中问问牛顿，看看你的泳姿是否违背了他的定理。
看游泳比赛时，你还有什么力学问题？欢迎写在留言区~~
参考文献：
[1]闫卫星，王连泽，李德坚，王新峰，沈熊，“测量游泳动态阻力的附加阻力微扰动法”，清华大学学报，2005年第45卷第5期
作者单位：中国科学院力学研究所
