Теории движущей силы

Теории движущей силы

ТРЕТИЙ ЗАКОН НЬЮТОНА (ДО 1960-Х ГОДОВ]

Первое и самое логичное объяснение того, что происходит под водой, базируется на третьем законе Ньютона: тела действуют друг на друга с равными силами, противоположными по направлению. До 1960-х годов теоретики плавания полагали, что рука вместе с кистью работает как весло, которое гребет строго назад, а равным противодействием здесь выступает движение пловца вперед. Все достаточно просто и абсолютно понятно.

Или все же нет?

S-ОБРАЗНЫЙ ГРЕБОК И ЗАКОН БЕРНУЛЛИ[4] (1960 1980-Е ГОДЫ]

В 1960-х годах Джеймс Каунсилмен (тренер Марка Спитца в Университете штата Индиана, человек, считающийся, пожалуй, самым большим новатором в истории плавания) отметил, что кисть пловца движется назад не строго по прямой: у чемпионов по плаванию траектория этого движения напоминает перевернутый вопросительный знак. Многим из нас она известна как S-образная траектория.

Впоследствии от третьего закона Ньютона в качестве теории движущей силы в плавании было решено отказаться. Было высказано утверждение, что с учетом природы гидродинамики перевернутый вопросительный знак – это более логичное объяснение. Фактически теоретики теперь утверждали, что рука не может выполнять подтягивание и отталкивание строго назад, потому что, когда пловец прикладывает силу к воде, она приходит в движение. Как только слои воды сдвигаются (по мере выполнения гребка рукой и предплечьем), значение силы, которая может быть приложена к воде, уже находящейся в движении, уменьшается. Иными словами, третий закон Ньютона действует в отношении сил, прикладываемых к твердым телам, но не очень-то действует в отношении сил, приложенных к жидкостям.

Теория Каунсилмена состояла в том, что пловец, чтобы эффективно прикладывать силу, должен постоянно искать новые «неподвижные» слои воды. В итоге в центре его исследования оказались винтообразные движения при выполнении подтягивания по S-образной траектории. И Каунсилмен, и джентльмен по имени Эрни Маглишо написали буквально целые книги на тему этого открытия, сравнивая эффект вращательного движения в плавании с действием винта самолета и крылом. В книге Маглишо «Плывем быстрее» (Maglischo, Ernie. Swimming Faster. Palo Alto, CA: Mayfield Publishing, 1982) и книге Каунсилмена «Новая наука о плавании» (Counsilman, James. The New Science of Swimming. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1994), содержатся подробные объяснения подъемных сил, сил сопротивления и закона гидродинамики Бернулли применительно к плаванию.

Сесил Колвин в своей книге «Заплыв в 21-е столетие» (Colwin, Cecil. Swimming into the 21st Century. Champaign, IL: Leisure Press, 1992) также признал это открытие:

Исследование Каунсилмена показало, что при плавании всеми стилями подтягивание выполняется не по прямой, а строится на основании коротких винтообразных движений или импульсов, направление которых меняется по мере поперечного движения кисти по криволинейной траектории вдоль линии продвижения пловца вперед.

Но хотя Колвин и был согласен, что кисть действительно выполняет движение по криволинейной траектории, а не по прямой линии, он выдвинул собственную теорию о том, почему гребковое движение кисти обеспечивает движение вперед, указав при этом, как его следует правильно выполнять.

ВИХРЕВАЯ ТЕОРИЯ (С 1990-Х ГОДОВ ПО НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ]

Колвин ввел в плавание понятие вихревого движения (рис. 4.1). «Что такое вихрь?» – спросите вы. Я задалась тем же вопросом. К счастью для нас, Колвин довольно подробно описал это явление в уже упоминавшейся книге «Динамика плавания»:

Вихрь – это масса жидкости, вращающаяся вокруг своей оси … Вихрь – это форма кинетической энергии, энергии движения. А «сбегающие» вихри представляют собой энергию, которую генерирует пловец и передает воде. Фактически, когда вы смотрите на вихри, образованные в воде в результате движений пловца, вы на самом деле видите тягу, созданную пловцом … Вихри часто становятся видимыми для наблюдателя, находящегося под водой, когда пловец движется на огромной скорости и при гребке захватывает воздух …

В 1984 г. я представил материалы своего исследования, посвященного значению вихревых потоков для гребка в плавании. Позже я был удивлен, когда узнал, что специалисты в области биомеханики называют мой отчет «вихревой теорией тяги». Это не теория, а научный факт – другого способа создания тяги в жидкой среде не существует.

Без сопротивления, образованного в результате завихрения в жидкости, мы не смогли бы создавать силу тяги. Это утверждение справедливо как для человека, так и для океанского лайнера. На самом деле движущая сила в жидкой среде в любой форме, независимо от того, создается ли она рыбой, насекомым или кем-то иным, зависит от сил сопротивления, создаваемых вихрями.

Рис. 4.1. Серия вихрей, образованных ударами ног пловца

Колвин первым предложил наиболее рациональное объяснение движущей силы в плавании, объединив учение о вихрях с собственными наблюдениями с бортика бассейна. Одним из результатов его работы стало интересное описание, как пловец ощущает потоки воды на разных фазах гребка, а также объяснение того, как пловцу развить в себе способность успешно «формировать потоки».

ТРЕТИЙ ЗАКОН НЬЮТОНА И ДИАГОНАЛЬНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ (С 2000-х ГОДОВ ПО НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ]

Наконец, последнее исследование принадлежит Эрни Маглишо; в нем он возвращается назад в 1960-е. В своей книге «Плывем быстрее всех» (Maglischo, Ernie. Swimming Fastest. Champaign, IL: Human Kinetics, 2003) он отказывается от собственных взглядов 1982 г. Тогда в книге «Плывем быстрее» для обоснования эффективности винтообразного движения он использовал аналогию винта и крыла самолета, акцентируя внимание на подъемной силе, лобовом сопротивлении и законе Бернулли. Причина, по которой Маглишо решил отказаться от своей предыдущей теории, такова: на крыле самолета имеется некий пограничный слой воздуха, которого нет на человеческой руке, и этот пограничный слой является критическим в определении того, будет ли действовать закон Бернулли. Таким образом, объяснение, что человеческая рука (вместе с кистью) действует подобно винту или крылу самолета, оказалось несостоятельным.

Вот отрывок из книги Маглишо 2003 г., в котором он отказывается от своей предыдущей теории и комментирует позицию Колвина в части вихревой теории создания движущей силы:

В настоящее время я полагаю, что часть информации по вопросу механики гребка, приведенная мной в предыдущих изданиях, была неверной. Данная редакция книги в первую очередь ставит цель исправить эту информацию. Я считаю достаточно убедительными доказательства того, что принцип Бернулли неприменим в плавании. Я также полагаю, что данные, имеющиеся на сегодняшний день, не подтверждают идею о том, что тяга есть результат формирования и отрыва вихрей. По моему мнению, третий закон движения, сформулированный Ньютоном, является наиболее вероятным объяснением движущей силы, развиваемой пловцом.

Далее Маглишо пишет: «Я считаю, что действие по отталкиванию воды в обратном направлении на протяжении преобладающей части времени и создает тягу, придающую телу пловца ускорение». Ключевые слова здесь – «преобладающая часть времени». Маглишо не возвращается «бумерангом» к теории 1960-х, основанной на третьем законе Ньютона. Он полагает, что в игре по-прежнему участвуют подъемная сила, сила сопротивления и что отталкивание имеет диагональную составляющую.

Оставайтесь с нами – мы уже заканчиваем с теоретическими рассуждениями Маглишо. Он учел предыдущие ошибки и неопределенность того, как воздействует на воду наше подтягивание, и высказался так: «Хотя я принял именно эту теорию движущей силы после нескольких лет исследований, не могу гарантировать, что это корректное во всех отношениях объяснение механизма создания тяги человеком. Однако в настоящее время данное объяснение представляется наиболее логичным».

Несмотря на заявление Эрни и тот факт, что наука признает ограниченность собственных знаний, в каждой из вышеописанных теорий содержатся очень важные подсказки, которые мы можем применить в бассейне. Мы выхватим отдельные фрагменты из той огромной работы, которую проделали Маглишо, Каунсилмен и Колвин, и применим их для создания красивого и мощного гребка.