Целостно-раздельный метод 3 страница. На плотность воды оказывают влияние растворенные в ней соли

На плотность воды оказывают влияние растворенные в ней соли. Так, например, соленая морская вода имеет показатель плотности 1010—1030 кг/м³, т. е. на 2—3 % больше, чем пре­сная.

Плотность воды несколько понижает хлор, используемый в наших плавательных бассейнах с профилактической целью.

Плотность слабо зависит от давления жидкости. Вода мало-сжимаема (но сжимаема). При погружении на глубину 1000 м давление увеличивается с 1 атм. у поверхности до 100 атм., плот­ность же воды повышается лишь на 0,5 %.

Вследствие высокой плотности передвижение в воде значи­тельно затруднено. Так, если бегун международного класса пре­одолевает дистанцию 100 м за 10,00 и его соревновательная скорость равна 10 м/с, то пловец, показывая примерно анало­гичный результат международного класса на дистанции 100 м/с 50.00, имеет соревновательную скорость лишь 2 м/с. Ясно, сколь огромна разница. Отсюда одна из главных задач, стоящих перед пловцом, — как можно значительнее снизить сопротив­ление поступательному движению в заданном направлении. Го­ризонтальное положение — первое, важнейшее решение дан­ной проблемы.

Более того, организм современного человека не готов к пере­движению в воде с более высокими скоростями. Буксировка пловца со скоростью 3 м/с вызывает у него неприятные ощуще­ния, а 10 м/с — предельная скорость, которую выдерживает пловец; при этом отмечаются множественные подкожные кро­воизлияния, растяжение связок, травмирование суставов (при

недостаточно фиксированных конечностях) и даже случаи по­тери сознания.

Вес воды. Известно, что любые два тела притягиваются друг к другу. Это обусловлено их массой. Сила тяготения называет­ся гравитационной силой.

Самое известное проявление притяжения масс — это суще­ствование силы тяжести, с которой Земля действует на все тела. Величина этой силы определяется законом всемирного тяготе­ния, сформулированным И. Ньютоном:

где: F — гравитационная сила, с которой два тела притягиваются друг к другу; т₁ — масса первого тела; т₂ — масса второго тела; R — расстояние между центрами масс; у — гравитационная постоянная,

равная 6,67 10—8 см³/г с² (в системе СГС).

Все тела в данной точке Земли падают с одинаковыми уско­рениями относительно ее поверхности. Вследствие суточного вращения Земли ускорение свободного падения будет обуслов­лено векторной суммой двух сил: силой притяжения Земли и центростремительной силой. Равнодействующая этих сил на­зывается силой тяжести. Сила тяжести есть не что иное, как вес тела. Она определяется следующим выражением:

F = mg,

*

где: т — масса тела;

g — ускорение свободного падения.

На практике же чаще оперируют понятием «удельный вес»; оно используется в большом количестве специальной литературы по плаванию, то есть отношением веса тела к его объему. В слу­чаях, когда удельный вес измеряется в кг-с/дм³, численные зна­чения удельного веса и плотности вещества совпадают.

Сжимаемость воды. Несмотря на большую подвижность мо­лекул жидкости, в частности воды, взаимодействия между от­дельными молекулами жидкости остаются очень стабильными.

Между ними действуют силы, величина которых зависит от аг­регатного состояния вещества. В случаях твердых тел и жидко­стей эти силы задают объем тела. Последний может изменять­ся лишь под воздействием внешних сил. Это означает, что молекулы располагаются на некотором равновесном расстоянии друг от друга. Если расстояние между молекулами оказывает­ся меньше равновесного значения, между молекулами возни­кают силы отталкивания; при большем расстоянии — силы при­тяжения. Чтобы лучше убедиться в этом, можно обратиться к следующему простейшему опыту. Стакан воды, налитый до самого верха, закрывается бумагой, затем бумага придержи­вается ладонью. Стакан переворачивается вверх дном. После этого рука опускается. Вода остается в стакане. Это и свидетель­ствует о том, что есть силы, удерживающие воду в стакане. Силы молекулярного взаимодействия представляют собой равнодей­ствующую сил отталкивания и притяжения, компенсирующих друг друга при нормальном равновесном состоянии между мо­лекулами. Несмотря на то что воду принято считать практичес­ки несжимаемой жидкостью, в обычных условиях покоящаяся жидкость все-таки сжимается под действием сил тяжести (соб­ственный вес жидкости + атмосферное давление). Это обуслов­лено наличием в жидкости внутреннего давления — гидроста­тического.

Гидростатическое давление. Давлением (Р) называют отно­шение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности:

^F S '

Давление — величина скалярная. Единица давления (СИ): Н/м².

Н/м² = Па (Паскаль) = кг/(см/с²).

Внутри жидкости силы давления действуют повсюду. На од­ной и той же глубине давление одинаково во всех направлени­ях. Специфика свойств жидкости в отличие от твердых тел состоит в том, что давление в ней не зависит от ориентации пло­щадки, на которой это давление рассматривается.

Полное гидростатическое давление складывается из началь­ного давления на поверхность тела (атмосферного давления)

и давления столба жидкости в данной точке. Величина после­днего зависит от глубины погружения и прямо пропорциональ­на ей. Так, погружение тела на 1 см приводит к росту гидроста­тического давления на 1 г/см². Если вспомнить, что у человека только одна грудная клетка имеет площадь поверхности, рав­ную 6—10 тыс. см², то можно себе представить, сколь велико действие данной силы.

Поскольку гидростатическое давление на верхнюю и ниж­нюю части погруженного в воду тела различается и давление внизу значительно больше, на тело действует выталкивающая сила, равная в количественном отношении весу вытесненной телом жидкости. В этом заключена суть закона Архимеда. Фак­тически тело теряет в весе столько, сколько весит вытесненная жидкость, то есть вес человека в воде составляет лишь несколь­ко килограммов, его движения происходят в условиях гипогра-витации, что, в конечном итоге, накладывает глубокий отпеча­ток на характер плавательных локомоций.

Теплоемкость. Теплопроводность. Вода характеризуется теп­лоемкостью и теплопроводностью. При 20°С коэффициент удельной теплоемкости примерно в 4 раза выше, чем аналогич­ный показатель воздуха. Удельная теплопроводность воды бо­лее чем в 17 раз выше, чем удельная теплопроводность воздуха. Все это в конечном итоге приводит к значительным потерям теп­ла организмом человека. Не случайно говорят: плавание — это всегда охлаждение. В воде с температурой 25°—26°С обнажен­ный человек за одну минуту теряет тепла в два раза больше, чем в воздушной среде с такой же температурой. Правда, устойчи­вость к охлаждающему воздействию у людей совершенно раз­ная и колеблется в широких пределах. Она лучше у людей с выраженным подкожным жиром, а также специально трени­рованных к условиям плавания в холодной воде.

Преломление света. Водная среда снижает эффективность зрения. Человек, открыв глаза под водой, видит все предметы смутно и расплывчато, даже если вода прозрачна и освещен­ность хорошая. Причина этого заключается в том, что величи­на преломления (коэффициент преломления) световых лучей в воде близка к величине преломления их роговицей глаза.

Преломляющая сила глаза складывается в основном из пре­ломляющей силы роговицы и хрусталика. Показатели прелом­ления роговицы и находящейся за ней жидкости почти такие угСс у КЭ.К у обыкновенной воды, поэтому световые лучи, попада­ющие в глаз, проходят сквозь роговицу, ничуть не преломив­шись, а один хрусталик не в состоянии сфокусировать световой

поток на светочувствительных элементах, потому-то и нужна прослойка воздуха. Изображение при этом получается вполне отчетливым, только все элементы в воде кажутся на треть круп­нее, чем в действительности. Отсюда вытекает необходимость плавания в маске или в специальных плавательных очках, что усложняет организацию двигательных действий пловца.

Распространение звука. Звуковые волны распространяют­ся в воде значительно дальше, не затухая, и значительно быст­рее. Звуковые колебания в воде распространяются со скорос­тью примерно 1500 м/с, тогда как в воздухе — со скоростью 330 м/с. В силу такой большой разницы наш бинауральный слух не способен дифференцировать источник звука в воде. Кроме того, звуковые колебания воды возбуждают синхронные им колебания черепа. Возникает ощущение, что звук распрос­траняется со всех сторон. В силу отмеченных обстоятельств ориентация в воде является полностью функцией зрения. Плов­цу приходится ориентироваться по немногочисленным предме­там, находящимся в воде или на бортике бассейна, а также по берегу водоема.

Текучесть. Вода обладает текучестью. Текучесть — универ­сальное свойство любого материала любой природы. Это дефор­мационная характеристика. В механике деформацией (strain deformation) называют изменение взаимного расположения точек среды.

В физике изучением течений и деформаций занимается спе­циальный раздел реология. Реология — это наука о «деформа­ции течения» (Binghaen, 1929). По мнению Weiss (1962), — это раздел физики, исследующий деформацию и течение тел под влиянием сил, которые к ним приложены. Baylies (1962) писал, что реология исследует свойства веществ или систему веществ, оказывающих влияние на путь, по которому они движутся.

Таким образом, текучесть — это прежде всего способность материала к изменению положения его отдельных точек или в целом всего объема во времени и в пространстве под действи­ем каких-либо внешних сил (или причин).

Текучесть воды сравнительно высокая. Это дает возможность пловцу перемещаться в заданном направлении, раздвигая от­дельные слои жидкости. В то же время существует большая трудность для реализации двигательной задачи, поскольку опо­ра — подвижная. Значит, усилия нужно прикладывать строго определенно, чтобы создать опору, и это обстоятельство долж­но быть положено в основу элементарных требований к техни­ке плавания.

где: F —сила внутреннего трения; А — площадь соприкосновения; v — относительная скорость граничных плоскостей среды;

а — расстояние между граничными плоскостями; г] — динамическая вязкость, коэффициент внутреннего трения.

Единица СИ динамической вязкости: [rj] = паскаль-секунду (Па • с) = Н • с/м² = кг/(мс).

Соотношение между единицами динамической вязкости:

Кроме понятия «динамическая вязкость» применяются по­нятия «текучесть» и «кинематическая вязкость».

Текучестью (со) называется величина, обратная динамичес­кой вязкости:

где: г] — динамическая вязкость.

Единица текучести (СИ): [со] =м²/(Н • с)=1/(Па ■ с). Кинематической вязкостью v называется отношение ди­намической вязкости к плотности среды:

где: г\ — динамическая вязкость; р — плотность среды.

Единица кинематической вязкости (СИ): [v] = м²/с.

Соотношение между единицами кинематической вязкости:

1 стоке (Ст) = 10 ⁴ м²/с; 1 сСт = 10'⁶ м² /с.

Инертность. Частицы жидкости обладают инертностью. Это означает способность частиц сохранять состояние относитель­ного покоя или прямолинейного равномерного движения, пока какая-либо внешняя причина не нарушит этого состояния. В переносном смысле — это продолжающееся влияние причин, условий, сил. Это — пассивность, неподвижность, бездеятель­ность. Пассивность частиц жидкости создает трудности для ка­чественной мощной опоры в воде.

Поверхностное натяжение жидкости. Из всех удивительных свойств воды наименее известна ее способность образовывать чрезвычайно прочную пленку на поверхности. Поверхностное натяжение обусловлено силами притяжения между молекула-

ми. Внутри жидкости они взаимно компенсируются. На моле­кулы, находящиеся вблизи поверхности, действует некомпен-сируемая результирующая сила, направленная внутрь от по­верхности. Поэтому, чтобы переместить молекулу из глубины на поверхность жидкости, надо совершить работу против этой результирующей силы. В результате на поверхности жидкости молекулы обладают определенной потенциальной энергией.

Сила поверхностного натяжения воды настолько велика, что на поверхности удерживаются предметы, которые, казалось бы, плавать не должны. Если на поверхность воды осторожно положить стальную иголку или лезвие безопасной бритвы так, чтобы неловким движением не разорвать пленку, эти предме­ты не утонут.

Известно, что жизнь многих насекомых связана с поверхно­стной пленкой. Они не способны плавать, нырять и никогда не выходят на сушу, они скользят на широко расставленных ко­нечностях, как лыжники по поверхности снега. Надо заметить, что кончики их лапок покрыты множеством волосков.

Ученые давно заметили, что чем чище вода, тем больше нуж­но усилий, чтобы разорвать ее поверхность. Молекулы раство­ренных в воде веществ (в первую очередь, газов), вклиниваясь между молекулами воды, делают ее менее прочной. Очищенная вода (конечно, не абсолютно) обладает удивительной прочнос­тью. Чтобы разорвать столбик диаметром 2,5 см, нужно прило­жить силу около 900 кг! (B.C. Сергеев, 1969). Примерно такова прочность некоторых сортов стали. А чтобы разорвать столбик такой же абсолютно чистой воды, нужна сила, равная 95 тон­нам! Если бы на Земле где-нибудь были такие условия, по по­верхности воды можно было бы ходить или скользить на конь­ках, как по настоящему крепкому льду.

Сегодня трудно в полной мере оценить значение данного свой­ства воды для технй*ки плавания. Сведений в литературе, по крайней мере по плаванию, нет. Вместе с тем уместно было бы вспомнить, что движения пловца совершаются на поверхно­сти на границе двух сред — воды и воздуха.

Таким образом, рассмотрены некоторые свойства воды. Ра­зумеется, не все, а лишь некоторые — те из них, которые в наи­большей степени определяют технику плавания. Теперь есть возможность с этого базисного уровня более глубоко рассмот­реть то, что определяет взаимоотношения пловца с водой. Та­кой подход позволит наполнить отмеченное знание конкретным практическим содержанием и логически завершит переход от теории к практике.

Гидростатика

Знакомство с гидромеханикой естественно начать с ее наи­более простой части — гидростатики.

Рассмотрим частный конкретный случай: тело находится в воде неподвижно, при этом на него действуют силы тяжести и силы гидростатического давления.

Силы тяжести направлены вертикально вниз, силы гидро­статического давления — перпендикулярно к поверхности во всех ее точках. Сила тяжести постоянна по величине, прило­жена к точке, называемой «общий центр тяжести» (ОЦТ), рас­положенной, как правило, в пределах объема тела и, посколь­ку сила — векторная величина, есть направление вектора — вертикально вниз (рис. 3).

Разность гидростатического давления на верхнюю и нижнюю части тела обусловливает действие выталкивающей силы. Рав­нодействующая всех сил гидростатического давления приложе­на к точке, называемой «общий центр давления» (ОЦД). Вектор силы направлен вертикально вверх. В количественном отношении она равна весу вытесненной жидкости. Это находит свое отражение в известном законе Архимеда.

Таким образом, возникает ситуация, когда две силы действу­ют одновременно и противоположно направлены (см. рис. 3). Если предположить, что силы действуют в одной вертикальной плоскости, то возникает три разных следствия: а) сила тяжести превалирует над выталкивающей силой; б) одна сила уравнове­шивает другую; в) наоборот, выталкивающая сила превалиру­ет над силой тяжести. Соответственно, тело либо тонет, либо всплывает, либо находится во взвешенном состоянии; в этом случае плавучесть можно характеризовать как отрицательную, нейтральную или положительную.

Равновесие может быть устойчивым и неустойчивым.

Неустойчивым положение будет тогда, когда ОЦТ окажется
расположенным выше ОЦД. Силы приложены к разным точ­
кам и действуют в разных вертикальных плоскостях, при этом
возникает момент
вращения. Он бу­
дет продолжаться
до тех пор, пока
силы не будут дей­
ствовать в одной
вертикальной пло­
скости. Рис. 3. Действие сил в воде на неподвижное тело

Как выглядит картина относительно горизонтально распо­ложенного человеческого тела?

На рис. 3 видно, что ОЦТ расположен в области тазобедрен­ных суставов, а ОЦД — выше по позвоночному столбу (ближе к голове). Расстояние между этими точками — 8—10 см. У жен­щин оно меньше, чем у мужчин.

Чем меньше расстояние между ОЦТ и ОЦД, тем выше гори­зонтальная устойчивость в воде (плавучесть).

Можно ли сблизить эти точки? Можно. Для этого необходи­мо выполнить сгибание в тазобедренных и коленных суставах (подтянуть колени). Конечно же, это благоприятно для паузы, для отдыха, но не для движения.

Для того чтобы при движении тело пловца сохраняло поло­жение горизонтальной плавучести, нужно выполнять компен­саторные движения ногами.

Практика показывает, что у квалифицированных пловцов — хорошая горизонтальная плавучесть. Многие из них могут дос­таточно долго находиться неподвижно на поверхности воды в горизонтальном положении.

Если же взять обычного человека, то в условиях горизонталь­ного положения он долго находиться не может: его ноги тонут, вытянутое горизонтально тело постепенно переходит в положе­ние «вертикальной плавучести».

Плавучесть зависит от целого ряда различных факторов. Среди них: плотность воды, морфотип человека, поза пловца в воде, особенности расположения подкожного жира, степень заполнения легких воздухом и др.

Плотность воды зависит от содержания в ней солей. Именно поэтому плавучесть более высокая в морской воде, плотность которой, как правило, выше плотности человеческого тела. Ут­верждают, что в некоторых местах морского побережья можно свободно, без движений, лежать на воде и даже читать газету.

Средняя плотность тела человека определяется соотношени­ем костной, жировой и мышечной тканей. Плотность жировой ткани равна 0,92 — 0,94; мышечной — 1,04 — 1,05. Самая тя­желая — костная ткань, особенно трубчатых костей: величина ее плотности в среднем составляет 1,7 — 1,9. Во многих случа­ях высокая плотность связана с тяжелым костяком, большой мышечной массой и малой жировой прослойкой. Преобладание в этом соотношении жировой ткани способствует увеличению плавучести.

Жироотложение является для пловцов специфическим при­знаком, причем интерес представляет не только количествен-

ная характеристика подкожного жира, но и тип его распреде­ления. Пловцов отличает пониженное расположение жира на ногах и особый характер его распределения вообще.

Возрастная динамика величины подкожного жира у пловцов четко.указывает на присущие полу различия: девочкам свой­ственна более высокая степень его отложения. В 10—11 лет между пловцами — мальчиками и девочками — нет различий в средней величине кожно-жировых складок, а в 12 лет у маль­чиков уровень развития подкожного жира даже выше. Этот факт объясняется разной направленностью динамики гормо­нальных сдвигов и различиями сроков вступления в период пу­бертатного развития.

Наиболее интенсивное увеличение подкожного жира отме­чается у девочек при наступлении менструального цикла.

У юношей-пловцов изменение массы подкожного жира но­сит прямо противоположный характер: по мере вступления в пубертатный период отложение жира у них уменьшается.

Таким образом, динамика жироотложения отражает гормо­нальные изменения в организме и может служить критерием оценки степени физического развития пловцов.

Более стабильный признак — величина мышечного индекса пловцов. Несмотря на то что в возрастной динамике всегда есть его изменения, он четко отражает половой диморфизм: во всех возрастных группах у мальчиков и у юношей величина мышеч­ного индекса достоверно выше, чем у их сверстниц, причем с возрастом у мальчиков-пловцов он последовательно возраста­ет, особенно в 10—11 и 13—14 лет*.

Плавание предъявляет жесткие требования к специфическим для этого вида спорта качествам. В конечном итоге особеннос­ти строения тела женщин — рельеф тела и его покров, мень­ший удельный вес, свойственная женской конституции высо­кая чувствительность кожного анализатора, — способствуют лучшей биологической приспособленности к передвижению в водной среде, создают им преимущества в адаптации к специ­фическим условиям водной среды. У мужчин это находит свое проявление в развитии костяка и мускулатуры, пропорций тела и других особенностей конституции.

При анализе признаков телосложения и физической подго­товленности пловцов часто используется такой параметр, как активная масса (мышечная масса + масса костной ткани). Лю­бопытно, что в зависимости от плавательной специализации

* Т.С. Тимакова, 1985.

данный параметр имеет отличия. Так, у специализирующихся в кроле спринтеров активная масса составляет 72,3 % от общей массы тела, у средневиков — 72 %, у стайеров — 68,4 % (Н.Ж. Булгакова, 1986).

Показатель активной массы находится в высокой корреляци­онной связи с величиной относительной силы спортсмена и, кро­ме того, определяет характер его физической работоспособности.

Процентное содержание жировой ткани у спринтеров выше, чему стайеров.

У специализирующихся в кроле на спине относительный вес активной массы составляет 70,5 %, при этом он незначительно отличается от такового у представителей других способов пла­вания. Жировой ткани у них — 8,6 %. Вместе с тем относитель­ный вес костной ткани у них значительно меньше, чем у пред­ставителей других плавательных специализаций. По мнению Н.Ж. Булгаковой (1986), это имеет немаловажное значение для успеха при плавании на спине.

У специализирующихся в плавании способом дельфин актив­ная масса составляет 71,6 %. Они имеют наибольший относи­тельный вес жировой ткани (11 %) и почти такой же низкий процент костной ткани, как у «спинистов».

У мужчин, специализирующихся в комплексном плавании, активная масса составляет 71,4 %.

Пловцы, работа которых носит выраженный скоростно-си-ловой характер, имеют большие величины веса тела, обхватных размеров, мышечной массы. К ним относятся кролисты-сприн­теры, а также представители дельфина и брасса.

Успеха в плавании на спине добиваются спортсмены с силь­ными руками. Это довольно «легкие» пловцы, у которых по сравнению с представителями спринтерского кроля и дель­фина небольшие вес тела и масса мышечной ткани.

Специализирующиеся в комплексном плавании (по показа­телям обхватов, площадей сечений и составу тела) приближа­ются к специализирующимся в спринтерском кроле, дельфине и брассе.

У брассистов средние по величине обхваты пояса верхних конечностей, самые большие обхваты бедра и соответствующих площадей сечений, большие вес тела и масса мышечной ткани.

У женщин, специализирующихся в разных способах плава­ния и на разных дистанциях, разница в составе тела не столь значительна и статистически недостоверна (Н.Ж. Булгакова, 1986). К примеру, величина относительной мышечной и актив­ной тканей у представительниц спринтерских дистанций в кро-

ле не отличается от таковой у стайеров. Возможно, это признак недостаточной силовой подготовленности спринтеров.

Самый большой показатель абсолютной и относительной массы активной ткани имеют брассистки.

По таким показателям, как абсолютная масса жировой тка­ни, спортсменки высокого класса, специализирующиеся в раз­ных способах плавания, не отличаются друг от друга. Жиро­вые складки у них преобладают на задней поверхности плеча, животе, бедрах и голени, отражая тенденцию локализации жировой прослойки у женщин, не занимающихся спортом.

Плавучесть зависит от показателя жизненной емкости лег­ких (ЖЕЛ). У мужчин-пловцов высокого класса ЖЕЛ состав­ляет 6,0—7,0 л; у женщин — 5,0—5,5 л.

Чем больше ЖЕЛ, тем выше плавучесть.

Выделяют возраст наиболее интенсивного прироста показа­телей ЖЕЛ: 11—12 лет для девочек и 13—14 лет — для маль­чиков; соответственно возраст крайне низкой интенсивности прироста: 14—15 и 15—16 лет.

При полном глубоком вдохе плавучесть всегда выше, чем при полном глубоком выдохе. Это обусловлено тем, что масса тела при этом остается такой же, изменяется лишь объем тела: на вдохе, разумеется, он больше, соответственно меньше удель­ный вес, или плотность тела.

По средним данным удельный вес при полном вдохе дости­гает 0,976; при нормальном вдохе он равен 0,993; при полном выдохе — 1,038 г/см³.

Удельный вес мужчин-пловцов I спортивного разряда при полном вдохе равен в среднем 0,977, тогда как студентов ин­ститута физической культуры, не специализирующихся в спортивном плавании, достигает в среднем 0,990.

Удельный вес женщин при полном вдохе равен в среднем 0,965; при полном выдохе — 1,046.

Удельный вес пловцов-стайеров (0,967) меньше, чем пловцов-спринтеров (0,988) (данные Н.А. Бутовича, 1962).

Можно ли практическому работнику определить среднюю плотность тела пловца? Можно, если имеется специальная «шахта» (аквариум), где по объему вытесненной жидкости лег­ко рассчитать средний показатель плотности.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: