[書摘]《在水裡自由練功》—在水中必先思考減少阻力
游泳對於跑者來說,是很好的訓練項目,可以平衡身體肌群發展,並增加協調性,當然,也有助於心肺耐力的提升。本書為鐵人三項知名教練徐國峰所著,從自身的訓練經驗中擷取菁華,幫助大家在短時間內掌握游泳要訣。
以下節錄書中部份篇章,用科學的角度探討增加泳速的首要條件:減少阻力。
有別於陸地上的移動方式
你在陸地上之所以能移動是因為地心引力把身體拉向地面,然後靠雙腳支撐才能走路、跑步與騎車。但在水中就不一樣了,地心引力把身體拉向水中,浮力卻同時撐起身體,支撐點從雙腳擴展到全身,而且前進時的水阻又比空氣阻力大了八百多倍。所以對於習慣只靠雙腳支撐前進的人來說,往往難以適應水中的力學環境與前進方式。但只要你有熱情與決心,肯花時間待在水裡,讓身體習慣另一個世界的規則,事情就會變得單純很多。其他就只是技術面的問題。
筆者是在十八歲身體剛定型時才開始學習自由式。前兩年總是倍感挫折與困惑,就算再怎麼努力投入練習,每天都去泳池報到,也跟著完成所有的重訓菜單,但每次隊上團練時,卻總是看著其他隊員一趟又一趟地從身旁嘩啦嘩啦游過。為什麼總是游得比他們慢呢?練了一年之後,1500公尺還是游不進40分鐘註1,到底問題出在哪裡呢?當時實在苦惱不已。
直到後來我才認清,自己游不快的問題出在身體前進時形成的阻力太大了。想要在水中快速前進,有兩大重點:一是減少阻力,二是增加堆進力。相對於陸地上的自行車與跑步,在水中前進時,思考如何減少阻力比不斷增強推進力更為重要。這正是為什麼我的力量明明比較大,有些女生卻總是游得比我快的原因。
阻力形成的主因為「不當的身體位置」,包括頭、肩膀、背、腰、臀部、大腿、小腿與腳踝各部分在水中的位置。你的後腦杓、上背部與臀部三處連成的直線必須盡量與水面平行,讓身體保持「一」直線橫切過水面。若頭抬得太高,身體的其餘部分沉在水中,像是「/」一樣前進的話,你的推進力大都會被水阻所抵消。
水阻有多可怕
把減少阻力放在第一位,再思考推進力。為什麼呢?我們從流體力學的觀點來考察:
在水中所面臨的水阻R=½ρV2CDA
水阻=1/2水的密度×移動速度的平方×水阻係數×身體橫斷面積
由上面的式子可知,身體在水中前進時所遇阻力的大小可由四種變數決定:水的密度ρ、移動速度的平方V2、水阻係數CD與身體橫斷面積A。
其中水的密度雖然會因溫度與離子的濃度而改變,阻力系數也會因為每個人的身材與泳裝/泳褲的材質而有所不同,但這兩個變數造成的影響都不大。水阻的大小主要還是由人體在水中前進時的速度和阻水橫斷面積所決定。而且其中決定性的關鍵變數是「速度」,因為它會使阻力成平方倍數增加。也就是說當你的游進速度提高兩倍時,「原始水阻」會增加四倍;速度增加四倍時,「原始水阻」會增加到十六倍。
橫斷面積的大小在圖中以圓形面積標出
阻力小才游得快
水阻的另一個關鍵變數是「橫斷面積」:身體前進時橫向阻斷水流的面積大小。如果你的游泳技術尚未成熟、身體位置不佳,在游進時就會形成過大的橫斷面積,你游進的「原始水阻」就會比別人大,你將耗損更多體力才能提升到相同的速度。
用實際的數據做比較,你就會發現身體的橫斷面積如何耗損你的體力。假設水的密度是1kg/m3,阻力係數也是1(係數沒有單位)。學長因為技術優良,身體在水中的橫斷面積極小:1.5m2,而我個人當時因為身體位置不好,游進時會形成2m2的橫斷面積。假設我們都要維持每分鐘游50m的速度(50m/min=0.83m/s)。
- 學長所需負擔的阻力為1/2×(1×0.832×1.5×1×1.5×502) =0.517牛頓
- 我所需負擔的阻力為1/2×(1×0.832×1×2) =0.689牛頓
速度:每一分鐘游50公尺=0.83m/s | |||||
橫斷面積 | 水組 | 游50m所做的功 | 游1500m所做的功 | 多出258焦耳=61.662卡路里 | |
學長 | 1.5m2 | 0.517牛頓 | 0.517x50=25.85焦耳 | 775.5焦耳 | |
我 | 2m2 | 0.689牛頓 | 0.689x50=34.45焦耳 | 1033.5焦耳 |
也就是說,我每游50公尺要比學長多付出8.6焦耳([0.689-0.517]*50,力×位移等於作功,單位為焦耳),如果連續游1500公尺,我就必須額外多付出258焦耳(8.6×30)的能量,也就多花了61.662卡路里,難怪我會累得多(1焦耳=0.239卡路里)。
速度:每一分鐘游75公尺=1.25m/s | |||||
橫斷面積 | 水阻 | 游50m所做的功 | 游1500m所做的功 |
多出585焦耳=139.8卡路里 (1焦耳=0.239卡路里) |
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學長 | 1.5m2 | 1.17牛頓 | 1.17x50=58.5焦耳 | 1755焦耳 | |
我 | 2m2 | 1.56牛頓 | 1.56x50=78焦耳 | 2340焦耳 |
假如現在加速到每分鐘游75m(也就是每100公尺游1分20秒,這個速度大多數的泳者都可以在單趟衝刺中游到),依照同樣的計算方式,同樣是1500公尺,我需額外多花139.8卡路里才能游完。這139.8卡路里,學長還可以再多游500公尺。這就是為什麼我總覺得學長姊們可以輕鬆加速,而自己總是得費力划水才能跟上的原因。因為水阻無時無刻拖住我的身體,浪費划手與打水的推進能量,所以減少阻力才是輕鬆游與加快速度的關鍵。而減少阻力的最重要因素即是身體在水中所形成的橫斷面積,面積越小,游得愈輕鬆,速度也愈能往上提升。
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