Pływanie jest jednym z najwolniejszych sposobów lokomocji znanych człowiekowi. Powodem takiego stanu rzeczy są niskie zdolności napędowe oraz wysoki opór, z jakim zmaga się pływak przemieszczający się w wodzie. Właściwa technika pływania pozwala jednak zminimalizować siły hamujące i zmaksymalizować napęd.

Poprawa techniki pływania pełnymi stylami nie jest jedynym sposobem na poprawę czasów w wyścigu. Kluczem do sukcesu, szczególnie na krótszych dystansach, jest faza podwodna po starcie oraz nawrocie. Zgodnie z przepisami, zawodnik może płynąć pod wodą do 15. metra po starcie i każdym nawrocie. To oznacza, że na 25-metrowym basenie, faza podwodna może objąć nawet 60% pokonywanego dystansu. Wielu światowej klasy pływaków (m.in. Radosław Kawęcki) wykorzystuje niemal w pełni odległość określoną przepisami, przemieszczając się z użyciem podwodnych ruchów delfinowych. Dlaczego pływanie pod wodą jest tak skuteczne?

Za rozwiązaniem zagadki stoi proste równanie:
FW = FN – FO
Gdzie:
F_W – siła wypadkowa
F_N – siła napędowa
F_O – siła oporu

W odniesieniu do pływania, im większy jest napęd, a mniejszy opór, tym bardziej ciało przyspiesza. Warto omówić poszczególne elementy tego równania i na ich podstawie wyjaśnić skuteczność pływania pod wodą.

Mimo że często mówimy jedynie o „oporze wody”, tak naprawdę ma on kilka składowych. Pierwszym z nich jest opór czołowy, zwany także oporem kształtu. Najprościej można wyjaśnić to tym, że cząsteczki wody znajdujące się przed przemieszczającym się pływakiem, zderzają się z nim i go hamują. Człowiek, pokonując przestrzeń między cząsteczkami wody, powoduje ich wzburzenie. Po przepłynięciu ciała pomiędzy cząsteczkami wody, te łączą się z powrotem ze sobą. Im większe rozmiary pływaka (jego przekrój osi poprzecznej) oraz prędkość, tym większy opór czołowy. Negatywny wpływ na prędkość pływania ma również współczynnik kształtu. Człowiek jest w stanie znacząco zmniejszyć opór czołowy poprzez utrzymywanie „wysokiej” sylwetki w wodzie (wynurzenie znacznej części ciała nad wodę – zmniejszenie przekroju poprzecznego zanurzonego w wodzie) oraz przyjmowanie tzw. opływowej pozycji, dzięki czemu zapewnia sobie łagodniejsze rozejście się cząsteczek wody dookoła jego ciała. O ile przekrój poprzeczny ciała zwiększy się wraz z zanurzeniem całego ciała, o tyle współczynnik kształtu, dzięki przyjęciu opływowej pozycji, ulegnie znacznemu zmniejszeniu.

Drugim rodzajem oporu jest tarcie. W wyniku oddziaływania pomiędzy ciałem ludzkim, a wodą, dochodzi do wzburzenia cieczy. Cząsteczki wody „ocierają się” o skórę pływaka, hamując go. Im większa powierzchnia oddziaływania między wodą a ciałem pływaka, tym większą wartość będzie przyjmowało tarcie. Jakie ma to odniesienie do pływania pod wodą? Im większa część ciała zanurzona w wodzie, tym większa powierzchnia ma kontakt z wodą, a to z kolei powoduje wzrost siły hamującej. Z drugiej strony, tarcie stanowi jedynie 5% oporu całkowitego, więc nawet nieznaczne zwiększenie go nie przekłada się na duży wzrost oporu całkowitego.

Ostatnim rodzajem sił hamujących jest opór falowy. Człowiek, przemieszczając się na granicy wody i powietrza, mimowolnie wytwarza fale. Warto zaznaczyć, że opór ten nie występuje w przypadku poruszania się pod powierzchnią wody. Udowodniono, że opór falowy przyjmuje bardzo niskie wartości już poniżej głębokości 0,4m. Szacuje się, że opór ten może stanowić nawet 60% oporu całkowitego. Mimo zwiększenia przekroju poprzecznego oraz większej wartości tarcia w zanurzeniu, opływowa sylwetka oraz znikomy opór falowy sprawiają, że pływanie pod wodą jest szybsze od pływania na powierzchni.

Do tej pory zostały omówione jedynie siły hamujące. A co z siłami napędowymi?  Odpowiedź na to pytanie jest nieco bardziej skomplikowana. Najprościej sięgnąć po przykład ze świata natury. Pływak jest dużo wolniejszy od wielu zwierząt żyjących na co dzień w wodzie, m.in. delfinów. Wynika to przede wszystkim z różnic w budowie między porównywanymi gatunkami. Po pierwsze, skóra delfinów jest dużo lepiej unerwiona od skóry ludzi. To pozwala im lepiej „czuć” przepływ oraz wzburzenia wody. Po drugie, znacznie mniejsza ruchomość kręgów ludzkich w porównaniu do delfinów, uniemożliwia prawidłowe tworzenie fal napędowych wzdłuż ciała pływaka. Ostatnią rzeczą, jaką można porównać, jest budowa stóp u człowieka oraz płetw u ssaków wodnych. W porównaniu do płetwy delfina, ruch wyprostny w stawie skokowym człowieka jest mocno ograniczony. Także powierzchnia płetwy jest dużo większa od powierzchni stopy człowieka. Z tego powodu, pomiędzy ludźmi i ssakami wodnymi istnieje znaczna różnica w wielkości generowanego napędu.

Tworzenie napędu z użyciem kopnięcia delfinowego przez człowieka przez długie lata pozostawało zagadką, jednak uważna obserwacja wody dookoła stóp pływaka, pozwoliła zrozumieć ten mechanizm. W skrócie: człowiek przemieszczając swoją stopę naprzemiennie w górę i w dół tworzy wiry wodne. Jeśli wiry te znajdą się w odpowiedniej odległości od siebie, są one w stanie wygenerować napęd pchający pływaka do przodu. Efektywność tworzenia tych wirów wyraża się często poprzez bezwymiarową Liczbę Strouhala. Im jest ona niższa, tym większa skuteczność w tworzeniu wirów. W przypadku ryb i ssaków wodnych, przyjmuje ona wartości w zakresie 0,25-0,35, natomiast u ludzi 0,8-0,95. Tworzenie wirów przez stopę człowieka, zwłaszcza przy ruchu w górę, jest utrudnione z uwagi na wspomniane już ograniczenia kostne w stawie skokowym oraz małą powierzchnię stóp. Wszystkie te czynniki sprawiają, że w  pływaniu pod wodą prawdopodobnie nigdy nie osiągniemy skuteczności podobnej do delfinów.

Mając na uwagę wiedzę na temat powstawania wirów, można próbować naśladować delfiny. To właśnie robią najlepsi zawodnicy na świecie. Ich kopnięcia charakteryzują się dość optymalną amplitudą oraz wysoką częstotliwością ruchów. Pozwala to na generowanie wirów w odpowiedniej dla siebie odległości. Tworzenie wirów jest uwarunkowane także zgięciem w stawie kolanowym. Im jest ono mniejsze, tym łatwiej jest utrzymać rytm, a zatem tworzenie wirów. Ostatnim elementem mającym duży wpływ na skuteczny napęd, jest właściwy zakres ruchu w stawach skokowych. Udowodniono, że zwiększenie ruchomości w kierunku wyprostu w stawach skokowych (tzw. zgięcie podeszwowe) powoduje wzrost prędkości.

Omawianie ruchów delfinowych człowieka w kategorii kopnięć i ograniczanie ich jedynie do ruchów nóg jest pewnym uproszczeniem. Dowiedziono, że w trakcie wykonywania podwodnych ruchów delfinowych przez pływaków wyczynowych, napęd generowany jest również z użyciem mięśni tułowia. Mięśnie tułowia odpowiadają również za utrzymanie opływowej pozycji pod wodą. To oznacza, że w pływaniu z użyciem podwodnych ruchów delfinowych, w wysiłek zaangażowane są nie tylko nogi, lecz zdecydowana większość naszych mięśni szkieletowych.

Zmniejszony opór oraz możliwość napędu poprzez tworzenie wirów do największe zalety pływania pod powierzchnią wody. Czynnikiem ograniczającym pływanie pod wodą może być umiejętność wstrzymania oddechu przez dłuższy czas. Pływacy na dłuższych dystansach często nie wykorzystują w pełni fazy podwodnej właśnie z uwagi na potrzebę zaczerpnięcia powietrza. Wciąż istnieją możliwości poprawy w tym zakresie. Dzięki temu być może wkrótce nawet na najdłuższych dystansach będziemy oglądali zawodników wynurzających się z wody dopiero na 15. metrze.

Opracowano na podstawie:

1. Arellano R., Terres-Nicoli J.M., Redondo J.M. Fundamental Hydrodynamics of Swimming Propulsion. W: Vilas-Boase J.P., Alves F., Marques A. Revista Portuguesa de Ciencias do Desporto June 2006: Vol. 6 Issue 2 Suppl. p. 15-20.
2. Bartkowiak E. Pływanie sportowe,
3. Fish E.F., Rohr J.J. Review of Dolphin Hydrodynamics and Swimming Performance, 1999.
4. Grimshaw P., Lees A., Fowler N., Burden A. Biomechanika Sportu. Krótkie wykłady, 2010
5. Maglischo E.W., Swimming Fastest, 2003.
6. Hohmann A., Ulrich F., Kirsten R., Krueger T. EMG-Model of the Backstroke Start Technique. W: Vilas-Boase J.P., Alves F., Marques A. Revista Portuguesa de Ciencias do Desporto June 2006: Vol. 6 Issue 2 Suppl. 37-40.
7. Lyttle A., Blanksby B. Technique for Starts and Turns. W: Riewald S., Rodeo S. Science of Swimming Faster, 2015, 97-122.
8. Vennell R., Pease D., Wilson B. Wave drag on human swimmers. Journal of Biomechanics, 2006, 39, 664–671.
9. Von Loebbecke A. A comparison of the kinematics of the dolphin kick in humans and cetaceans. Human Movement Science, 2009, 28 (1) 99-112.

Podwodne nogi delfinowe

Podwodne nogi delfinowe

Podwodne nogi delfinowe