Механические факторы

Скорость и энергетические расходы при плавании зависят от трех основных механических факторов:

1) величины подъемной (плавучей) силы, противодействующей весу тела, или обратной ей величины - потопляющей силы;

2) лобового сопротивления продвижению тела в воде и

3) движущей силы, возникающей в результате эффективных продвигающих (пропульсивных) усилий пловца.

Подъемная (или обратная ей - потопляющая) сила, в соответствии с законом Архимеда на погруженное в воду тело действует подъемная (выталкивающая) сила, равная весу объема воды, вытесненного телом. Величина этой силы зависит, во-первых, от веса (объема) различных тканей тела (прежде всего мышц и жировой ткани) и их соотношения в теле данного человека; во-вторых, от степени погружения тела в воду, точнее, от веса (объема) частей тела, находящихся над и под поверхностью воды, и, в-третьих, от объема воздуха в легких. Вес тела в воде составляет лишь несколько килограммов. У людей с большим количеством жира потопляющая сила (вес тела в воде) равна 0, так что они способны удерживаться на поверхности воды без каких-либо дополнительных усилий. Поскольку у женщин объем жировой ткани относительно больше, положение тела в воде у них обычно более высокое, чем у мужчин. Среди пловцов большую плавучесть имеют стайеры, тело которых занимает более горизонтальное положение (ближе к поверхности воды),так как они имеют большее жировое депо и более низкий удельный вес тела, чем спринтеры (соответственно 1,0729 и 1,0786).

Когда тело спокойно удерживается на воде, некоторые части тела находятся над водой и легкие лишь отчасти заполнены воздухом. Поэтому на тело действует потопляющая сила, которой должна противостоять мышечная активность, создающая противоположно направленную силу. О степени этой активности можно судить по величине потребления кислорода сверх уровня полного покоя. Чем больше потопляющая сила, тем сильнее должна быть мышечная работа для удержания тела у поверхности воды и. тем выше потребление О2. У женщин эта сила колеблется в пределах 1,6 - 4,7 кг, у мужчин - 4,9 - 5,8 кг.

Лобовое сопротивление. При плавании основная мышечная работа затрачивается не на удержание тела на воде, а' на преодоление силы сопротивления движению тела, которая называется лобовым сопротивлением. Ее величина зависит от вязкости воды, размеров и формы тела, а главное - от скорости продвижения его. Люди с большой поверхностью тела испытывают более значительное сопротивление воды, чем люди с меньшей поверхностью тела. Соответственно у мужчин лобовое сопротивление в среднем больше, чем у женщин. Однако при учете размеров поверхности тела это различие между женщинами и мужчинами несущественно. На величину лобового сопротивления влияет положение (форма) тела в воде при разных стилях, плавания и в различные фазы плавательного цикла.

При высокой скорости продвижения в воде преодоление лобового сопротивления составляет главный компонент физической нагрузки для пловца. Если путем буксировки протягивать тело человека по воде, то лобовое сопротивление этому пассивному продвижению растет примерно пропорционально квадрату скорости буксировки. При активном плавании из-за движений головой, туловищем и конечностями лобовое сопротивление больше: при плавании кролем примерно в 1,5 раза, а при брассе в 2 раза.

Движущая, или пропульсивная (продвигающая), сила. Эта сила возникает в результате активной мышечной деятельности пловца и представляет собой сумму действия двух сил - лобового сопротивления и подъемной силы, возникающей при плавательных движениях. Она определяет скорость и направление движения тела пловца. Прямо измерить пропульсивную силу не удается, ее определяют у спортсмена, привязанного к измерительному устройству. Наибольшая движущая сила зарегистрирована при "привязанном" плавании способом брасс - около 22 кг. При других способах: плавания эта сила примерно одинакова - максимально 13-14 кг. В брассе наибольший вклад дает работа ног, а в кроле на груди и на спине - работа рук. В плавании способом баттерфляй движущая сила рук и ног примерно одинакова.

Скорость плавания. Средняя чисто дистанционная скорость (в середине бассейна) при плавании на 100 м составляет максимально: в кроле - около 1,9 м/с, в дельфине - 1,8 м/с, на спине - 1,7 м/с, в брассе - 1,5 м/с. Таким образом, наибольшая скорость достигается при плавании кролем, наименьшая - брассом.

Расходы энергии у человека при плавании примерно в 30 раз больше, чем у рыбы сходных размеров, и в 5-10 раз больше, чем при беге с той же скоростью. При очень низкой скорости плавания значительные различия в энергетических расходах у людей объясняются разной потопляющей силой (плавучестью) у них. При плавании с одинаковой скоростью женщины расходуют меньше энергии, чем мужчины, главным образом потому, что у женщин больше плавучесть.

С увеличением скорости плавания потребление О2 возрастает при плавании вольным стилем экспоненциально (примерно пропорционально квадрату скорости), а при плавании брассом и дельфином - линейно, лишь несколько замедляясь при большой скорости. Такой характер зависимости между энергетическими расходами (потреблением О2) и скоростью плавания разными способами объясняется прежде всего особенностями изменения лобового сопротивления и механической эффективности. Энергетические расходы при плавании брассом и дельфином вдвое больше, чем при плавании вольным стилем.

Наибольшее потребление О2, которое может быть достигнуто при работе только руками или только ногами, составляет соответственно 70-80 и 80-90% от наибольшего его потребления при полноценном плавании. Максимальная скорость плавания при работе руками меньше, чем при работе руками и ногами, что соответственно ведет к более низкому потреблению О2. Однако при плавании кролем это различие крайне мало, что связано с высокой эффективностью гребков руками.

На дистанции 100 м (50-60 с) примерно 80% энергии обеспечивается анаэробным путем (околомаксимальная анаэробная мощность). С увеличением дистанции возрастает аэробный компонент энергопродукции: на дистанции 400 м он превышает 50% общей энергопродукции. На дистанциях 800 и 1500 м о^ень важную роль играют мощность и емкость кислородной системы.

Скорость, начиная с которой содержание молочной кислоты в крови быстро увеличивается (анаэробный лактацидемический порог), соответствует примерно 80% от МПК. Тренированные пловцы способны работать на относительно высоком уровне потребления О2 (60-70% от МПК) без повышения содержания лактата в крови. При максимальной скорости плавания анаэробный гликолиз обеспечивает 50-60% энергии. Максимальная концентрация лактата в крови у высококвалифицированных спортсменов достигает 18 ммоль/л.

Эффективность плавания. Эффективность работы определяется как выраженное в процентах отношение полезной работы к расходуемой для ее выполнения энергии. Эффективность плавания крайне низкая. Даже у высококвалифицированных пловцов она составляет 4-7%. (Для сравнения: механическая эффективность наземной работы - ходьбы, бега, работы на велоэргометре - 20-30%. Отметим, однако, что при работе на ручном эргометре на "суше" эффективность также низкая - примерно 10%). Наибольшая эффективность отмечается при плавании кролем - 6-7% (максимум до 15%), наименьшая - брассом (4-6%).

При одинаковой скорости плавания (одним, и тем же способом) тренированный пловец расходует заметно меньше энергии, чем нетренированный. Эффективность плавания у нетренированного человека может быть в 8 раз меньше, чем у высококвалифицированного пловца. Индивидуальные колебания механической эффективности в плавании значительно больше, чем в таких видах наземной спортивной деятельности, как бег, ходьба, работа на велоэргометре.

Исключительно большие различия в потреблении О2 не только между нетренированными и тренированными людьми, но даже между высокотренированными пловцами указывают прежде всего на сложность плавательной техники. Кроме того, большое значение, как уже отмечалось, имеют размеры и форма тела (определяющие лобовое сопротивление), положение тела в воде, размеры и подвижность "весел", создающих движущую силу.

В определенных пределах с увеличением скорости плавания, вплоть до оптимальной, эффективность нарастает. При дальнейшем увеличении скорости она падает. Оптимальная скорость зависит от способа плавания и техничности пловца. В диапазоне относительно небольших скоростей (0,4- 1,2 м/с) для данного человека энергетическая стоимость проплывания (кролем) 1 км постоянна, т. е. не зависит от скорости плавания. Пловцы с плохой техникой расходуют больше энергии на единицу дистанции при любой скорости.

Удельный вес девочек и мальчиков вплоть до периода полового созревания заметно не различается. Соответственно и энергетическая стоимость плавания (со скоростью 0,7 м/с) на единицу дистанции с учетом размеров тела у них одинакова. Примерно с 15 лет этот показатель значительно снижается у девушек и повышается у юношей. На сверхдлинных дистанциях оптимальное соотношение между лобовым сопротивлением и механической эффективностью у женщин более чем компенсирует их сравнительно низкое МПК. Это объясняет определенное преимущество женщин перед мужчинами в плавании на сверхдлинные дистанции. Энергетическая стоимость проплывания 1 км дистанции составляет у нетренированных женщин 250 - 300 ккал, у нетренированных мужчин - 400 - 500 ккал, у спортсменок - 75- 150 ккал, у спортсменов- 150 - 200 ккал.