Физические свойства воды

При плавании тело человека почти полностью погружено в воду. Поэтому для правильного понимания основ техники плавания и воздействия плавания на организм человека необходимо знать основные физические свойства воды.

Вязкость воды — это свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению одной ее части относительно другой. При движении частиц воды относительно друг друга возникает сила трения, препятствующая движению. Эта сила и обусловливает возникновение вязкости. Поэтому, когда вода приходит в движение, то в ней возникает внутреннее сопротивление: в процессе плавания спортсмен увлекает за собой ближний слой воды, который, в свою очередь, за счет действия внутреннего сопротивления «тянет» соседний слой воды, и т. д.

Вязкость воды невелика. При повышении температуры воды ее вязкость уменьшается, что приводит к снижению у пловцов «чувства воды» и эффективности гребковых движений.

Плотность вещества определяется отношением массы единицы тела к занимаемому объему и измеряется в килограммах на кубический метр (кг/м³). Плотность пресной воды при температуре 4 °C составляет.

1000 кг/м³ и является особо важным свойством воды. Человек обычно производит движения в воздушной среде. При передвижении на суше он опирается о более плотную массу — землю. Земля является средой отталкивания, воздух — средой передвижения, т. е. обычно человек перемещается в разнородной среде. Сопротивление воздушной среды человек ощущает только при очень большой скорости передвижения, сильном ветре, большой влажности, высокой или низкой температуре. При плавании человек сталкивается с однородной средой, где вода служит одновременно и для отталкивания, и для передвижения.

Плотность воды превышает плотность воздуха более чем в 800 раз и является основной причиной высокого сопротивления движению пловца: средняя скорость плавания спортсмена (2 м/с) значительно уступает средней скорости бегуна (10 м/с). От плотности воды зависит ее удельный вес.

Удельный вес — это вес единицы объема воды, равный отношению веса единицы тела к занимаемому объему. Измеряется в ньютонах на кубический метр (Н/м³). Удельный вес дистиллированной воды в Международной системе единиц (СИ) при температуре 4 °C равен 9804 Н/м³, морской воды — 10 098 Н/м³. Знание удельного веса воды и погруженного в нее тела позволяет судить о плавучести.

Звукопроницаемость — это скорость распространения звука. В воде она почти в 5 раз больше, чем в воздушной среде.

Человек, погруженный под воду, не слышит команды инструктора или тренера. Единственным слуховым контактом с пловцом является постукивание по лестнице или бортику бассейна. В воде разница в запаздывании прихода звуковых колебаний становится неуловимой. Поэтому определить под водой местонахождение звука практически невозможно.

Светопроницаемость — это показатель активного поглощения лучей света водой. В результате интенсивность дневного света значительно уменьшается и снижается видимость. Человек, открыв глаза под водой, все предметы видит мутно и расплывчато, даже если вода прозрачна и хорошо освещена. Это обусловлено тем, что при контакте воды с роговицами глаз снижается острота зрения. При использовании очков или маски, создающих прослойку воздуха между глазом и водой, улучшается видимость, но уменьшается поле зрения и все предметы кажутся ближе и крупнее приблизительно на 25%.

Теплопроводность и теплоемкость также являются одними из основных свойств воды. Вода обладает большой теплоемкостью и теплопроводностью, что в сочетании с конвекцией (движением воды вдоль тела) создает предпосылки для усиленной теплопотери в воде.

Если в условиях воздушной среды человек поддерживает тепловой баланс (постоянную температуру тела), несмотря на большие изменения внешней температуры воздуха, то в условиях водной среды при полном покое (без усиления теплопродукции и повышения теплоизоляции тела) тепловой баланс может поддерживаться при температуре воды от 22 (для людей с выраженным слоем подкожного жира) до 32 °C (для худощавых). Теплопотери активизируют биохимические процессы организма, связанные с выделением тепла, а мышечная деятельность еще более усиливает их. Поэтому плавание повышает активность процессов обмена веществ в организме человека.

Сжимаемость воды — это свойство жидкости уменьшаться в объеме при повышении внешнего давления. Сжимаемость воды крайне незначительна, но в результате сжатия в ней возникают силы гидростатического давления. В обычных условиях покоящаяся жидкость сжимается под действием сил тяжести (собственный вес жидкости и атмосферное давление). Единица давления в СИ измеряется в паскалях (Па).

Погружение в воду на каждый метр дает увеличение гидростатического давления на 9806 Па. Следовательно, при погружении на дно в глубоком бассейне (например, на 6 м) тело пловца испытывает давление, равное 58 836 Па, дополнительно к обычному атмосферному давлению воздуха, равному 101 325 Па.

Плавучесть тела — это состояние тела пловца в воде, на которое, согласно закону Архимеда, действует выталкивающая сила, равная массе вытесненной жидкости.

Следовательно, плавучесть тела определяется разницей удельного веса воды и удельного веса тела пловца. Чем больше разница между удельным весом воды и телом пловца, тем выше плавучесть. Когда удельный вес воды больше удельного веса тела пловца, то тело приобретает положительную плавучесть и всплывает. Если удельный вес тела пловца больше удельного веса воды, тело приобретает отрицательную плавучесть и тонет.

Средний удельный вес тела человека зависит: 1) от удельного веса отдельных тканей тела человека и их процентного содержания (обычно у женщин, имеющих большее количество жировой ткани, чем мужчины, и детей удельный вес меньше); 2) от степени наполнения легких воздухом (при полном вдохе).

Поэтому на начальном этапе обучения плаванию все упражнения выполняются на полном вдохе при задержке дыхания, что увеличивает плавучесть тела.

Человек при погружении в воду теряет в массе столько, сколько весит вытесненная им вода. Так, например, тело человека весом 80 кг в воде составит всего 1,5 кг. Пловец может удерживать тело на поверхности воды в положении лежа, делая ногами лишь легкие гребковые движения.

Удельный вес воды изменяется в зависимости от температуры. Наибольший удельный вес воды наблюдается при t = 4 °C, а также при различных примесях, находящихся в воде (например, морская вода). Поэтому в морской или очень соленой воде плавучесть выше, чем в пресной.

Гидростатическое равновесие тела в воде определяется выталкивающей силой воды и силой тяжести тела. Выталкивающая сила приложена к центру объема (ЦО), который находится ближе к грудной клетке, а сила тяжести — к общему центру тяжести (ОЦТ), находящемуся ближе к области таза (рис. 1.4). Гидростатическое равновесие будет наблюдаться, когда оба центра и обе силы выйдут на вертикальную прямую. Пловец с «легкими» ногами может находиться в положении равновесия даже с руками, вытянутыми вдоль туловища. Напротив, пловцу с «тяжелыми» ногами необходимо вытянуть руки вперед, чтобы сместить общий центр тяжести тела ближе к центру объема и обрести положение равновесия.

Рис. 1.4. Гидростатическое равновесие при действии силы тяжести тела Р и выталкивающей силы воды Q на тело пловца:

1 — неуравновешенное и 2 — уравновешенное положение тела;

ЦО — центр объема; ОЦТ — общий центр тяжести.

Сопротивление воды при плавании непосредственно зависит от свойств воды. Основной причиной высокого сопротивления воды движению пловца являются ее плотность и вязкость.

Сопротивление воды у пловцов с возрастом увеличивается (причем у мужчин оно выше, чем у женщин). По данным научных исследований и разработок, опубликованных в спортивно-методической литературе, общее сопротивление воды движению пловца складывается из сопротивления формы тела — 57—76%, сопротивления трения воды с телом — 1—3%, сопротивления при волнообразовании — 17—40%.

Сопротивление формы тела пропорционально квадрату скорости плавания на поперечное сечение тела пловца. Поперечное сечение тела пловца при плавании спортивными способами гораздо меньше, чем при плавании народными способами, т. е. с поднятой головой, когда у пловца опускаются ноги (рис. 1.5). Даже при небольшом увеличении скорости тела при плавании народными способами значительно увеличивается сопротивление воды, что заставляет пловца работать, используя максимум усилий, и вызывает быстрое утомление.

Сопротивление трения определяется силой преодоления взаимосвязи присоединенных к телу пловца частиц и слоев воды. Чем более гладкий кожный покров пловца и его плавательный костюм, тем меньше сила трения.

Важным свойством воды является ее способность к волнообразованию, которое определяется вязкостью и подвижностью водной среды, а также колебаниями тела пловца вверх-вниз. Волнообразование является одной из причин возникновения силы сопротивления воды движению пловца. Размеры волн зависят от технической подготовленности пловца и амплитуды колебания тела вверх-вниз.

Рис. 1.5. Сопротивление формы тела:

1а — вид сбоку при скольжении; 2а — вид спереди при скольжении, или поперечное сечение пловца; 16 — вид сбоку при плавании народными способами, или поперечное сечение пловца; 26 — вид спереди при плавании народными способами, или поперечное сечение пловца.