بیومکانیک شنا

جنبه های مکانیکی شنا

بسیاری از مربیان دریافته اند که شناگران بین المللی، هنگام شنا در مقایسه با دیگران، حباب های هوای کمتری در اطراف اندام های خود به وجود می آورند. حباب های هوا، نشان دهنده تلاطم و از بین رفتن نیروی جلوبرنده است. این نشان می دهد که شناگران در مرحله خاصی از شنا ترکیب اشتباهی از جهت و زاویه حمله را به کار می برند.

 

معنای حباب های هوا در پشت دست و پا

ظاهر شدن حباب های هوا در اطراف دست ها و بازوان شناگران شنای پروانه و کرال پشت و کرال سینه در مرحله گرفتن آب، طبیعی است، اما اگر این تلاطم بعد از آغاز مراحل جلوبرنده همچنان باقی بماند، نشانه ای از دست زدن نادرست شناگر است

احتمالا آنها زاویه حمله ای دارند که نسبت به جهت حرکت دست هایشان، عمودی است. به عبارت دیگر، شناگران دست های خود را مانند پارو و نه شبیه پره های پروانه قایق موتوری مورد استفاده قرار می دهند.

برای اصلاح این اشتباه، باید جهت دست ها با زاویه حمله با هر دو را تغییر داد. هر چند زاویه های جمله و موضوع آن، موضوعی علمی است تا تجربه عملی، اما بهترین زاویه حمله، همیشه مورد نظر پژوهشگران بوده است.

چنان که ملاحظه می شود، حرکت دست شناگران، در الگوهای نیم دایره ای انجام می شود. بنابراین، آنها زمانی که جهت حرکت خود را عوض می کنند، باید زاویه حمله را نیز همراه با آن تنظیم کنند؛ به طوری که، مؤثرترین زاویه حمله در هر مرحله از شنا یا مرحله کشش دست در آب حاصل می شود.

علاوه بر این، شناگران همواره بر اساس احساس خود، زاویه حمله را تغییر می دهند. آنها این عمل را با چرخانیدن دست و حفظ زاویه حمله آن طور که در مرحله قبل عمل می کرد، انجام می دهند.

درباره مرحله پایانی نیروی جلوبرنده یعنی سرعت حرکات اندام در قسمت بعدی مقاله بحث خواهد شد .

تحقیق بعدی که در سال ۱۹۸۴ میلادی توسط شلای هاوف (Schlieihauf) انجام گرفت، نشان داد که این مطلب درست اما بیش از حد ساده بیان شده است.

دست های شناگران در روند شنا از آغاز تا پایان حرکت، در آب سرعت یکنواختی ندارد، بلکه با هر تغییر جهت دست، سرعت آن، ابتدا کاهش وسپس افزایش می یابد.

نمونه ای از الگوی سرعت دست شناگر کرال سینه در شکل نشان داده شده است. در این شکل، سرعت حرکت دست راست شناگر که به صورت اریب در آب حرکت می کند، حرکتی سه بعدی دارد که از حرکات رو به عقب، سپس به سمت پهلو و درنهایت، به سمت بالا و پایین ترکیب شده است.

این ابعاد باید به عنوان سرعت دست در یک جهت، به سمت جلو یا به سمت عقب تعیین شود. سرانگشت میانی شناگر، نقطه شروع سرعت حرکت دست است. شکل مقابل، شنا کردن با سرعت ۵۰ یا ۱۰۰ یارد را نشان می دهد.

خط منحنی در قسمت بالای تصویر، تغییر سرعت های دست را طی یک دوره کامل حرکت دستها نشان می دهد. سرعت دست چپ بعد از ورود در آب کاهش پیدا کرده است، تا اندازه ای که در مرحله گرفتن آب، سرعتی معادل ۸/۱ متر در ثانیه داشته است. همچنین، سرعت این دست طی مرحله نخست حرکت به سمت داخل پیش برنده است.

با آمدن دست به زیر بدن، سرعت تا ۳ متر در ثانیه افزایش یافته است. این سرعت با حرکت دست به سمت بالا تا ۵ متر در ثانیه افزایش می یابد. زمانی که دست چپ از فشار می شود و به مرحله استراحت می رود، از سرعتش کاسته می شود.

دست راست شناگر که لحظاتی قبل وارد آب شده، حرکت خود را در مرحله گرفتن آب به سمت پایین و با کاهش سرعت (حدود۸ / ۱ متر در ثانیه) ادامه می دهد، سپس در حالی که دست به طرف زیر بدن می آید، سرعتش به ۴ متر در ثانیه می رسد.

دست راست طی مرحله انتقال به حرکت پیش برنده بعدی، سرعت خود را تا حدود ۴/۳  متر در ثانیه کم می کند که سرعت آن تا ۶ متر در ثانیه در مرحله بعد می رسد. توجه داشته باشید که افزایش و یا کاهش حرکت بدن در آب به سمت جلو، تا اندازه زیادی با تغییرات سرعت دست مطابقت دارد. این روند، الگوی سرعت دست در سه شنای رقابتی دیگر نیز است

 

اکثر شناگران، دست خود را شتاب می دهند یا از سرعت آن می کاهند که این امر با هر تغییر اصلی جهت حرکت دست در هر دوره کامل دست مطابقت دارد. آنها سرعت دست خود را در هر تغییر جهت کند می کنند و سپس در ادامه حرکت بر سرعت آن می افزایند.

احتمالا بین سرعت دست و زاویه حمله ای که باید در هر چهار مرحله از حرکت دست به کار گرفته شود، رابطه دقیقی وجود دارد. گاهی شناگران آگاهانه دست خود را تا رسیدن به مرحله پایانی حرکت دست، در زیر بدن حفظ می کنند.. در واقع، شناگر سرعت دست خود را تنها تا میزان ۳ متر در ثانیه طی حرکت دست در زیر بدن بالا می برد که این امر، مفهوم سرعت بهینه دست را تأیید می کند.

بدیهی است که شناگر می تواند سرعت دست خود را تا ۶ متر در ثانیه در مرحله پایانی شتاب دهد.

به این معنی که او با بصیرت، سرعت بهینه ای را در اواسط حرکت دست خود در آب انتخاب کرده است، در این مرحله تا حد زیادی بالا می برد.

 

سرعت اندام

کانسیلمن و واسیلاک (Counsilian & wasilak) در سال ۱۹۸۲، اولین کسانی بودند که به تحقیق در زمینه رابطه بین سرعت اندام و سرعت شنا پرداختند. آنها نشان دادند که بهترین شناگران کسانی هستند که حرکات دستشان در زیر آب از شروع تا پایان شنا سریع است .

مقصود از عمل گرفتن آب، لحظه ای است که دست حرکت پیش برنده خود را آغاز می کند. بیشتر شناگران تصور می کنند که این عمل بلافاصله پس از ورود درست در آب آغاز می شود یا در شنای قورباغه بلافاصله پس از شروع حرکت دست به سمت خارج صورت می گیرد. این عقیده شاید به طرح معمولی ترین اشکال در شنای رقابتی (آرنج افتاده )Dropped elbow  منجر شده باشد .

در واقع، در تمام تکنیک های شنا، عمل گرفتن آب موقعی انجام می شود که دستها در حدود یک سوم مسیر خود را در زیر آب طی کرده باشد. شناگران به زمانی نیاز دارند تا بتوانند دست های خود را در وضعیتی قرار دهند که آب را به سمت عقب جابه جا کنند.

تصویر مقابل، زمانی را نشان می دهد که شناگر می خواهد نیروی مت بیوندی Matt Biondi برنده پنج مدال طلا در بازیهای المپیک ۱۹۸۸ و دارنده رکورد جهانی شنای ۱۰۰متر آزاد است.

جلوبرنده را در شنای کرال سینه به کار برد. این شناگر، مت پیوندی (Matt Biondi) است که برنده پنج مدال طلا در بازی های المپیک ۱۹۸۸ و دارنده رکورد جهانی شنای ۱۰۰ متر آزاد است

نمودار درج شده نشان می دهد که نیروی جلوبرنده طی حرکت یک دست در زیر آب تولید شده است. این نیرو برحسب کیلوگرم روی محور عمودی و زمان، بر حسب دهم ثانیه روی محور افقی ملاحظه می شود. منظره و نمای جانبی حرکت دست در بالای نمودار نشان داده شده است. این الگو برحسب دهم ثانیه تنظیم شده است، طوری که شما می توانید مراحل حرکت دست را نسبت به مقدار نیروی تولیدشده مقایسه کنید. این محاسبات براساس فیلم گرفته شده از بیوندی در شنای ۱۰۰ متر سرعت انجام شده است.

نمودار نشان می دهد که شناگر، نیروی جلوبرنده را تا ۳/۰  ثانیه پس از ورود دستش در آب به کار نمی برد. در آن زمان او تقریبا یک سوم مسافت حرکت دست خود را در آب کامل کرده است.

شناگران در سایر شناهای رقابتی از طرح و نقشه مشابهی پیروی می کنند. آنها پس از این که دستشان به اندازه کافی در عمق آب فرو رفت، فشار لازم را در جهت رو به عقب به آب وارد می سازند.

مربیان اغلب این وضعیت دست ها را آرنج بالا (High elbow) می نامند؛ زیرا آرنج شناگر همیشه بالاتر از دست او خواهد بود. شناگران تا زمانی که دستشان به این وضعیت (آرنج بالا) نرسد، نباید نیروی جلوبرنده خود را به کار برند و اگر این عمل را زودتر انجام دهند، از سرعت رو به جلوی خود می کاهند و دست های آنها به جای آن که رو به عقب باشد، به سمت خارج یا رو به پایین خواهد بود و در این صورت، آنها نمی توانند دست خود را به سمت عقب جابه جا کنند. این امر، تلاش آنها را ضایع و از سرعت آن ها می کاهد .

 

جنبه های مکانیکی شنا

نیروی محرکه و مقاومت

شنای رقابتی، یک ورزش منحصر به فرد است؛ زیرا ورزشکاران در حالی که در سیالی (آب) معلق هستند، به رقابت می پردازند. آنها بدن خود را با وارد کردن فشار بر آب و نه یک جسم جامد، به جلو می برند. آب در مقایسه با سطوح جامدی که ورزشکاران در خشکی روی آن تمرین می کنند، سختی کمتری دارد (نیروی کمتری می توان به آن وارد کرد – مترجم).

از طرف دیگر، مقاومت آب در برابر حرکات به سمت جلوی شناگران، به طور قابل ملاحظه ای بیشتر است؛ زیرا آب هزار برابر فشرده تر از هواست. بنابراین تعجب آور نیست که کارآیی در شنا نسبت به سایر ورزش ها کمتر باشد.

افزایش کارایی همان قدر اهمیت دارد که تمرین مناسب؛ بخصوص وقتی که بهبود عملکرد شناگران، مورد نظر است. بالا رفتن سطح کارایی شناگر را می توان به طور مستقیم به توانایی او در تولید نیروی پیش برنده، و در همان حال به کاهش نیروی مقاومت آب برای جلو رفتن نسبت داد. بعضی از مهمترین عواملی که در کاهش مقاومت و افزایش نیروی پیش برنده دخالت دارند، در این نشریه به بحث گذاشته خواهد شد.

 

 

مقاومت

آب در مقابل حرکت اشیا در آن مقاوم است. به واژه ای که برای توصیف مقاومت مایعات به کار برده می شود نیروی مقاوم آب” گویند. یک قانون غیر انکار در مورد نیروی مقاوم آب این است که آن همیشه برخلاف مسیر حرکت بدن شناگر عمل می کند. افزایش نیروی مقاوم، با الگوی جریان آب در اطراف شناگر، در ارتباط است که از یک جریان لایه ای به حالت متلاطم تغییر پیدا می کند.

 

جریان لایه ای و جریان متلاطم آب

آب از مولکول هایی تشکیل شده است که به طور مداوم و ملایم جریان دارند. وقتی جریان آب با جسم جامدی برخورد کند، حرکت مولکول های آب ، جریان لایه ای” Laminar flow خوانده شده است، حال آنکه جریان آشفته و غیر یکنواخت آب را “جریان متلاطم “Turbulent flow گویند. اطلاعات مندرج در جدول، ویژگی های این دو جریان را به طور خلاصه بیان می کند

جریان لایه ای، کمترین مقاومت را به همراه دارد؛ زیرا در این جریان، مولکول های آب در یک جهت و با سرعتی یکنواخت به حرکت در می آیند. مولکول های آب در این حالت همچون لایه های تخته سه لایی بر روی یکدیگر قرار گرفته اند؛ به این سبب واژه ی لایه ای برای توصیف الگوی حرکت آب به کار برده می شود.

هنگامی که جریان لایه ای آب، با جسم جامدی مانند بدن شناگر برخورد می کند، مولکول های آن در همه جهات پس زده و پراکنده می شوند. بعضی از مولکول ها به پایین و برخی دیگر به بالا رانده می شوند.

با وجود این دیگر مولکول ها به سمت جلو رانده می شوند بخشی از مولکول های آب به سبب اصطکاک با بدن شناگر، برای دوره کوتاهی همراه با او حمل می شوند.

این امر به صورت آب کف آلود و سفید در سطح آب و نیز به شکل حباب های هوا در اطراف اندام های بدن شناگر در زیرآب و قابل مشاهده است

مولکول های آب متلاطم شده، در واقع، با فشار وارد بر جریانات لایه های بعدی تصادم ایجاد می نماید و موجب می گردد تا آنها نیز در جهات مختلف و نامشخص پس زده و پراکنده شوند به همین شکل حرکات تصادفی این مولکول ها در یک الگوی فراگیر از آشفتگی، به طور پیوسته و دائم به داخل لایه ها بیشتر نفوذ خواهد کرد

چرخش (تغییر مسیر) آب، فشار جلو شناگر را به نسبت فشار پشت او، که جریان آب در آن، بیشتر لایه ای است، افزایش می دهد. این اختلاف فاحش بین فشار جلو و عقب شناگر، مانع پیشرفت او به جلو می شود. جریان لایه ای و متلاطم در شکل، نشان داده شده است.

نیروی مقاومی که شناگر با آن مواجه است، به طور مستقیم با مقدار تلاطم ایجاد شده، تناسب دارد. موقعی که آب، تلاطم ملایمی دارد، تنها بخش کوچکی از جریان لایه ای آن آشفته شده، از این رو مقدار نیروی بازدارنده مقاوم، کم و محدود است، اما وقتی حالت آشفتگی وسیع باشد، مقدار بیشتری از جریانات لایه ای به هم خورده و در نتیجه اثر بازدارندگی

 

ویژگی های دو جریان مختلف لایه ای و متلاطم آب

* جریان لایه ای : جریان پراکنده شده مولکول های آب. این نوع جریان آب دارای حداقل نیروی مقاوم بازدارنده است .

* جریان متلاطم :  حرکات طوفانی و درهم برهم شده مولکول های آب در جهات مختلف که با کف آلود شدن و افزایش نیروی مقاوم بازدارنده مشخص می شود .

هنگامی که جریان آب متلاطم به سمت عقب ادامه می یابد تا اینکه دوباره جریان لایه ای در فاصله ای پشت سر شناگر روی دهد، شناگران برای عبور بدنشان از وسط آب باید کانال هایی” را در آن باز کنند.

این کانال ها بلافاصله پس از عبور شناگر پر نمی شوند. در نتیجه، در محوطه پشت سر شناگران نوعی خلا نسبی ایجاد می شود که در آنجا تنها تعداد کمی از مولکول های آب حرکت گردابی و چرخشی دارند.

این پیچش مولکول های آب که به جریانات گردابی Eddy currents معروف است، به صورت حرکت چرخشی آب در اطراف پای شناگر، قرار دارد.

با اینکه این جریانات متلاطم هستند؛ اما، فشار جریان گردابی پایین است؛ زیرا تعداد کمی از مولکول های آب دارای حرکت چرخشی می باشند. در نتیجه، بدن شناگران به وسیله فشار بالای آب در ناحیه جلو، به عقب رانده می شود و همچنین به وسیله فشار کم ناحیه پشت سر خود، به عقب کشیده می شوند.

موقعی که الگوی تلاطم آب وسیع باشد، سطح جریانات گردابی گسترده تر و مستلزم وقت بیشتری برای پر شدن است، در نتیجه اثر بازدارنده (کند کننده)  در سرعت رو به جلوی شناگر بیشتر می شود.

برعکس هنگامی که الگوی تلاطم آب وسیع نباشد، ناحیه ای که در آن جریانات گردابی وجود دارند زودتر پر می شود.

 

تأثیر اندازه، شکل و سرعت بر نیروی مقاوم بازدارنده

سه عامل تعیین کننده مقدار مقاومت آب در برابر شناگران به قرار زیر هستند

1- فضایی که شناگر در آب اشغال می کند.

۲- شکل و حالتی که شناگر در آب به خود می گیرد.

۳- سرعت حرکت شناگر

 

تأثیر شکل

یک شکل هر دو سر باریک، کمترین مقدار نیروی مقاومت را در آب تولید می کند. و هر دو جسم دقیقا سطح مشابهی دارند، اما یکی از آنها از دو انتها باریک و دیگری مستطیل شکل است.

جسم a به دلیل اینکه از دو انتها باریک است، به مولکول های آب اجازه می دهد تا جهت حرکت خود را در حالی که از اطراف آن عبور می کنند، به تدریج تغییر دهند.

این امر باعث می شود تا مقدار کمی تلاطم ایجاد شود. انتهای مخروطی شکل جلویی جسم، سبب ایجاد کمترین اختلال در جریان آب می شود؛ زیرا نزدیکترین مولکول ها نسبت به شی می توانند به اطراف آن سر خورده و تا اندازه ای به کنار رانده شوند.

بتدریج که پهنای جسم زیادتر می شود، آنها می توانند حرکت خود را به جلو ادامه دهند، در نتیجه این مولکول ها تعداد کمی از جریانات مجاور را مختل می کنند و الگوی آشفتگی به حداقل می رسد.

انتهای مخروطی شکل عقبی جسم، ناحیه جریانات گردابی پشت آن را کاهش داده و به آب اجازه میدهد به سرعت آنجا را پر کند.

جسم مستطیل گونه، سطح صاف و بزرگی را در برابر جریانات مولکول هایی که در جلو آن قرار دارند، ایجاد می کند. این مولکول ها قادر نیستند مسیرشان را به آرامی تغییر داده و یا به حرکت خود در اطراف شی ادامه دهند.

در عوض، وقتی آنها با این سطح پهن برخورد می کنند، در جهات مختلف به اطراف پس زده می شوند و برگشت پیدا می کنند. این امر موجب می شود تا مولکول های آب به درون تعداد زیادی از لایه های مجاور نفوذ کرده الگوی وسیعی از تلاطم ایجاد کنند که سبب افزایش زیاد فشار در جلوی جسم می شود.

قسمت عقبی مربع شکل جسم، جریانات از هم گسیخته را برای مدت طولانی تری پس از عبور جسم، به همان حال حفظ می کند. این امر سطح وسیع تری از جریانات گردابی را به وجود می آورد که به طور قابل ملاحظه ای فشار را در پشت جسم کاهش می دهد.

در نتیجه، تفاضل فشار بین جلو و عقب جسم مستطیل شکل افزایش یافته و اثر بازدارندگی بزرگتری را در مقابل حرکت رو به جلو جسم به وجود می آورد

شکل قایق ها، اتومبیل ها، هواپیماها و دیگر اجسامی که در آب و یا هوا حرکت می کنند در طی سالها رو به تکامل رفته و به شکل دو سر باریک مطابق جسم a در آمده است.

متاسفانه، بدن شناگران در آب نمی تواند به صورت گلوله شكل ثابتی باقی بماند. آنها مجبورند، دائما وضعیت بدنی خود را تغییر دهند و انواع مختلفی از اشکال را در آب ارائه کنند.

در مقایسه با شناگران استقامتی، شناگران سرعتی، کشیده ترین شکل ممکن را با اتخاذ این وضعیت در آب به وجود می آورند. روش های کشیده و مستقیم شدن بدن شناگران در ادامه این فصل تشريح خواهد شد.

 

اثر فضا (اندازه)

موقعی که شناگران فضای بیشتر را در آب اشغال می کنند، آنها جریان مولکول های بیشتری را در داخل آب از هم گسیخته کرده، نیروی مقاوم را افزایش می دهند.

فضای اشغال شده توسط شناگران دارای اجزای افقی و جانبي است جزء افقی به عمق بدن آنها مربوط می شود. اگر آنها از سر تا پای خود را تقریبا در یک سطح قرار دهند، جریانات کمتری از هم پاشیده می شوند.

جزء جانبی، مربوط به فضایی است که شاگران و یک سمت بدن تا سمت دیگر (پهنای بدن) اشغال می کنند، شناگرانی که زیاد به این طرف و آنطرف می چرخند، در مقایسه با آنهایی که این حرکات جانبی را ندارند، جریانات بیشتری از آب را از هم می باشند.

اثر مسیر افقی نشان می دهد، این در شناگران، اندازه بدنی کاملا یکسانی دارند، اما بدن آنها به گونه متفاوتی در آب قرار گرفته است و در نتیجه شناگر پایینی نسبت به شناگر بالایی فضای بیشتری اشغال کرده است. شناگر بالایی به صورت افقی و در مسیر جریان (کشیده) قرار دارد.

همانطور که مشاهده می شود شناگر بالایی در مقایسه با شناگر پایینی از میان ستون کوچکتری از آب حرکت می کند. وضعیت بدن شناگر پایینی از جلو به عقب به سمت پایین متمایل شده و در این حالت وقتی بخواهد به سمت جلو حرکت کند، باید با ستون بزرگتری از آب برخورد کند.

به بیان ساده، شناگر پایینی به دلیلی که در مقابل حجم بیشتری از آب قرار می گیرد، با نیروی مقاوم بازدارنده بزرگتری مواجه است . شناگران جز در چند مورد استثنایی باید سعی کند، تا حد ممکن، بدن خود را در آب به صورت افقی نگه دارند

نیاز شناگر به تولید نیروی جلوبرنده قوی، مانع از این می شود که او بدن خود را در آب به صورت کاملا افقی نگه دارد. همانطوری که قبلا ذکر شد وضعیت های بدن آنها در طی هر دوره دست، دائما در حال تغییر است.

شناگران کرال سینه و کرال پشت باید بدن خود را از پهلو به پهلوی دیگر بچرخانند تا بتوانند نیروی جلوبرنده تولید کنند، در حالی که شناگران قورباغه و پروانه؟، برای رسیدن به همین هدف، باید به بدن خود، حرکات موجی شکل در سمت بالا و پایین بدهند.

اگر چه این حرکات جانبی نیروی مقاوم (بازدارنده را افزایش می دهند، اما باعث افزایش بیشتر در نیروی جلوبرنده می شوند. در نتیجه شناگران برای سریع شنا کردن باید بین نیاز به قرار گرفتن در وضعیت افقی و نیاز به استفاده بهینه از نیروی جلوبرنده، توازن به وجود آورند.

شناگران می توانند برای تولید نیروی جلو برنده، بدنشان را بیش از مقدار ضروری به اطراف، حرکت دهند، اما با انجام این عمل نیروی مقاومی که ایجاد می شود، به طور نسبی بیشتر از افزایش مقدار نیروی جلوبرنده است. همین طور وسواس زیاد در حفظ وضعیت افقی بدن می تواند نیروی جلوبرنده را بیش از کاهش دادن نیروی مقاوم محدود سازد.

پیشنهادهای لازم برای برقراری توازن مناسب بین این دو جنبه از شنا، در فصول مربوط به هر شنای رقابتی ارائه شده است

 

اثر سرعت

عامل اصلی دیگری که بر نیروی مقاوم تأثیر می گذارد، سرعت شناگران در داخل آب است، تأثیر سرعت روی نیروی مقاوم یک موضوع علمی است.

برای شناگر این امر عاقلانه نیست که برای کاهش نیروی مقاوم، آهسته شنا کند و در نتیجه مسابقه را به حریف واگذارد. در هر صورت این اثر در زمینه شنای رقابتی کاربرد دارد. این موضوع نشانگر تنظیم خردمندانه آهنگ شناست.

شناگری که نیمه اول مسافت یک مسابقه را با سرعت کمتری نسبت به حریف خود شنا می کند، برای غلبه بر نیروی مقاوم به مصرف خیلی زیاد انرژی نیاز نخواهد داشت.

اگر شناگران تقریبا در یک سطح باشند، آن کسی که آهنگ حرکت خود را در قسمت اول مسابقه خوب تنظیم کرده باشد ممکن است بتواند در قسمت پایانی، سریعتر از حریف خسته خود شنا کند و برنده مسابقه شود.