游泳与流体力学
伯努利原理的应用
伯努利原理的应用伯努利原理是流体力学中的基本原理之一，它描述了在流体中存在速度和压力之间的物理关系。
伯努利原理最早由瑞士物理学家丹尼尔·伯努利（Daniel Bernoulli）于1738年提出，并成为流体力学研究和应用的重要工具。
伯努利原理的应用涉及到多个领域，包括空气动力学、流体机械、空气动力学、气象学等等。
本文将重点介绍几个典型的伯努利原理应用。
1.飞行原理伯努利原理在航空领域具有重要的应用。
在飞机起飞和飞行过程中，引擎产生的推力和机翼产生的升力都需要通过伯努利原理来解释。
当飞机在高速飞行过程中，机翼上方的曲率较大，气流速度较快，根据伯努利原理，该处气流的压强低于机翼下方，从而产生升力。
这就是飞机在空中能够飞行的原理之一2.水力学应用伯努利原理在水利工程中也有广泛的应用。
例如在水泵和水流的输送管道中，根据伯努利原理可以计算流体在管道中的流速、压力等参数，帮助设计和优化水力系统。
此外，在水力发电站中，通过控制水流和叶轮的结构，可以合理利用伯努利原理来提高水轮机的效率，增加发电量。
3.喷气推进原理伯努利原理也被广泛应用于喷气推进器的研发和设计中。
在喷气发动机中，通过将空气加速进入喷嘴空间内，并将它们加热和强力喷出，产生的反冲力推动飞机前进。
而这正是根据伯努利原理，通过加速空气流体的速度，使得空气的压力降低。
这个原理同样也适用于其他喷射装置，如喷水器、火箭等。
4.游泳运动游泳运动中的起步技巧也可以通过伯努利原理来解释。
游泳运动员在起跳入水时，会先将身体迅速推入水中，然后在水面下方挥臂蹬腿，推动身体向前。
而当运动员身体快速进入水中时，水流速度加快，根据伯努利原理，该处水流的压强会下降，从而产生向前的推力，帮助游泳运动员更快地前进。
总结起来，伯努利原理具有广泛的应用领域，涵盖了航空、水力学、喷气推进、运动等不同领域。
通过理解和应用伯努利原理，可以帮助我们更好地设计和优化相关的系统和装置，提高其效率和性能。
基于计算流体力学的游泳动态数值模拟研究进展
19文章编号：1002-9826（2019）02-0019-10DOI ：10. 16470/j. csst. 2019898基于计算流体力学的游泳动态数值模拟研究进展Progress in Numerical Simulation of Human Swimming Motions Based on Computational Fluid Dynamics李天赠*，黄 丹LI Tianzeng *，HUANG Dan 摘 要：通过分析游泳运动员与水的相互作用关系，探索游动过程中阻力与推进力的产生机理，进而提出技术动作的优化方案，实现降低阻力提高推进效率的目的，是当前提升竞技游泳性能最为有效的手段之一。
随着计算机科学的快速发展，计算机数值模拟技术在研究游泳阻力与推力的产生机理方面展现出巨大的潜力。
然而，由于游泳技术动作及人体结构的复杂性，开展游泳运动的动态仿真研究仍然是计算机数值模拟技术工程应用的一大挑战。
研究旨在通过介绍近几十年来基于计算流体力学的游泳动态数值模拟研究进展，指出不同研究方法的特点和局限性，并探讨相关的发展趋势。
关键词：游泳；计算流体力学；数值模拟；动态运动Abstract: By analyzing the interaction between swimmers and water, exploring the mecha-nism of resistance and propulsive force during the swimming process and putting forward the optimized scheme of technical action to achieve the purpose of reducing the resistance and improving the efficiency of propulsion, which is the most effective way to enhance competitive swimming performance. With the rapid development of computer science, computer numerical simulation has shown great potential in the study of the mechanism of swimming resistance and thrust. However, due to the complexity of the swimming technique and the body structure, the dynamic simulation of the swimming exercise is still a challenge in the application of computer numerical simulation. The purpose of this paper is to introduce the progress in numerical simula-tion of swimming dynamics based on computational fluid dynamics in recent decades, point out the characteristics and limitations of different research methods, and discusses the related devel-opment trends.Key words: swimming; computational fluid dynamics; numerical simulation; dynamic move-ment中图分类号：G861.1 文献标识码：A1 引言竞技游泳是以运动员游进速度快慢论胜负的一种体育竞赛项目，其技术动作包括出发、途中游、转身和终点触壁技术，以及自由泳（爬泳）、仰泳、蛙泳、蝶泳4种泳式和由这4种泳式组成的混合泳，是一项高竞争、高规格、高难度的运动项目。
游泳课题成果
增大升力推进力的方法： 增大踢水面积； 加速踢水
其他推进力理论： 1、翼叶推力 翼叶推力是水流反旋产生升力的结果。 2、甩脱推力 在游泳的某些过程，特别是蝶泳、自由泳臂部划水动作临近结束阶段， 由于动作方向的突然变化，水流的边界层（反旋）会被甩离肢体外， 被甩的水流产生反作用力，推进运动员前游。
3 3
• 人体在水中重心位置
• 水中的正确姿势
一、动物的游动方式 水生动物适应水中的环境，其运动形式以游泳为主。己进化了几亿年的水生 动物，其游泳的方式是多样化的，粗略可分为摆动法、划动法、水翼法、喷 射法等。 ⑴摆动法，是指鱼利用鳍的波浪式摆动来游泳。多数鱼类有较大的尾鳍，以尾鳍 摆动产生向前的推力。如体长约18cm的鳟鱼摆动尾鳍2次，可从静止状态达 到平均游泳速度1.33m/s 。但也有的尾鳍很小，体形细长、有易弯曲的脊推骨， 如鳗鱼在游泳时身体前部保持直而不弯，后部则左右弯曲摆动。还有很多鱼 类也靠摆动背鳍、胸鳍和腹鳍来游泳；当要提高速度时，便把胸鳍贴着身体， 用尾鳍摆动来辅助背鳍和腹鳍的运动。 ⑵划动法，是指动物利用胸鳍、腿、鞭毛或纤毛划水游泳。蛙的幼体蝌蚪是靠尾 部的摆动游泳的，长成蛙后便依靠后肢的划动游泳了。龙虱、水龟虫等鞘翅 类和划蝽、仰泳蝽、田鳌等半翅类昆虫，其身体不能弯曲，靠扁形的后腿划 游。衣滴虫用两根鞭毛划水；草履虫是长着纤毛的细胞原生动物，纤毛长约 10µm，相距约2µm，像是—艘由5000具浆划动的潜艇。在水面游泳的鼓虫， 后腿划动每秒钟达50一60次，可前进达100cm，而且能分泌降低水表面张力 的油类，故行动迅速。鸟类中有游禽，包括鸭、鹅、鸳鸯等靠腿的划动游泳， 其趾间有蹼，当腿向后伸时蹼就展开，以增加对水的推力；而收腿时，蹼又 褶缩，以减少对水的阻力。
游泳阻力总结
高校体育教育专业《游泳》课程教学工作计划
高校体育教育专业《游泳》课程教学工作计划高校体育教育专业《游泳》课程教学工作计划高校体育教育专业《游泳》课程教学工作计划为了保证《游泳》课程教学的顺利进行，提高教学质量，促进学生全面发展，依据《游泳》课程教学大纲指定本计划。
一、说明部分（一）、课程的性质游泳课作为体育专业的一门选修课，共有64学时，在第二学期进行教学。
（二）、课程的目的任务1、培养基层游泳课体育教师和基层游泳教练员，使其具备作为一名体育教师的基本技能，同时增强学生体能。
2、使学生掌握游泳基本理论知识和游泳技术，以及游泳的教学法与训练法，建立正确的体育观念，养成良好的体育行为，提高学生的游泳欣赏水平。
3、培养学生的师德行为，树立学生正确的体育道德观和爱岗敬业的精神，以及培养学生爱国主义和集体主义的思想品德，具有勇敢顽强、团结进取、开拓创新的精神风貌。
（三）、教学要求及教学重点严格依据《大纲》规定的教学内容开展教学，在教学过程中技术部分以蛙泳教学为重点；在技能部分以培养学生游泳课课堂教学组织能力为重点。
二、教学计划本文（一）、教学内容及教学时数分配（见下表）教学内容理论部分实践部分考核与机动总计（二）、教学进度计划1、理论部分教学内容及教学开展时间：理论教学包括六章，在教学的第一至第三周进行，用7学时。
第一章游泳运动简介（1学时）：1.游泳运动的起源和我国古代社会的游泳活动；2.我国游泳运动的发展；3.现代奥运会游泳发展概况；4.游泳运动的特点及锻炼价值；教学时数分配（学时）7534第二章流体力学原理在游泳中的运用（1学时）：1.有关游泳时水的物理特性及流体力学原理；2.游泳时的阻力与推进力；3.合理的游泳技术；第三章竞技游泳技术分析（1学时）：1.蛙泳技术分析；2.爬泳技术分析；3.蝶泳与仰泳技术分析；4.出发与转身技术分析；第四章游泳的教学法与练习方法（2学时）：1.游泳教学的特点和教学过程；2.游泳动作教学的方法和顺序；3.游泳教学的组织与进行；4.水中健身；第五章游泳安全卫生常识及游泳救护（1学时）：1.游泳的安全卫生常识；2.简易医药设备及使用常识；3.游泳常见的疾病及其预防和处理；4、游泳救护方法（直接救护、间接救护）第六章游泳竞赛组织与裁判法（1学时）：1.游泳场地设施；2.游泳竞赛的组织；3.游泳竞赛裁判法；2、实践部分教学内容及教学开展时间：实践教学包括熟悉水性、蛙泳技术、爬泳技术、仰泳与蝶泳技术、出发、转身技术、实用游泳技术和游泳的水上救护六个部分，在教学的第四至第十四周进行，用53学时。
游泳技术中的力学
游泳技术中的力学摘要：凡涉及水环境的运动项目，运动员都不可忽视水的一条最重要的自然属性——水是一种流体。
在物理学中，研究流体宏观运动的这部分力学称为流体力学。
它又可以流体静力学和流体动力学，游泳项目因其必要的水环境与流力学有着不可分割的关系体。
好的运动员不是改变水的流体属性，而是借助于水中的各种力来实现自己的水中活动。
关键词：流体力学游泳技术划水阻力推动力任何一种体育运动最合理最完善的程度，都必须依照一定的基础原理进行分析并加以应用，游泳作为一项大众化的体育项目也是如此。
流体力学是游泳技术力学分析的理论基础。
在游泳技术中，运动员受力情况分析是较为复杂的这也是为什么游泳中有佼佼者，也有人却不尽人意。
理论与实际存在一定的差异、复杂的受力情况、个人的因素等就把运动员的有用水平分成三六九等。
要想分析游泳技术中的力学问题，首先了解一下水的自然属性：（1）水的压力水有压力。
当人在水中是，如果水的深度超过胸部，就会明显感觉水的压力存在，因为，此时人在水中呼吸变得完全不同于平时在陆上呼吸那样轻松自如，尤其在吸气时感到费力。
这种现象就是水的压力在起作用这是水的压力带来的不利之处。
在水的压力带来呼吸调整问题的同时由于压力相关的压强为运动员提供了在水中漂浮的条件，根据压强P深度h水的密度ρ之间的关系，即P＝ρgh，上下表面的压强差形成的压力差把人在水中托起。
（2）水的流动性水具有流动性。
在物理学中，运动是相对的，以运动员为参照物，在游泳过程中，人与水之间由于划臂、蹬腿等动作产生相对运动，在水受到力的作用是会给人以反作用力，在力的作用下两者产生性对运动，流速的大小产生不同压强，由于压强差造成的压力差推动运动员运动。
（3）水的密度密度是某种物质的质量和其体积的比值。
其数学表达式为：ρ＝m／v，由于水的密度与人体相近，根据浮力公式：F=ρgv，所受浮力与重力相近。
在产生的因运动造成的力的作用下，人可以把部分需要部位露出水面，完成简单换气。
流体力学在生物学方面的应用
流体力学在生物学方面的应用
流体力学是研究流体运动和力学性质的分支学科，已经广泛应用于各个领域，特别是在生物学方面，其应用已经成为一个重要领域。
在生物学中，流体力学可以用来研究各种生物体的运动、血液和空气流动、水生生物的游泳等等。
以下是流体力学在生物学方面的具体应用：
1. 血液流动研究：流体力学在生物学领域中最重要的应用之一是研究血液流动。
血管的构造和血液的流动对于维持人体健康和治疗心血管疾病至关重要。
通过使用数值模拟技术和医学影像学，可以对血液在不同的血管中的流动模式进行定量研究，从而提高治疗心血管疾病的准确性和效率。
2. 空气流动研究：空气流动是许多动物，特别是鸟类和昆虫的飞行能力的关键。
使用流体动力学的理论和模拟技术，可以研究不同动物体表形态和翅膀形状对于空气流动的影响，从而提高飞行器的设计和效率。
3. 液体运动研究：流体力学也可以用来研究水生生物的游泳。
通过对水流的数值模拟，可以揭示水流对游泳速度、动力学和流体力学的影响。
4. 生物物质的输送研究：流体力学还可以用来研究生物体内的物质输送，比如在人体中的药物输送和细胞内物质输送。
通过研究其流动动力学，可以提高药物输送的效率，从而更好地治疗疾病。
总之，流体力学在生物学领域中的应用是多种多样的，这些应用
在更好地理解生物体的运动机理、提高药物输送效率、改善治疗心血管疾病等方面具有重要的意义。
随着技术的发展，流体力学在生物学中的应用将会更加广泛。
流体力学原理在游泳中的实践探究
流体力学原理在游泳中的实践探究作者：方志英来源：《科教导刊·电子版》2013年第18期摘要流体力学是力学的一个分支，主要负责流体本身运动状态的研究，在实际中应用十分广泛。
游泳是一项常见的体育项目，除了基本的体能训练，更应掌握一些关于泳姿的技巧，本文对鱼在水中游动的原理进行了分析，并将其运用到人体游泳中，阐述了流体阻力和柔体形状之间的关系，进而完善现代的游泳技术，以取得更好的效果。
关键词流体力学游泳柔体实践探究中图分类号：G861 文献标识码：A0 引言柔软物体的形状容易发生改变，以鱼为例，当鱼在水中来回游动时，鱼尾的摆动使其在水中获得一个很快的速度，鱼尾摆动其实就是对水流特性的一种利用，将此原理运用到人类的游泳中，对人的游泳速度研究意义重大。
柔体的形状和流体的阻力有着很大关系，如何减小阻力、提高速度是当前游泳讨论的热点，有必要加强相关研究。
1鱼与人体力学的研究1.1水流体的特性1.1.1粘滞性即是所谓的阻力，它是水分子之间相互吸引而产生的，在流体力学中称为“内聚力”，对水中的物体起牵制阻拦的作用。
一般情况下，粘滞性和温度呈负相关，温度越高，粘滞性越小。
水流体处于静止状态时，受力比较稳定，粘滞性几乎不起作用。
若受的外力比本身内聚力大，水分子间固有的结构被破坏，在相互吸引下会产生摩擦，和外力抗衡，外力越大，摩擦越是激烈，从而对水中的物体形成阻力。
1.1.2流动性若受的外力比本身内聚力大，水层压力将会发生改变，产生局部高于其他水层的压力，此时为了保持压力平衡，高压区和低压区会有压力的转换，这个过程就是水流体的流动性。
按照力学原理，施力必须有支撑点，而水流体在流动中，压强随速度在不断变化，物体在水中没有固定的支撑点，在获得反作用力时，许多冲量都被流动的水消耗掉了，难以取得陆地上的效果。
1.1.3难以压缩性许多物体之所以能够浮在水面上，是因为水流体具有难以压缩性，当大气压增强时，水压缩极小。
在受到外力的作用时，不管外力多大，水的体积是不会变的，因此，水的密度也比较稳定。
游泳阻力
游泳阻力人在水中活动时，无论是作花样游泳的动作造型或是游泳，都依赖身体的动作与水环境对动作的反作用力。
而产生反作用力的水是一无形、流动的介质媒体。
游泳者既需要利用水的浮力对活动时的身体的支撑，又需要利用水的力量推动身体前进，而水所特有的物理性质又阻碍人的前进。
左右并影响人在水中活动的力被划分为两个范畴，它们是：各种阻碍人体在水中前进的力，统称为游进阻力；另一类是为使身体前进，由人肢体动作与水相互作用所形成的力，统称为推进动力。
只要人在水中运动，无一例外地会遇到水的阻力。
阻力的方向总是完全与身体和肢体动作的方向相对，这种阻力称为流体动力学阻力。
与空气相比，水是一种密度更大的介质媒体。
所以，就人在水中活动而言，水可产生比空气大许多倍的阻力。
理解这两种力的物理性质的目的在于对游进阻力与推进动力这两大范畴，既对立又统一的力是如何影响作用于游泳技术有一理性的认识，从而科学地加以应用。
人体与水的相对运动决定了游进阻力的产生。
经多年在该领域研究的知识积累，人们归纳并抽象出三种阻力对人在水中的运动有决定性影响。
在近一个世纪的探索过程中，研究者对它们的名称也各有解释和称谓。
一、体表磨擦阻力体表磨擦阻力，或称表面阻力或磨擦阻力，是当人体在水中向前运动时，身体周边的水沿着身体表面轮廓向身体运动方向相反的方向流动时所产生的一种阻力。
所谓的体表磨擦，表现在水以平行的片流，依各片流不同速度，沿着相对运动的人体或物体的边界面向人体或物体运动方向相反的方向流动。
由于流体粘滞性的客观存在，当流体流经人体或物体时，会产生液体分子在物体表面的浸润与粘着，使靠近物体或人体表面的片流分子与物体表面上的水分子微粒相互作用而发生磨擦，片流与其波及的外层片流的磨擦层层波及构成边界层水流，流体受粘滞性所引起的切应力制动作用的总和就是流体施加在物体或人体表面上的体表磨擦力。
它的规律用下例表达式表示：体表磨擦阻力Ffr=-Cfr。
At2ρV∞2其中Cfr：体表磨擦阻力系数（与物体表面的粗糙等因素有关）At：物体浸水表面和总和ρ：流体密度V∞：相对水流速度式中的负号表示阻力的方向与人体运动速度方向相反。
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密度
水的 特性
流动 性
不可 压缩
• 手向侧后下方划水产 生前上方的推进力
• 小腿外翻后向后蹬夹 水产生向前推进力
• 水的粘滞 • 身体前方水对身体阻力
✓头肩部受到水的阻力 ✓收腿时，大腿受到水
的阻力
1978年 国际第三届游泳生物力学讨论会
升力系数 手掌后掠角度 手掌倾斜角度
主动阻力 ������������ = ������ൗ������ ������������ ∙ ������ ∙ ������ ∙ ������������
人体的骨骼器官密度比水的密度要大50％，肌组织和体液的密度 也略高于水的密度，而脂肪与充气的肺叶的密度则小于水的密度
人的胸廓与肺器官可通过气体交换有节律性地改变人的平均密度 吸气后体积变大，密度变小，约为0.96~0.99 g/������������������ 呼气时体积减小，密度加大，约为1.02~1.05 g/������������������
其中：
������������为主动阻力 ������������为流体动力力量系数，跟泳姿有关 P为水密度 S为身体在速度垂直面上投影面积 V为相对水流速度 重要因素是: 一是收腿时对水形成的截面; 二是收腿速度
注意：
一手型；二大腿收腿速度；三小腿位置
• 从������������入手
脚外翻时,尽量使脚外翻
• 受呼吸制约的漂浮者
一个人当他吸气后身体可飘浮起来，当他呼气后身体就沉下去。
• 天然的漂浮者
无论吸气、呼气、胸廓扩张与否均不影响漂浮。这一类人身体器 官组织低密度成分的百分比高于常人，典型人群为肥胖的女性。
• 天然的下沉者
身体密度高于常人，这一类人多见于代谢水平高、皮下脂肪沉着
很少、肌肉骨骼发达、又多从事重力量劳动的青年男性。典型人 群为男子中长跑或马拉松运动员。
接近 90! 从而形成最好的
对水角度使向后的截水面
积增大, 从而增大推进力
• 从V入手
加快蹬夹速度
• 定义
抵抗两层流体相对滑动或剪切变形的性质
• 成因
分子间相互吸引作用，在流体力学中称为“内聚力”
• 影响
水对人有附着力
运动慢的流层对运动快的流层施以阻滞力
水对运动中人有阻力
• 水的密度 ≈1g/������������������ • 人体密度 ≈ 0.96~1.05g/������������������
•利
人体相对自由
•弊
人在水中得不到固定支撑 大部分动作冲量都转移到水的 流动上去 人的动作冲量被流体的流动性 所吸纳、抵耗与分散 难以在水中爆发式用力
• 水在每增加一个大气压时仅缩小1／20000 • 人下水后排开水，下表面入水更深，压强更大，产
生的压力更大，上下表面的压力差构成浮力
• 水的不可压