گیرش هیدرودینامیک: چگونه نیروی برا و ایجاد گردابه، شناگران نخبه آزاد را به جلو می‌راند

آب در سطح دریا تقریباً ۸۰۰ برابر چگال‌تر از هواست؛ به طور دقیق‌تر، ۹۹۸ کیلوگرم بر متر مکعب در مقایسه با تنها ۱٫۲ کیلوگرم. وقتی بدن انسان تلاش می‌کند به سرعت در این محیط حرکت کند، مقاومتی که با آن روبرو می‌شود صرفاً به صورت خطی با سرعت افزایش نمی‌یابد، بلکه به صورت تصاعدی بالا می‌رود. این واقعیت فیزیکی، تک‌تک حرکات را در شنای رقابتی دیکته می‌کند، جایی که مانع اصلی جاذبه نیست، بلکه چگالی محض محیط است. برای حرکت رو به جلو با سرعت مسابقه، یک ورزشکار باید دینامیک سیالات را به گونه‌ای دستکاری کند که کاملاً برخلاف شهود حرکتی انسان در خشکی باشد و این محیط متخاصم را به منبعی برای نیروی پیشران تبدیل کند.[1][3]

رایج‌ترین غریزه برای یک فرد مبتدی در استخر این است که با دست و ساعد خود مانند یک پاروی سفت و سخت رفتار کند. در این مدل پیشرانش مبتنی بر مقاومت (درگ)، شناگر سعی می‌کند حجمی از آب را بگیرد و مستقیماً به عقب هل دهد و برای حرکت دادن بدن به جلو، به قانون سوم نیوتن تکیه می‌کند. اگرچه این حرکت پارو زدن مقداری نیروی پیشران تولید می‌کند، اما در سرعت‌های بالاتر به شدت ناکارآمد است. هل دادن مستقیم آب به عقب باعث می‌شود بازو در سیال بلغزد و مقادیر عظیمی از انرژی متابولیک به جای حرکت دادن شناگر، صرف جابجایی خود آب شود.[4]

شناگران نخبه آزاد مفهوم پارو را به طور کامل کنار می‌گذارند و به جای آن از هیدروفویل (باله آبی) استفاده می‌کنند. آن‌ها به جای اینکه صرفاً آب را به عقب برانند، دست‌ها و ساعدهای خود را در زوایای حمله دقیقی تنظیم کرده و آن‌ها را در مسیرهای منحنی و سه‌بعدی در آب حرکت می‌دهند. این حرکت پارویی شکل، نیروی برا (لیفت) تولید می‌کند؛ دقیقاً همان نیروی آیرودینامیکی که بال هواپیما را هنگام برخاستن بالا می‌برد. با حرکت دادن دست عمود بر جهت حرکت، شناگر یک منطقه کم‌فشار در پشت دست و یک منطقه پرفشار در کف دست ایجاد می‌کند که عملاً بازو را به سمت جلو می‌مکد.[4]

بر اساس تحلیل آموزشی وب‌سایت SwimSwam: «اختلاف فشار بین سمت کف دست و پشت دست یا ساعد، میزان نیروی پیشران را تعیین می‌کند.» از آنجا که دست نسبت به ساعد شکل آیرودینامیک کمتری دارد، در لبه عقبی خود یک جریان چرخشی ایجاد می‌کند. شناگر عملاً دست خود را در این شیب فشار لنگر می‌کند و به جای کشیدن دست در یک خط راست در استخر، تمام بدن خود را از آن عبور می‌دهد. این لنگر همان چیزی است که به بهترین‌های جهان اجازه می‌دهد تا بدون هدر دادن انرژی، مسافت زیادی را با هر حرکت دست طی کنند.[4]

این اثر لنگر انداختن توسط تولید مداوم گردابه‌ها هدایت می‌شود. هنگامی که یک شناگر مرحله «گیرش» را آغاز می‌کند - لحظه حساسی که دست در جلوی حرکت، آب را می‌گیرد - یک گردابه متصل ایجاد می‌کند؛ یک حلقه چرخان از سیال که توده متمرکزی از آب را به دام می‌اندازد. همانطور که بازو در طول چرخه حرکت کشیده می‌شود، این گردابه به سمت عقب و در مسیر جریان آب رها می‌شود. تکانه منتقل شده به آن توده چرخان آب، نیروی واکنشی را فراهم می‌کند که شناگر را با حداقل لغزش به جلو می‌راند.[2][4]

دقیقاً همین مکانیک گردابه بر سریع‌ترین بخش هر مسابقه مدرن حاکم است: مرحله شنای موجی زیر آب که معمولاً به عنوان پای دلفین شناخته می‌شود. یک مطالعه دینامیک سیالات محاسباتی در سال ۲۰۲۲ که در مجله Journal of Human Kinetics منتشر شد، این ساختارهای نامرئی را در اطراف ورزشکاران نخبه به صورت سه‌بعدی نقشه‌برداری کرد. محققان، تاکاهیرو تاناکا و ساتورو هاشیزومه، دریافتند که اندازه و قدرت چرخشی این حلقه‌های سیال، بسیار بیشتر از سرعت هل دادن آب توسط پاها، تعیین‌کننده سرعت شناگر است.[2]

محققان نتیجه گرفتند: «این نتایج نشان می‌دهد که تولید یک گردابه بزرگ و قوی در اطراف تنه و پشت شناگر با عملکرد عالی در شنای موجی زیر آب مرتبط است.» در طول مرحله رو به پایین ضربه پا، یک گردابه عظیم در امتداد سینه و شکم شناگر شکل می‌گیرد. هنگامی که پاها به سرعت به سمت بالا حرکت می‌کنند، این گردابه به پایین بدن منتقل شده و از پاها رها می‌شود و انرژی جنبشی عظیمی را به استخر منتقل کرده و شناگر را با سرعتی بیش از ۲٫۰ متر بر ثانیه از دیواره جدا می‌کند.[2]

تولید این گردابه‌ها در حالی که با چگالی آب مبارزه می‌شود، هزینه متابولیک عظیمی برای ورزشکار به همراه دارد. هنگامی که یک شناگر در یک موقعیت کاملاً هیدرودینامیک از دیواره سر می‌خورد، مقاومت غیرفعال (پسیو درگ) را تجربه می‌کند. اما به محض اینکه شروع به دست و پا زدن می‌کند، اندام‌های در حال حرکت او جریان آب را مختل کرده و چیزی را ایجاد می‌کنند که به عنوان مقاومت فعال (اکتیو درگ) شناخته می‌شود. این مقاومت فعال به طور قابل توجهی بیشتر از مقاومت غیرفعال است، به این معنی که عمل پیشرانش به خودی خود با افزایش اصطکاک و مقاومت فرم، شناگر را جریمه می‌کند.[1][3]

برای تعیین کمیت این جریمه، محققان به روش اختلال سرعت تکیه می‌کنند که شامل کشیدن یک شناگر با حداکثر سرعت استارت و اندازه‌گیری نیروی کمکی مورد نیاز است. یک مطالعه بنیادی در سال ۱۹۸۸ در مجله Sports Sciences از رویکرد متفاوتی استفاده کرد - سیستم اندازه‌گیری مقاومت فعال - که در آن شناگران خود را در امتداد یک لوله ۲۳ متری غوطه‌ور مجهز به مبدل‌های نیرو می‌کشیدند. هر دو روش نشان دادند که مقاومت فعال در سرعت‌های مسابقات نخبگان می‌تواند تا دو برابر مقاومت غیرفعال باشد، که اساساً دیدگاه مربیان را نسبت به بهره‌وری تغییر می‌دهد.[1][3]

یک تحلیل جامع در سال ۲۰۲۱ در مجله Applied Sciences توسط سرگئی کلموگوروف، آندری ورونتسوف و ژوآئو پائولو ویلاس-بواس، محدودیت‌های دقیق متابولیک و مکانیکی ورزشکاران نخبه را در شناهای مختلف اندازه‌گیری کرد. این تیم با آزمایش هشت شناگر کلاس جهانی در طول آماده‌سازی آن‌ها برای مسابقات جهانی ۲۰۱۷، خروجی‌های انرژی خیره‌کننده‌ای را ثبت کرد. سوژه‌های مرد نخبه تا ۳۵۶۰ وات توان متابولیک کل را در طول ۱۰۰ متر کرال سینه تولید کردند، در حالی که سوژه‌های زن برای حفظ سرعت خود به اوج ۲۵۷۵ وات خروجی رسیدند.[1]

با وجود این موتورهای بیولوژیکی عظیم، بدن انسان همچنان یک شناور آبی به شدت ناکارآمد است. محققان دریافتند که بازده مکانیکی این ورزشکاران نخبه - یعنی درصدی از انرژی متابولیک که در واقع به کار مکانیکی تبدیل می‌شود - تنها بین ۴٫۹ تا ۶٫۸ درصد در نوسان است. اکثریت قریب به اتفاق هزاران کالری سوزانده شده در استخر به عنوان گرمای داخلی از دست می‌رود یا صرف جابجایی آب در جهت‌های غیر پیشران می‌شود، که دشواری شدید حرکت در آب را در مقایسه با دویدن یا دوچرخه‌سواری در خشکی برجسته می‌کند.[1]

جالب اینجاست که توانایی تبدیل آن کسر کوچک از کار مکانیکی به حرکت رو به جلو - که به عنوان بازده پیشرانشی شناخته می‌شود - در بین هر دو جنس تقریباً یکسان بود و برای مردان و زنان در حدود ۷۰ درصد قرار داشت. محققان به این نتیجه رسیدند که مانع اصلی برای ثبت زمان‌های سریع‌تر، فقدان مهارت پیشرانش یا ناتوانی در تولید نیروی برا نیست، بلکه دیواره عظیمی از آب است که ورزشکاران هنگام شتاب گرفتن در مسیر باید با بدن خود آن را کنار بزنند.[1]

مطالعه سال ۲۰۲۱ خاطرنشان کرد: «نتایج نشان داد که مؤلفه پیشانی نیروی مقاومت فعال، دلیل اصلی تفاوت‌های موجود در حداکثر سرعت شنا بین تکنیک‌های مختلف است.» از آنجا که کرال سینه بدن را صاف‌تر و باریک‌تر از حرکت موجی پروانه یا حرکت جارویی قورباغه نگه می‌دارد، این مساحت سطح پیشانی را به حداقل می‌رساند و بالاترین سرعت‌های ممکن را فراهم می‌کند. هرگونه انحراف از آن پروفایل باریک، بلافاصله باعث افزایش تصاعدی جریمه مقاومت می‌شود و مانند یک چتر نجات باز شده در زیر آب عمل می‌کند.[1]

لباس‌های شنای رقابتی مدرن تلاش می‌کنند تا بخشی از این مقاومت را کاهش دهند. لباس‌های تکنیکال که با پارچه‌های آب‌گریز و درزهای متصل شده با حرارت ساخته شده‌اند، عضلات شناگر را در یک استوانه محکم‌تر فشرده می‌کنند. این کار مساحت سطح خیس شده را کاهش می‌دهد و لایه مرزی آب جاری روی پوست را صاف می‌کند و در نتیجه مقاومت اصطکاکی را کاهش می‌دهد. با این حال، اصطکاک تنها بخش کوچکی از مقاومت کل در سرعت‌های استارت است؛ مقاومت فرم - اختلاف فشار بین جلو و عقب شناگر - همچنان نیروی غالبی است که نتیجه مسابقه را دیکته می‌کند.[5]

برای به حداقل رساندن این مقاومت فرم، شناگران نخبه هسته مرکزی بدن خود را سفت و خط بدن را افقی نگه می‌دارند و اطمینان حاصل می‌کنند که باسن و پاهایشان پایین‌تر از جریان ایجاد شده توسط شانه‌هایشان قرار نگیرد. هر یک درجه افتادگی به سمت پایین، مساحت سطح پیشانی را افزایش می‌دهد و جریمه مقاومت فعال را به صورت تصاعدی بالا می‌برد و ورزشکار را مجبور می‌کند تا بخش بیشتری از توان متابولیک محدود خود را صرفاً برای حفظ سرعت فعلی بسوزاند. آب، وضعیت بدنی نامناسب را فوراً و به شدت جریمه می‌کند و فارغ از اینکه ورزشکار چقدر محکم آب را می‌کشد، سرعت او را کاهش می‌دهد.[1][5]

تفاوت بین مدال طلا و نقره اغلب به این برمی‌گردد که چه کسی می‌تواند با شروع خستگی سیستمیک، شکل هیدرودینامیک خود را برای مدت طولانی‌تری حفظ کند. هنگامی که سیستم عصبی مرکزی در ۱۵ متر پایانی خسته می‌شود، آرنج‌ها در طول مرحله گیرش می‌افتند و هیدروفویل را دوباره به یک پاروی ناکارآمد تبدیل می‌کنند. باسن پایین می‌رود و پروفایل مقاومت پیشانی را افزایش می‌دهد. گردابه‌های متصل، چرخش محکم خود را از دست می‌دهند و انرژی جنبشی را به جای اینکه شناگر را به سمت دیواره برانند، در استخر هدر می‌دهند که منجر به کاهش سرعت فاجعه‌باری می‌شود که برای هر مسابقه‌دهنده‌ای آشناست.[2][4]

تسلط بر آب مستلزم پذیرش این واقعیت است که نمی‌توان صرفاً با زور بر آن غلبه کرد. ورزشکارانی که رکوردهای جهانی را می‌شکنند، لزوماً کسانی نیستند که قادر به تولید بالاترین وات مطلق باشند، بلکه کسانی هستند که شیب‌های فشار اطراف اندام خود را به بهترین شکل دستکاری می‌کنند. آن‌ها با اولویت دادن به نیروی برا نسبت به مقاومت، تولید گردابه‌های بی‌نقص و حفظ تعهد بی‌رحمانه به یک پروفایل هیدرودینامیک، چگالی خردکننده استخر را از یک مانع غیرقابل عبور به سکوی پرتابی برای سرعتی بی‌سابقه تبدیل می‌کنند و ثابت می‌کنند که تکنیک همیشه بر نیروی خالص در عرصه آبی پیروز خواهد شد.[1][6]