راز فاصله ۳ تا ۸ میلیمتری: گردابهای نامرئی چگونه نیروی پیشران شناگران را به اوج میرسانند؟
دینامیک سیالات محاسباتی نشان میدهد که یک شکاف کوچک ۳ تا ۸ میلیمتری میان انگشتان شناگر، گردابهایی در هم تنیده ایجاد میکند؛ یک شبکه هیدرودینامیکی که نیروی پیشران را تا ۱۰ درصد افزایش میدهد.
به قلم ویدا فراهانی
این خبر را به اشتراک بگذارید
بهطور خلاصه
- یک دست کاملاً بسته و فنجانیشکل، برای ایجاد نیروی پیشران در شنا کارایی کمتری نسبت به دستی با انگشتان کمی باز دارد.
- فاصله طلایی و بهینه میان انگشتان بین ۳ تا ۸ میلیمتر است.
- این فاصله به آب اجازه میدهد تا گردابهایی در هم تنیده بسازد و یک شبکه هیدرودینامیکی برای مسدود کردن جریان سیال ایجاد کند.
در ۲۴ اکتبر ۲۰۱۹، انتشار یک بررسی جامع در زمینه مکانیک سیالات در نشریه Research Outreach، نگاه مربیان نخبه به کشش زیر آب را از اساس دگرگون کرد و یک حقیقت دور از ذهن را به صورت کمی نشان داد: دستی که آب از آن نشت میکند، بیشتر از یک دست کاملاً کیپشده آب را میکشد. وقتی فاصله بین طلای المپیک و جا ماندن از سکو با صدمثانیهها سنجیده میشود، فیزیک نامرئی آب به میدان نبرد نهایی تبدیل میگردد.[6]
دستورالعمل سنتی مربیان در کنار استخرهای سراسر جهان یک قانون مطلق بود: انگشتان را محکم به هم بچسبانید تا یک فنجان نفوذناپذیر بسازید. این منطق که از مکانیک خشکی وام گرفته شده بود، فرض را بر این میگذاشت که هرگونه شکاف میان انگشتان باعث فرار آب، هدر رفتن تلاش برای پیشروی و افت سرعت میشود.[7]
اما دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) این باور سنتی را در هم شکست. پژوهشگران با نقشهبرداری دقیق از جریان آب در اطراف دست انسان، دریافتند که یک فاصله جزئی میان انگشتان - دقیقاً بین ۳ تا ۸ میلیمتر - مقاومت پیشران بسیار بیشتری نسبت به یک دست بسته تولید میکند.[1][3]
در شنا، برخلاف دوچرخهسواری یا دو و میدانی، درگ (مقاومت) هم دشمن است و هم موتور محرک. در حالی که شناگر میخواهد درگ جلویی را به حداقل برساند تا در آب سُر بخورد، باید درگ پیشران را با دستها و ساعدهایش به حداکثر برساند تا خود را در آب لنگر کرده و بدنش را به جلو بکشد.[2]
مکانیسم نهفته در پس این برتری ۳ تا ۸ میلیمتری، بر شکلگیری گردابها استوار است. با شتاب گرفتن دست در آب طی مراحل گرفتن و کشش، سیال با سرعت از میان شکافهای کوچک بین انگشتانی که کمی باز هستند، هجوم میآورد.[4][5]
این جریان، اختلاف فشارهای موضعی ایجاد میکند. آبی که از لبههای انگشتان میچرخد، گردابهای کوچکی میسازد که گسترش یافته و در سراسر این شکافهای باریک در هم تنیده میشوند.[4]
این گردابهای در هم تنیده، عملاً یک شبکه هیدرودینامیکی خلق میکنند. خود آب به یک سد تبدیل میشود و از فرار سیال بیشتر از میان این فضاها جلوگیری میکند و در نتیجه، مساحت سطح عملکردی دست را فراتر از ابعاد فیزیکی آن افزایش میدهد.[5]
همانطور که پژوهشگران دانشگاه Vrije Universiteit Amsterdam در تحلیل سال ۲۰۱۷ خود بیان کردند، «پیشران موثر در شنا» به جای تکیه بر شهود بصری ساده، نیازمند «درک هیدرودینامیک حرکات دست و بازو» است.[2]
دادههای عددی نیز این تصویرسازی را تایید میکنند. مطالعات منتشر شده در PubMed و Taylor & Francis با استفاده از مدلهای تجربی و شبیهسازیهای CFD نشان دادند که در صورت فاصلهگذاری بهینه انگشتان، ضریب درگ دست در مقایسه با یک دست کاملاً بسته تا ۱۰ درصد افزایش مییابد.[1][3]
فاصله بهینه دقیق، بسته به اندازه دست شناگر، طول انگشتان و سرعت کشش کمی متغیر است، اما بازه توافقشده محکم بین ۳ تا ۸ میلیمتر قرار دارد. شکاف ۵ میلیمتری اغلب به عنوان یک معیار استاندارد برای حداکثر کارایی در هر چهار شنای رقابتی ذکر میشود.[1][7]
اگر انگشتان بیش از حد باز شوند - فراتر از ۱۰ میلیمتر - شبکه گردابی فرو میپاشد. شکافها برای اتصال مناطق کمفشار بیش از حد بزرگ میشوند و آب آزادانه از میان دست جریان مییابد که این امر نیروی پیشران را به شدت کاهش داده و باعث لغزش دست در آب میشود.[3][4]
فراتر از مزیت هیدرودینامیکی، باز بودن جزئی انگشتان یک فایده بیومکانیکی ثانویه نیز دارد. فشار آوردن برای ساختن یک فنجان کاملاً کیپشده، نیازمند تنش عضلانی مداوم در دست و ساعد است که خستگی را در طول یک مسابقه ۱۰۰ یا ۲۰۰ متری تسریع میکند.[2][7]
اجازه دادن به دست برای حفظ یک حالت طبیعی و راحت با یک شکاف کوچک، ضمن افزایش مساحت موثر کشش، انرژی را نیز حفظ میکند. این مزیت دوگانه، این تکنیک را به یک اصل غیرقابل مذاکره در سطح نخبگان تبدیل کرده است.[2]
در حالی که مدلسازی CFD از ابررایانههای دانشگاهی به تبلتهای کنار استخر منتقل میشود، مرز بعدی در نقشهبرداری از نحوه تعامل این گردابهای ۳ تا ۸ میلیمتری با تلاطم ناشی از چرخش بدن خود شناگر نهفته است. تیمهایی که بتوانند این دینامیک سیالات را به حافظه عضلانی تکرارپذیر تبدیل کنند، سرعت چرخه المپیک بعدی را دیکته خواهند کرد.[6][7]
اصطلاحات کلیدی
- دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)
- استفاده از ریاضیات کاربردی، فیزیک و نرمافزارهای محاسباتی برای تجسم نحوه جریان گاز یا مایع در اطراف اجسام.
- ضریب درگ (مقاومت)
- یک کمیت بدون بعد که برای تعیین میزان درگ یا مقاومت یک جسم در محیط سیال استفاده میشود.
- گرداب
- تودهای از سیال با حرکت چرخشی یا دایرهای که یک مرکز کمفشار را تشکیل میدهد، شبیه به یک گرداب.
- حرکت پارویی (Sculling)
- حرکت رفت و برگشتی و هشتمانند دستها و ساعدها که شناگران برای تولید نیروی پیشران مداوم از آن استفاده میکنند.
پرسشهای متداول
چرا انگشتان را تا حد ممکن باز نکنیم؟
اگر شکاف از ۱۰ میلیمتر بیشتر شود، گردابهای آب دیگر نمیتوانند در هم تنیده شوند. شبکه هیدرودینامیکی فرو میپاشد، آب از میان انگشتان فرار میکند و نیروی پیشران کاهش مییابد.
آیا این قانون ۳ تا ۸ میلیمتری برای هر چهار شنا اعمال میشود؟
بله. چه در شنای آزاد، پروانه، قورباغه یا کرال پشت، فیزیک کشش زیر آب یکسان است و باز بودن جزئی انگشتان، درگ را در تمام حرکات پارویی به حداکثر میرساند.
شناگران چگونه این فاصله خاص را تمرین میکنند؟
مربیان اغلب به شناگران یادآوری میکنند که دستهای خود را به جای فنجانی کردن سفت و سخت، «راحت» نگه دارند. برخی از کفیهای تمرینی نیز با شیارهای کوچک انگشت طراحی شدهاند تا این فاصله بهینه را در طول تمرین اعمال کنند.
بررسی عمیق دیدگاهها
پژوهشگران بیومکانیک
تمرکز بر استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی برای تعیین کمیت دقیق ضرایب درگ و زوایای بهینه حرکت انسان.
برای متخصصان بیومکانیک، بدن انسان مجموعهای از اهرمها و سطوح است که با یک محیط متراکم در تعامل است. با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) - همان فناوری که برای طراحی ماشینهای فرمول یک و بالهای هواپیما استفاده میشود - پژوهشگران میتوانند ضریب درگ دقیق دست را در سرعتها و زوایای مختلف مجزا کنند. دادههای آنها ثابت میکند که فاصله ۳ تا ۸ میلیمتری یک ترجیح سلیقهای نیست، بلکه یک نقطه بهینه ریاضی است که عدد رینولدز و نیروی پیشران را در مرحله گرفتن آب به حداکثر میرساند.
متخصصان دینامیک سیالات
تحلیل رفتار خود آب، به ویژه نحوه تعامل مناطق کمفشار و گردابها برای تشکیل سدهای هیدرودینامیکی.
متخصصان دینامیک سیالات از شناگر عبور کرده و خود آب را مطالعه میکنند. آنها بر لایههای مرزی و تولید گردابها از لبههای انتهایی انگشتان تمرکز دارند. از این منظر، دست صرفاً ابزاری برای دستکاری سیال است. شکاف ۳ تا ۸ میلیمتری از این جهت اهمیت دارد که نشاندهنده فاصله دقیقی است که در آن مراکز کمفشار گردابهای مجاور میتوانند همپوشانی کرده و در هم تنیده شوند و یک دیوار موضعی از آب بسازند که به عنوان یک سطح جامد در برابر جهت کشش عمل میکند.
مربیان نخبه شنا
تمرکز بر ترجمه فیزیک پیچیده به نشانههای قابل آموزش، با اولویت دادن به حالت راحت دست که ضمن به حداکثر رساندن کشش، انرژی را نیز حفظ میکند.
در کنار استخر، مربیان باید دادههای CFD را به احساسات فیزیکی تبدیل کنند که ورزشکاران بتوانند در زمان خستگی آنها را اجرا کنند. مربیان نخبه به جای اینکه به شناگر دستور دهند دقیقاً ۵ میلیمتر فاصله را حفظ کند، به او یادآوری میکنند که «دستش را راحت بگذارد» یا به ورزشکاران میگویند «آب را بین انگشتان خود احساس کنند». این رویکرد نه تنها به مزیت هیدرودینامیکی شبکه گردابی دست مییابد، بلکه از گرفتگی ساعد و خستگی ناشی از نگه داشتن یک فنجان سفت و محکم برای هزاران بار حرکت دست در هفته جلوگیری میکند.
- پژوهشگران بیومکانیک
- تمرکز بر استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی برای تعیین کمیت دقیق ضرایب درگ و زوایای بهینه حرکت انسان.
- متخصصان دینامیک سیالات
- تحلیل رفتار خود آب، به ویژه نحوه تعامل مناطق کمفشار و گردابها برای تشکیل سدهای هیدرودینامیکی.
- مربیان نخبه شنا
- تمرکز بر ترجمه فیزیک پیچیده به نشانههای قابل آموزش، با اولویت دادن به حالت راحت دست که ضمن به حداکثر رساندن کشش، انرژی را نیز حفظ میکند.
دیدگاههایی که این گزارش پوشش نداده
- مربیان شنای ردههای سنی
- مربیان سهگانه
منابع
[1]PubMedپژوهشگران بیومکانیکThe optimum finger spacing in human swimming
مطالعه در PubMed →
[2]Vrije Universiteit Amsterdamمربیان نخبه شناEffective Propulsion in Swimming: Grasping the Hydrodynamics of Hand and Arm Movements
مطالعه در Vrije Universiteit Amsterdam →
[3]Taylor & Francisپژوهشگران بیومکانیکNumerical and experimental investigations of human swimming motions
مطالعه در Taylor & Francis →
[4]ResearchGateپژوهشگران بیومکانیکANALYSIS OF SWIMMING TECHNIQUES USING VORTEX TRACES
مطالعه در ResearchGate →
[5]J-Stageمتخصصان دینامیک سیالاتA-41 Visualization of flow fields around swimmer's hand during sculling motion
مطالعه در J-Stage →
[6]Research Outreachمتخصصان دینامیک سیالاتThe use of fluid mechanics to explore human swimming technique
مطالعه در Research Outreach →
[7]تیم سردبیری کوهستانمربیان نخبه شناتحلیل تیم سردبیری کوهستان
مطالعه در تیم سردبیری کوهستان →
بیشتر در ورزش
مشاهده همه →تعلیق تیم شنای مردان دانشگاه لیهای آمریکا در پی اتهامات آزار و اذیت
1 منبع
ردهبندی
ردهبندی جهانی شنای آزاد سرعت مردان: پیشتازی پان ژانله در عصر تاریخی زیر ۴۷ ثانیه در آستانه جام جهانی
3 منبع
پیشبازی
باکو آماده میزبانی تاریخی جام جهانی شنای «جاده ابریشم»؛ رقابت نفسگیر برای جایزه ۱.۲ میلیون دلاری
7 منبع
رفاه ورزشکاران
رانومی کروموویدیویو به عنوان نخستین مدیر ارتباط با ورزشکاران فدراسیون جهانی ورزشهای آبی منصوب شد
4 منبع
نظرات
هر زاویه. هر روز.
اخبار ورزش با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاهها، هر روز و رایگان.





