راز فاصله ۳ تا ۸ میلی‌متری: گرداب‌های نامرئی چگونه نیروی پیشران شناگران را به اوج می‌رسانند؟

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]