slideshow 1 slideshow 2 slideshow 3 slideshow 4 slideshow 5 slideshow 6 slideshow 7 slideshow 8 slideshow 9 slideshow 10

Да плуваш в слуз: влиянието на вискозитета върху плувната скорост

Да плуваш в слуз: влиянието на вискозитета върху плувната скорост

Въведение

Едно необичайно изследване позволи на професор Ed Cussler и неговия екип да определят, че съпротивлението в резултат от формата на тялото на плувеца (form drag) се увеличава и става на степен втора (математически) при увеличение на плувната скорост, както бе предрекъл Counsilman. Това е характерно за условията с турбулентен поток. Formdragили фронталната площ на тялото е решаващия фактор за плувната скорост постигната в резултат на дадена задвижваща сила. От гледна точка на механиката на флуидите, хората не могат да бъдат сравнявани с рибите или бактериите, които плуват във водата.

Източник: Gettelfinger, B. and Cussler, E.L.: Will Humans Swim Faster or Slower in Syrup? AIChE J., 50(11), 2646-7 (2004)

Да скочиш в слузта

Професор Ed Cussler и отбор от храбри плувци се гмурнаха в един необичаен експеримент в името на науката.

Жилавият плувец застана на ръба на басейна, погледна малко неспокойно дълбините и след това бързо се гмурна в зеленикавата, лигава течност. Няколко желатинови капсули плавно изплуваха на повърхността.

Какво се случи с обикновено лазурната и наситена с хлор вода на Университетския воден център? Плувецът и басейнът в действителност бяха част от истински, но необичаен експеримент в областта на механиката на флуидите.

За няколко часа през лятото на 2004 година, Университетският басейн беше превърнат в нещо, което повече приличаше на истинско блато, вместо на плувна арена. Членове на Университетския отбор по плуване станаха изследователи в опита да се отговори на един въпрос, който интересуваше учените – и плувците – от векове: Какво е влиянието на вискозитета на даден флуид върху скоростта и придвижващото се в него тяло?

Представете си усещането да плуваш в сироп или гел. По-бързо или по-бавно ще се движите отколкото в нормална вода? Повечето хора интуитивно допускат, че лепкавата течност би те забавила. Но какво ще кажете за възможността – по-големият вискозитет да може да ви осигури по-висока скорост по същия начин както неподвижната въжена стълба позволява на изкачващия се да се качи по-бързо, отколкото по подвижна такава?

За някои хора, мисълта да се гмурнат в нещо различно от чиста вода е кошмар, директорът на водния център DuaneProellказва, че всеки отдаден плувец е размишлявал върху отговорите на тези въпроси.

Професор Ed Cussler и BrianGettelfingerса първите, които изследват тази тема научно.

Експериментът

Миналото лято, Cussler, Proell и представители на различни групи от NCAA до ръководството на университетските сгради – да не споменаваме групата от храбри плувци – съдействаха за разкриването на отговора на един наистина слузест проблем.

Cussler е първият, който размишляваше за влиянието на съпротивителните сили върху тялото на плувец още преди повече от 30 години, когато преподаваше в CarnegieMellonUniversityв Pittsburgh. „Една доста набита уругвайска студентка ме предизвика на състезание по плуване”, обяснява той. За негова изненада, тя го е победила.

Неочакваното поражение породи интереса му към физиката на плуването. След това, той прочете една интересна книга от покойния JimCounsilman, легендарен Олимпийски треньор, който превърнал Университета на Индияна в значим плувен център.

В „Новата теория за плуването” Counsilmanговори за „теоретичния квадратичен закон”, според който „съпротивлението върху движението на плувеца се изменя квадрата на неговата скорост”, обяснява Cussler. „С други думи, за да се движи два пъти по-бързо, плувецът трябва да загребва осем пъти по-силно. Това направо ме втрещи когато прочетох книга му.” (допълнителна информация за връзката между сила-скорост)

Първоначално предложена през 17 век от датския учен ChristianHuygens, идеята че съпротивлението зависи от квадрата на скоростта на движещо се тяло има важно второ заключение. Тя показва, че когато трябва да се определи скоростта, вискозитетът (или плътността) на средата е по-маловажна спрямо други фактори като формата на тялото движещо се в нея.

Накрая, чистото научно любопитство вдъхновява Cussler да предложи експеримент, който включва различен неизползван плувен басейн в края на август.

Gettelfingerе страстен сътрудник. Освен, че е се занимава с инженерна химия, той е и университетски плувец. „Всеки, който е плувал дълго се е чудил какво ще е усещането да плуваш в нещо различно от вода”, казва той. „Два пъти съм размишлявал върху този въпрос, но смятах, че подобен тест не може да се направи.”

Gettelfingerубеди няколко от своите приятели-плувци да отделят един летен ден на преследването на научната истина. „Повечето от другите плувци изучават английски”, докладва той. „Те просто смятаха, че ще е забавно.”

Преди да се гмурнат в своята работа, така да се каже, няколко нива от университетската администрация трябва да одобрят проекта. „Всичко, което бяхме направили, изискваше съдействието на много хора,” заявява Cussler. „Управата на водния център, хората от „опасни материали”, управата на сградния фонд – всички трябва да дадат своето съгласие.” Дори и NCAA се включи, защото плувците се нуждаеха от разрешително за това плуване.

Proellпризнава, че е бил леко изненадан, когато чул за първи път предложението на Cussler да изсипе над 300 килограма guar gum, сгъстяваща съставка, в един от Университетските басейни (за да сме по-точни guarне образува сироп или слуз във водата, а гел). За щастие, той разпознал образователната същина на предложението. „Cussler е убедителен, но и на нас не ни трябваше много убеждаване. Всички се съгласихме, че имаме възможността да станем част от образователната мисия на Университета. Експериментът включваше придвижване във вода. А във водния център, ние с това се занимаваме. Заинтригува ни.”

След осигуряването на необходимите разрешителни, изследователите се борят с проблема на превръщането на един плувен басейн в гигантска купа с гел. Guargum, който обикновено се намира в продукти като сладолед или шампоан, в естествено състояние е песъчлив бял прах; обаче когато се добавя към течност, той става на бучки вместо да се смеси бързо.

„Стояхме и гледахме кошчето за боклук. Първата ни идея беше да го смесим на порции и да ги изсипем в басейна. Тогава някой каза, че можем да го смесваме продължително с вода и да изпомпваме сместа в басейна.”

Използван е голям зелен контейнер за боклук и бормашина с размесваща глава. Устройството им позволи да изпомпват готовия разтвор директно в басейна, което отне около четири часа от съботния следобед.

В понеделник, плувците се събраха на басейна, който бе затворен за външни посещения заради експеримента. Оставаше само една предварителна стъпка: някой трябваше да изпробва водата.

Като командващ офицер, който не очаква войските му да отидат там, където той не би отишъл, Cussler скочи първи в басейна. Макар че зеленикавите пръски вода, внушаваха идеята за изобилие от мръсотия, Cussler се появи без признаци на заболявания. Експериментът можеше да започне.

По време на първата фаза, членовете на плувния отбор и доброволци плуваха дължини в басейна с гел, които се засичаха с хронометър. Те използваха различни стилове и дори плавници и тренировъчни костюми за съпротивление. След душ и почивка, те повториха процеса в близкия „контролен” басейн пълен в обикновена хлорирана вода.

Доброволецът Eric Nuxoll, Доктор по химическо инженерство, определи усещането като „плуване в плодов сок” и пресметна, че басейнът с гел е около два пъти и половина по гъст от нормалната вода. Изчисленията на Cussler по-късно определиха, че гелът е около 2 пъти по-плътен на водата.

„Това беше най-ексцентричният експеримент, който някога съм правил,” заявява участникът DeRocher. „Научих, че професор Cussler има много оригинални идеи. Някои работят, други не.”

Резултатите

„Плуването в гел не променя плувната скорост,” заявява Cussler. Резултатите са показание на фигура 2.

Тази фигура представя скоростта на плувците във вода върху абсцисата, където плувците за здраве са по-бавни от състезателите по плуване. Тя също представя скоростта в гела разделена на скоростта във водата по ординатата. Стандартното отклонение между дължините при плувците за здраве е 3,2%, докато при състезателите е 2,4%; същото отклонение е записано от треньорите при нормални тренировки. По-малкото отклонение при състезателите вероятно е отражение на по-добрата им техника и физическо състояние.

Обяснение и значение на плувната техника

Причината за този изненадващ резултат, обяснява Cussler е, че докато изпитвате по-голямо съпротивление породено от плътността (основно триенето при движението ви във флуида) когато водата става по-гъста, вие създавате по-голяма движеща сила с всяко загребване. Двата ефекта се неутрализират. Малките разлики между гела и водата се основават на разликите в съпротивлението породено от формата (form drag).

Резултатите на Фигура 1 са съвместими с очакването, че form drag е ключът към плувната скорост. Това е различно от плуването на микроорганизмите, които са толкова малки, че потокът е ламинарен (слоест). Различно е и от плуването на рибите, което се обяснява с допускането, че рибите са двуизмерни (2D) водовъртежни генератори без фронтална област. Потокът при човешкото плуване е турбулентен.

По този начин, при хората, скоростта не зависи от това, в което плуваш, а от формата на тялото ти. Щом се отстранят влиянията на тласъка и триенето, преобладаващите сили, които остават, са “formdrag” (определения). Това се дължи на фронталната област на тялото.

Така че идеалният плувец, независимо във вода или в гел, има силни мускули, но тесен фронтален профил. „Най-добрият плувец трябва да има тялото на змия и ръцете на горила,” препоръчва Cussler.

Доказателството, че турбулентния поток е ключът, повдига два други въпроса, които си заслужават обсъждане. Първо, каква промяна във вискозитета е необходима за да има ефект? И второ, резултатите да ли са в съгласие с убежденията на треньорите по плуване.?

Отговорът на първия въпрос е, че механиката на флуидите предвижда, че за да има ефект, вискозитетът трябва да се увеличи поне 1000 пъти.

Второ, тези резултати са съвместими с поне едно емпирично наблюдение от страна на треньорите по плуване. Това наблюдение, предложено от J. E. Counsilman(1968), е „теоретичният квадратен закон”, според който „съпротивлението при движението на плувеца се изменя с квадрата на неговата скорост.” Тази зависимост на съпротивлението от скоростта на втора степен, а не от скоростта на първа степен, е характерна за силно турбулентен поток. Експериментът на Cussler подкрепя аксиомата на Counsilman. Треньорите добре са преценили механиката на флуидите.

Автор: Felix Gmunder
Източник: SVL

БФПС

Българска федерация по плувни спортове

БЧК

Български червен кръст

Реклама

Вашата реклама

Theme by Danetsoft and Danang Probo Sayekti inspired by Maksimer