Antriebskonzepte im Schwimmen - Universität Konstanz
Antriebskonzepte im Schwimmen - Universität Konstanz
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UNIVERSITÄT KONSTANZ<br />
SPORTWISSENSCHAFT<br />
GK Schw<strong>im</strong>men II Sommer 03<br />
Dr. Wolfgang Fritsch<br />
<strong>Antriebskonzepte</strong> <strong>im</strong> Schw<strong>im</strong>men
UNIVERSITÄT KONSTANZ<br />
SPORTWISSENSCHAFT<br />
GK Schw<strong>im</strong>men II Sommer 03<br />
Dr. Wolfgang Fritsch<br />
Themen<br />
1. Rückblende<br />
2. Hydrodynamischer Auftrieb<br />
3. Körperform und Strömungskräfte<br />
4. Selbsterzeugter Antrieb <strong>im</strong> Wasser<br />
5. Schnellschw<strong>im</strong>men<br />
Literatur: Ungerechts, B./Volck, G./Freitag, W. (2002). Lehrplan Schw<strong>im</strong>msport, Bd. 1:<br />
Technik. Schorndorf, Verlag Hofmann, 13-34.
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Dr. Wolfgang Fritsch<br />
Rückblende – Statischer Auftrieb<br />
Taucht ein Körper in Wasser ein, verdrängt er eine Wassermasse.<br />
Dabei wirkt auf ihn eine Kraft, der „statische Auftrieb“:<br />
• Seine Größe entspricht der Gewichtskraft der vom Körper verdrängten Flüssigkeit<br />
• Seine Richtung ist der Gewichtskraft entgegengesetzt
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Statischer Auftrieb und Körperlage<br />
Angriffspunkte für einen schwebenden<br />
Körper (Z = KMP, D = VMP)<br />
D = Volumenmittelpunkt (VMP)<br />
Z = Körpermassenmittelpunkt (KMP)
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Statischer Auftrieb und Körperlage<br />
D = Volumenmittelpunkt (VMP)<br />
Z = Körpermassenmittelpunkt (KMP)
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Gesamtwiderstand<br />
Dynamischer Auftrieb<br />
Der Gesamtwiderstand ist eine Kraft, die durch Zähigkeit und Verhalten<br />
der Wasserpartikel vor, entlang und hinter dem Körper best<strong>im</strong>mt wird. w<br />
Die Bremswirkung des Wassers ist um so stärker, je größer die relative<br />
Geschwindigkeit zwischen Körper und Wasser ausfällt<br />
Widerstandsbeiwert (cw-Wert)) gilt für Körper bei fixierter Körperhaltung,<br />
deren Widerstand bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit gemessen<br />
wird.
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Gesamtwiderstand<br />
Wird ein Körper mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, setzt sich der<br />
Gesamtwiderstand aus<br />
• Reibungswiderstand<br />
• Form- oder Druckwiderstand<br />
• Wellenwiderstand<br />
Wird dabei gleichzeitig ein hydrodynamischer Auftrieb erzeugt,<br />
kommt durch die Kantenumströmung der induzierter Widerstand dazu.<br />
Wird der Körper mit sich ändernder Geschwindigkeit bewegt, tritt der<br />
Massenwiderstand zusätzlich auf. Er ist von den Wassermassen, die vom<br />
Körper und <strong>im</strong> Nachlauf mitgeschleppt werden, abhängig.
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Reibungswiderstand<br />
Entsteht dadurch, weil Wasserpartikel in Körperoberflächennähe für f<br />
eine<br />
best<strong>im</strong>mte Strecke (in Bewegungsrichtung des Körpers) mitgerissen<br />
Werden Haftreibung, die durch Oberflächenstruktur mitbest<strong>im</strong>mt wird.<br />
Grenzschichtströmung<br />
laminar<br />
turbulent
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Formwiderstand<br />
Wasserpartikel werden gegen die Bewegungsrichtung des Körpers bewegt.<br />
Sie werden auf Körperform entsprechende Bewegungsbahnen verdrängt, die<br />
<strong>im</strong> Nachlauf wieder zusammenfließen. Das Verdrängen der Wasserpartikel<br />
wirkt bremsend.<br />
Zwei Faktoren best<strong>im</strong>men Formwiderstand<br />
Körperform<br />
Mächtigkeit des Nachlaufs
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Wellenwiderstand<br />
Das Schw<strong>im</strong>men an der Wasserlinie verursacht einen Wellenwiderstand. nd. Auch<br />
Be<strong>im</strong> Gleiten direkt unterhalb der Wasserlinie wird verdrängtes Wasser W<br />
gegen<br />
die Schwerkraft angehoben zusätzlicher Kraftaufwand<br />
Be<strong>im</strong> Gleiten in größerer Wassertiefe<br />
erreichen Körper höhere Geschwindig-<br />
keiten als an der Oberfläche<br />
Tauchtiefe von 0,8 – 0,9 m oder<br />
> 3x Körperdurchmesser
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Widerstandsfaktor<br />
In der Schw<strong>im</strong>mpraxis sind die Strömungsbedingungen nie konstant<br />
Berücksichtigung des Verhaltens der mitgeschleppten Wassermassen (die<br />
in Relation zur Körperbewegung nachschwappen)<br />
Die Masse des Schw<strong>im</strong>mers wird scheinbar erhöht ht und dadurch ist mehr<br />
Kraft zur Fortbewegung erforderlich<br />
Widerstandsfaktor A<br />
Bei nichtkonstanter Strömungsgeschwindigkeit gibt der Widerstandsfaktor sfaktor A an,<br />
wie viel Wassermassen vom Schw<strong>im</strong>mer pro Meter mitgeschleppt werden. en. Die<br />
Maßeinheit lautet [A] = kg/m.
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Hydrodynamischer Auftrieb<br />
Der hydrodynamische Auftrieb L ist die Komponente der Strömungskräfte, die<br />
senkrecht zur Anströmrichtung (und somit senkrecht zum Widerstand) wirkt. Die<br />
Kraft muss nicht notwendigerweise nach oben gerichtet sein (z.B. Schiffsschraube,<br />
Autospoiler)<br />
Umströmung einer angestellten Tragfläche<br />
Staudruck unter Profil, Sog darüber
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Hydrodynamischer Auftrieb
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Körperform und Strömungskräfte<br />
Die Kenntnis von Strömungsformen und deren Wirkungen auf den Körper ist für<br />
die Beschreibung und Analyse von Schw<strong>im</strong>mtechniken unverzichtbar<br />
Körper sind strömungsgünstig, wenn<br />
sie be<strong>im</strong> Gleiten geringe Verwirbelung<br />
<strong>im</strong> Nachlauf und somit weniger<br />
Widerstand erzeugen<br />
Wirkungen der Bein- oder<br />
Armabspreizung be<strong>im</strong> Gleiten
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Selbsterzeugter Antrieb <strong>im</strong> Wasser<br />
Selbsterzeugter Antrieb <strong>im</strong> Wasser ist stets eine wechselseitige Rückwirkung<br />
(Widerlager) von Körper- und Wasserbewegung<br />
Wassermassen werden „auf Geschwindigkeit gebracht“<br />
Widerlager abhängig von<br />
Druckdifferenz um die „Antriebsflächen“<br />
Form der Strömung<br />
Es ist günstiger, <strong>im</strong> Wasser große Massen bei geringeren Geschwindigkeiten<br />
zu bewegen als umgekehrt Energie-Erhaltungssatz<br />
Erhaltungssatz<br />
Abdruck vom Widerstand (Staudruck)<br />
Sogkraft (dem Staudruck überlegen)
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Antriebslösungen<br />
Das mechanische Gesetz „actio„<br />
= reactio“ “ gilt <strong>im</strong>mer!<br />
1. Druckpaddel-Prinzip<br />
Flächen werden senkrecht zur Bewegungsrichtung auf geradliniger Bahn bewegt<br />
(z.B. Ente)<br />
2. Rückstrahl-Prinzip<br />
Indem Wassermassen über einen engen Kanal nach hinten ausgestoßen wird,<br />
erfährt der Körper einen Vortrieb (z. B. Tintenfisch)<br />
3. Undulations-Prinzip<br />
Abgest<strong>im</strong>mte Bewegungen führen zur<br />
1. Vor-Formung des Wassers<br />
2. zunehmender Drehung der Antriebsfläche<br />
3. geordneten Rotation der abgelenkten<br />
Wassermassen auf der Rückseite der Antriebsfläche<br />
(z.B. Delphin)
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Vortex – die geordnete Rotation<br />
Hinter jedem Körper treten <strong>im</strong> Nachlauf grundsätzlich rotierende Wassermassen auf<br />
„ungeordnete<br />
Wassermassen“<br />
z.B. Totwassergebiet hinter<br />
Brückenpfeilern<br />
„geordnete<br />
Wassermassen“<br />
z.B. vorlaufende Körperwelle<br />
Flossenschlag<br />
Wirken bremsend<br />
Kann zum Antrieb genutzt werden<br />
• Vortex ist eine Menge Wasser, die um eine Achse rotiert unterschiedliche Formen<br />
• Sie bilden sich <strong>im</strong> tieferen Wasser besser aus, als nahe der Wasserlinie<br />
serlinie<br />
• Alle Vortexformen stellen relativ stabile Gebilde dar<br />
• Gemessen an der zu ihrer Entstehung aufgewandten Energie tragen sie einen hohen<br />
Impuls, der für einen Kraftstoß auf den Körper genutzt werden kann<br />
Das Nutzen von Vortexformen ist energetisch günstig
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Vortex – die geordnete Rotation<br />
Rotierende Wassermassen <strong>im</strong> Nachlauf der<br />
Füße und der Hände gewinnen als Wider-<br />
lagerproduzent an Bedeutung<br />
Vortexformen bilden sich vornehmlich an<br />
„Körperkanten“ aus. Hier stoßen Druckunter-<br />
schiede „aufeinander“<br />
Wassermassen bewegen sich schnell vom<br />
Stau- zum Sogbereich und geraten in Rotation<br />
Treffen fließende Wassermassen auf einen Gegenstand, beginnen sie e zu rotieren bevor der<br />
Gegenstand umströmt wird (aufgerollter Teppich viel Masse auf kleinem Raum)<br />
Damit erklärt das vortexorientierte Antriebskonzept:<br />
1. Impulsentstehung<br />
2. wechselseitige Impulsübertragung<br />
3. den damit verbundenen Energieaufwand
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Vortexformen<br />
Auf unterschiedliche energetische Zustände des in Rotation versetzten Wassers zurückzuführen<br />
Im Nachlauf hinter den Füßen<br />
Hinter den Händen<br />
walzenförmig<br />
über die Füße fließendes<br />
Wasser wird vorgeformt<br />
Zopfähnlich verdrillt<br />
Hände finden „ruhiges“ Wasser<br />
Vor<br />
Heckantrieb<br />
Frontantrieb
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Besonderheiten<br />
Strömungsbedingungen sich selbst forttreibender, formveränderlicher Körper<br />
unterscheiden sich deutlich von denen gleitender, formstarrer Körper<br />
‣ Widerstand und Antrieb sind bei Körpern mit<br />
Selbstantrieb messtechnisch nicht trennbar; sie<br />
unterscheiden sich nur durch ihre Wirkrichtung.<br />
Antrieb ist ohne Widerstand nicht denkbar<br />
‣ Das vom Körper in Schw<strong>im</strong>mrichtung<br />
mitgerissene Wasser kann durch Kick-<br />
bewegung so gegen die Schw<strong>im</strong>mrichtung<br />
beschleunigt werden, dass kaum eine<br />
Nachlaufbewegung auftritt, weil die Grenz-<br />
schicht aufgerollt wird
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Schnellschw<strong>im</strong>men<br />
Schnellschw<strong>im</strong>men<br />
weniger: Schw<strong>im</strong>mbewegungen kräftig ausführen*<br />
eher: Energie ökonomisch einsetzen<br />
*90% Wärmeregulierung<br />
10% für Fortbewegung<br />
Welches Bewegungsmuster ist energetisch das günstigste?<br />
Geordnete Wirbelgebiete<br />
<strong>im</strong> Nachlauf hinter dem<br />
Körper erzeugen<br />
Schwankungsbreite der<br />
intrazyklischen Geschwindigkeit<br />
gering halten<br />
Große Wassermassen<br />
mit geringer Geschwindigkeitsänderung<br />
bewegen**<br />
** widerspricht der Auffassung,<br />
durch relativ hohe Aktionsgeschwindigkeit<br />
starken Widerstand<br />
erzeugen zu können
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Energiespeichernde Wirkungen ?<br />
*90% Wärmeregulierung<br />
10% für Fortbewegung ?<br />
Selbst, wenn Kraftanforderungen nicht hoch sind,<br />
können sie aber als anstrengend empfunden werden<br />
Erklärungen ?<br />
• 90% der Stoffwechselenergie wird für den<br />
Erhalt der Körpertemperatur benötigt<br />
• „falsche“ Schw<strong>im</strong>mbewegungen bremsen<br />
• nicht alle Antriebsbewegungen werden in<br />
Schw<strong>im</strong>mrichtung ausgerichtet<br />
• die Schwankungen der intrazyklischen<br />
Geschwindigkeit sind zu hoch<br />
• es ergeben sich Änderungen der Geschwindigkeit<br />
von Wassermassen durch die Schw<strong>im</strong>mbewegung
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Schnellschw<strong>im</strong>men<br />
Schwankungsbreite der intrazyklischen Geschwindigkeit gering halten
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Schnellschw<strong>im</strong>men<br />
Scheinbar zusätzliche Massen nehmen Energie auf und wirken bei Geschwindigkeitsveränderungen<br />
des Körpers wie nachschwappende Schwungmassen auf den Körper<br />
zurück. Wenn keine Antriebskräfte erzeugt werden, schieben sie den Schw<strong>im</strong>mer<br />
trotzdem weiter.<br />
Brustschw<strong>im</strong>men<br />
Armbewegungen beschleunigen den noch<br />
untergetauchten Körper und gleichzeitig die<br />
Strömungshülle (Energieaufnahme). Wird am<br />
Ende der Armöffnungsaktion der Rumpf plötzlich<br />
aufgerichtet, sorgen nachschwappende<br />
Wassermassen dafür, dass sich ein Schw<strong>im</strong>mer<br />
ohne größeren v-Verlust v<br />
fortbewegen kann.
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