游泳是奥运会当中的金牌大户，不仅有各种距离的比赛，还分四种泳姿，接力项目更是紧张刺激。游泳运动员健美的体型和优美的泳姿，也使比赛具有很高的观赏性。但是，就跟足球比赛里啥叫越位、篮球比赛走没走步一样，游泳比赛中也充满了问题陷阱，比如“为什么要潜泳”、“为什么自由泳最快”……一旦回答不上，那就是看了个热闹了。
作为科研人员，我们不但要能简单回答疑问，还要从原理上给与解答，这篇文章就当是一份借助了科学力量的观赛指南吧。希望朋友们认真阅读，下届奥运为中国游泳队加油的时候用得着。我国游泳选手张雨霏（图片来源：新华社记者许畅摄）。问题一：为什么入水后要潜泳一段距离？从运动员一跃入水开始，问题就来了，为什么运动员要像海豚一样在水下潜泳一段距离再出水面（蛙泳比赛除外）。
普通观众的解答：当然是因为这样最快；专业观众解答：因为水下蝶泳腿最快；科研人员的解答：因为潜泳没有波阻。图片来源：veer图库。游泳时主要会受到三种阻力：压阻、摩阻和波阻。通俗地说，压阻就是你游泳时头部感受到的水的压力。摩阻就是摩擦阻力，水流过你的身体表面时受到的粘性力，由你身体表面的光滑度和水流速度梯度决定。
被禁的鲨鱼皮泳衣，就是模仿鲨鱼的皮肤达到减小阻力的目的，现在运动员则通过刮体毛来减小摩阻了。波阻，全称叫波浪阻力，就是游泳时拍出来的波浪会对身体产生阻力。水面通常叫做自由表面，由于空气密度比水小得多，使得水面相比水底更容易产生波浪。潜泳时没有这部分阻力，所以潜泳是最快的泳姿，但是由于其危险性被禁止使用。现代游泳比赛时，每次转身最多只允许潜15米。问题二：为什么自由泳是最快的比赛泳姿？
答案就是自由泳是阻力系数最小的比赛泳姿，“阻力系数”四个字一定要说全，后面两个字是体现专业性的地方。阻力与阻力系数、速度的平方和挡水面积成正比。自由泳因为速度快，其阻力并非最小，不过，清华大学的闫卫星等人通过实验测量了自由泳和蛙泳的动态阻力和阻力系数（表1和表2，C即阻力系数），自由泳的阻力系数仅是蛙泳的50%左右。如果自由泳和蛙泳以相同的速度前进，那么自由泳的阻力会小于蛙泳。
从这个角度来说，阻力系数越小的泳姿越省力。问题三：为什么长距离自由泳比赛中，运动员很少打腿？原因大家都知道，就是打腿太费力，自由泳的推力主要由手臂产生，腿重而且离心脏远，导致推进效率低。图片来源：东京奥运会官方网站。那完全不打腿行不行？如果你懂力学，进行一下力学分析，就知道应该是不行的，运动员需要通过打腿来保持身体姿态。
人体在水中受到的垂直方向的力，主要有重力、浮力和水的压力，这三者不仅仅需要保持力的大小平衡，还要保持力矩大小的平衡。重力作用点在人体的质心，通常在肚子附近。由于肺部里的空气能产生大量浮力，因此，人体的浮力作用中心更靠近身体上半部分。那么，为了保持身体平衡，就需要身体下半部分产生一个向上的力，或者通过上半部分身体产生一个向下的力，这样产生的力矩就会平衡浮力产生的力矩，身体在水中才会保持平衡。
自由泳的向下打腿，就是保持身体力矩平衡的一种手段。还有一种“下坡式”自由泳，头部下沉的较多，整个上半身与前进方向有个夹角，水能够冲击到背部，这样产生的上半身向下的力，也能保持力矩平衡。“下坡式”自由泳是不用打腿的或者很少打腿的，这样能够更省力，适用于长距离游泳。我国游泳选手汪顺（图片来源：东京奥运会官方网站）。游泳比赛演变成今天这种形式，有很多的原因，其中包含了很多力学原理。
随着流体力学和生物力学越来越多地应用到比赛中，相信以后运动员的速度会越来越快。对于我们普通人来说，如果游泳学不会，有时候不光要问教练，更要在梦中问问牛顿，看看你的泳姿是否违背了他的定理。看游泳比赛时，你还有什么力学问题？欢迎写在留言区。作者单位：中国科学院力学研究所。版权说明：未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编，并且严禁转载至微信以外的平台！
文章首发于科学大院，仅代表作者观点，不代表科学大院立场。转载请联系cas@cnic.cn。参考文献：[1]闫卫星，王连泽，李德坚，王新峰，沈熊，“测量游泳动态阻力的附加阻力微扰动法”，清华大学学报，2005年第45卷第5期。推荐阅读：里约奥运会的泳池怎么变绿了 >> 10000小时定律，运动场上未必如此 >> 哮喘能激发运动员的强大天赋？
>> 清澈透明池水里的杀机 >> 科学大院是中科院官方科普微平台，由中科院科学传播局主办、中国科普博览团队运营，致力于最新科研成果的深度解读、社会热点事件的科学发声。转载授权、合作、投稿事宜请联系cas@cnic.cn。大院er拍了拍你：不要忘记点亮这里的赞和在看噢~