De techniek van het wedstrijdzwemmen

De wedstrijdzwemslagen, start en keerpunten van een zwemmer/ster komen in deze cursus aan de orde om deze te kunnen analyseren en te evalueren. 

Het uitgangspunt is hierin de individuele aanpak van de zwemmer/ster. Immers, een topsporter is een extreem in zijn prestaties en dus uniek. Topsporters beschikken over verschillen in aanleg, d.w.z. verschillen in de inspanningsfysiologische eigenschappen, kracht, uithoudingsvermogen, snelheid en vooral zijn lenigheid en coördinatievermogen waarbij bovendien psychologische factoren een zware rol spelen Het is daarom wel nuttig een topsporter te bestuderen en er van te leren maar de toepassing van deze techniek op een andere zwemmer/ster is twijfelachtig  Andere eigenschappen vragen andere aanpassingen. Wat zijn die aanpassingen? Om dit te kunnen beantwoorden is een terdege kennis nodig van de grondslagen van het zwemmen. Een goede techniek is een optimalisatie van de stuwbewegingen en de weerstanden die worden ondervonden in het water, per individu, afhankelijk van zijn specifieke fysiologische eigenschappen  

Voor het optimaliseren zijn een aantal criteria aan te leggen, bijvoorbeeld ten aanzien van het energieverbruik, de snelheid, de stuwkrachten en de weerstanden.

Om de  zwemtechnieken  te kunnen beoordelen en daarna deze optimalisaties uit te kunnen voeren is het noodzakelijk specifieke kennis van de stromingsleer, en de mechanica te hebben.

In deze cursus zal de theorie van de stromingsleer en de mechanica op een praktische en voor iedereen begrijpelijke manier aan de orde komen en zoveel als nodig is om direct te kunnen worden toegepast op de zwemslagen. Tevens komt de kinesiologie in voldoende mate aan de orde.

Bovendien zal door een veelheid aan computersimulaties het mechanisme van het zwemmen inzichtelijk worden gemaakt. Hoe zit de zwemslag in elkaar en wat gebeurt er bij veranderingen van de slag ten aanzien van het energieverbruik, het vermogen, de stuwkrachten en de weerstanden?

De zwemslagen worden geanalyseerd aan de hand van vooral onderwater opnamen van diverse (top)zwemmers en eigen zwemmers 

De cursus is globaal onder te verdelen in:

Het theoretische gedeelte

• Weerstanden
• Stuwbewegingenwegingen.
• Zwemtechnieken en Optimalisatie van de Weerstanden en Stuwbewegingen.

Het praktische gedeelte

• Analyse van de zwemslagen
• Evaluatie

Weerstanden

Veel aandacht wordt besteed aan het vergroten van de conditie en de kracht. Hoewel uiterst belangrijke zaken, sorteert dit weinig effect als er tijdens het zwemmen weerstanden opgewekt worden die weer remmend werken en het effect van meer uithoudingsvermogen en kracht teniet doen. Juist het zwemmen, is onderhevig aan grote weerstanden, door het medium water waarin de zwemmer zich moet voortbewegen. Computersimulaties laten zien dat dit effect ongedacht groot kan zijn. Aandacht aan het verminderen van weerstanden kan grote winst opleveren en dit kan als men de techniek van het zwemmen goed beheerst. Computersimulaties laten ook zien dat in het ideale geval het eind van de ontwikkeling nog lang niet bereikt is. De dynamiek van het zwemmen omvat de stuwing enerzijds en de weerstanden anderzijds. Deze zijn in een soort van voortdurend evenwicht. Stuwing is uiteraard noodzakelijk om zich voort te bewegen bij het zwemmen maar roept daardoor tevens grote weerstanden op. Het is uiterst belangrijk zeer efficiënt met de energie die een zwemmer ter beschikking heeft, om te gaan, de weerstanden laag te houden om daarmee zo lang mogelijk zo snel mogelijk te kunnen zwemmen.

Om weerstanden te kunnen verminderen is het nodig, inzicht te hebben in;

• De stromingsleer
• Het mechanisme van het zwemmen

Uit de stromingsleer wordt het inzicht verkregen wat de weerstanden zijn onder de stromingsomstandigheden tijdens het zwemmen, om dit zodoende te kunnen beheersen. Met het inzicht in de techniek van het zwemmen kan een techniek ontwikkeld worden die de weerstanden tot een minimum reduceert en zo efficiënt mogelijk met de beschikbare energie omspringt.

1.1 Stromingsleer en weerstanden bij het zwemmen.

Dit is de studie van de bewegingen van vloeistoffen, in dit geval water, en de oorzaken en gevolgen van deze bewegingen. De stromingsleer is vergaand theoretisch ontwikkeld en nog worden vele stromingsverschijnselen niet geheel begrepen. Dit geldt waarschijnlijk vooral voor het mechanisme van het zwemmen waarin veel inzichten experimenteel verkregen dienen te worden. Met vereenvoudigde modellen echter, mits voorzichtig gehanteerd, is een inzicht te verkrijgen, dat van belang is bij de beoordeling van weerstanden bij het zwemmen.

De kracht, die de vloeistof op een lichaam uitoefent, wordt dikwijls gesplitst in een wrijvingskracht en een vormkracht. Daarnaast spelen grenslagen, een zeer dunne laag rondom het lichaam, een belangrijke rol voor de stromingsconfiguratie en de daarmee samenhangende krachten op het lichaam. Aan het oppervlak van het water spelen nog krachten t.g.v. atmosferische druk, oppervlaktespanning en het gewicht van het water boven het wateroppervlak t.g.v. golven een rol 

Enige definities

1.2 De wrijvingskracht

Deze treedt voornamelijk op in de grenslaag vooraan het lichaam (zie grenslaagstroming), ten gevolge van viskeuze spanningen. In de grenslaag treden verschillende stromingsomstandigheden op, van laminair, naar instabiel, naar turbulent. Het getal van Reynolds, Re_x, geeft een indicatie, waar, welk gebied is. (fig.1.2.) 

Vooraan in de stroming is de grenslaag laminair en de wrijvingsweerstand relatief laag. Het turbulente gedeelte van de grenslaag, wat hierna komt, heeft een ongeveer vijfmaal zo grote wrijvingsweerstand als het laminaire gedeelte maar vergeleken met de vormweerstand. is deze wrijvingsweerstand nog laag  (fig.1.3.)

1.3 De vormkracht

Dit is de kracht ten gevolge van drukverschillen voor en achter de stroming. De vormkracht wordt dan ook voornamelijk bepaald door de onderdruk in het zoggebied aan de achterzijde van het lichaam in de stromingsrichting. De uitdrukkingen "vormkracht' en "vormweerstand" berusten op de overweging dat de vorm en grootte van het zoggebied bepaald worden door de vorm van het lichaam.

Ook hier, zijn er weer verschillende stromingsomstandigheden, laminair of turbulent. Het getal van Reynolds, Re_D,  geeft een indicatie, waar, welke omstandigheid is. Bij grote waarden van Re is de vormweerstand bepalend voor de totale weerstand. Een zwemmer zit in het gebied van grote Re waarden en wel tussen 10⁵ en 10⁶. Dit is een overgangsgebied van laminair naar turbulent voor ideale vormen. (fig. 1.1.)  Re-kritisch is zeer afhankelijk van de omgeving, o.a. het aanstromende water, is dit onrustig of niet, de snelheid, de afmeting van het lichaam, etc. Van het grootste belang is de ligging van het lichaam in het water, daar deze direct de vormdoorsnede bepaalt. De vormweerstand is voor het zwemmen de voornaamste weerstand.  

Om de gedachten te bepalen; een vlakke plaat evenwijdig aan de stroomrichting ondervindt alleen wrijvingsweerstand, en een vlakke plaat loodrecht op de stromingsrichting ondervindt alleen vormweerstand.

1.4 Grenslagen

Uit de stromingsleer is bekend dat grenslagen, hoewel heel dun t.o.v. de afmetingen van het lichaam, veelal bepalend zijn voor de stromingsconfiguratie en de daarmee samenhangende krachten op het lichaam. Het water tegen het lichaam van de zwemmer heeft een snelheid nul. (Het water wordt door wrijving meegenomen door de oppervlakte van de huid). Op enige afstand is er een snelheidsverschil door de zwemsnelheid U₀ van de zwemmer t.o.v. het water.

De dunne grenslaag op de huid varieert van snelheid nul tot de zwemsnelheid. Deze laag heet de grenslaag. Al is deze laag dun, toch bepaalt deze laag voor een groot deel de weerstand van een lichaam. Fig. 1.2. Het aanstromende water, met snelheid U₀, zal zich aan de huid hechten en worden afgeremd. De grenslaag groeit in dikte en is aanvankelijk laminair tot het instabiel wordt en omslaat in een turbulente stroming. Een turbulente grenslaag heeft nu een ± vijfmaal hogere wrijvingsweerstand dan een laminaire grenslaag voor een zwemmer met een gemiddelde zwemsnelheid. Echter, grenslagen laten op een gegeven moment los van het lichaam, waardoor er een zog ontstaat. Een turbulente grenslaag blijft weer langer aanliggen dan een laminaire waardoor er een smaller zog ontstaat met een  lagere zogweerstand. 

Als de grenslaag loslaat ontstaat er dus een zog met een vrij lage druk achter het lichaam. Dit zoggebied geeft aanleiding tot zogweerstand. De grootte van het zog bepaald de weerstand, terwijl de zoggrootte weer wordt bepaald door het loslaten van de grenslaag. Fig. 1.4.1 t/m 1.4.3.

• Bewegingen van het lichaam veroorzaken een eerder loslaten van de grenslaag en wel des te eerder als de bewegingen wilder zijn.
• Ruwheden van het oppervlak die buiten de grenslaag steken veroorzaken een eerder loslaten van de grenslaag.

De vormweerstand is veel groter  dan de wrijvingsweerstand. (Fig. 1.3)

In het gebied van grotere Re neemt de wrijvingsweerstand af en de invloed van de vormweerstand is veruit overheersend.  Willen we bereiken dat een omstroomt lichaam een lage weerstand heeft, dan moeten we de vormweerstand zien te verminderen. De vormweerstand kan worden verminderd door grenslaagloslating trachten te voorkomen waardoor het zoggebied smaller wordt. Fig. 1.4 

Dus, vormweerstand verminderen door grenslaagloslating trachten te voorkomen.

 

1.4.1 Invloed van de zwemsnelheid U₀

In het voorgaande is aangegeven dat er bij een bepaalde snelheid van de stroming een omslag plaats heeft van laminaire- naar turbulente stroming. Het getal van Reynolds, Re, gedefinieerd door; Re= Uo*A*r/h, geeft  aan, bij welke waarde Re-kritisch, dit omslaan plaats heeft. Bij toenemende snelheid en daarmee toenemende waarden van Re ontstaan er verschillende stromingsbeelden. Dit geldt echter alleen voor bepaalde ideale en bewegingsloze lichamen.  

1.5 Stroming om lichamen

Om inzicht te kunnen krijgen in het stromingsbeeld van ingewikkelde lichamen, waarvan een zwemmend lichaam er één is, wordt eerst de stroming bekeken van een aantal eenvoudige vormen. Met eenvoudige vormen kan een ingewikkelder lichaam opgebouwd worden en /of beoordeeld worden.

In nevenstaande figuur is het verband tussen Reynolds, (Re) en de Cd-waarde experimenteel bepaald voor een bol en een cilinder. Dit zijn ideale bewegingloze lichamen! Aangegeven is het gebied waar de stroming omslaat van laminair naar turbulent. Dit geldt eveneens voor lichamen met andere maar soortgelijke vormen. Met enige voorzichtigheid geeft dit een indicatie van Re en Cd voor zwemmers, om de gedachten te bepalen.

1.5.1 Stromingsbeelden, modellen 1

De stromingen zijn zeer ingewikkeld voor een bewegende zwemmer en niet goed vast te leggen. Voor een aantal eenvoudige vormen is experimenteel nagegaan wat er bij toenemende snelheid en dus toenemende Re gebeurd. 

Re =1; De stroming om de cilinder is vrijwel symmetrisch en vloeit rondom de bol /cilinder op een gelijkmatige manier. Stroomlijnen voor en achter het lichaam zijn nagenoeg hetzelfde. 

Re tussen circa 100 en 150;  fig. 1.4.1. 

De stroming achter de cilinder laat los en er vormt zich een zog waardoor er een drukverlaging optreedt. De vormkracht neemt toe. Er vormen zich twee tegengesteld roterende wervels die terugstromen.

Re, ongeveer 100.000; fig. 1.4.2.

Er ontstaat een turbulent zog. De grenslaag is laminair op het voorste gedeelte tot ongeveer 80 graden en laat dan los, dit is dus nog voor de grootste diameter. Met enigszins toenemende Re komt dit loslaatpunt naar voren, waardoor het zog breder wordt. De Cd-waarde neemt hierdoor toe en daarmee de vormkracht. Cd neemt hier toe tot ongeveer 1.2.

Re groter dan 100.000; Fig.1.4.3. 

De laminaire grenslaag wordt turbulent voor hij het loslaatpunt bereikt. Een turbulente grenslaag blijft langer aanliggen en wel tot ongeveer 120 graden. Het gevolg is dat het zog aanmerkelijk smaller wordt. Daarmee neemt de Cd-waarde aanzienlijk af en wel tot een Cd-waarde van 0.3.

Dit wordt de zogenaamde "Drag Crises" genoemd.

In fig. 1.1 zijn twee lijnen aangegeven voor deze daling. Dit heeft te maken met de vorm van de buitenstroming, die de grenslaag beïnvloedt.

Voor een rustige buitenstroming zal Re-kritisch ongeveer 200.000 zijn en voor een onrustige, dus turbulente, buitenstroming Re-kritisch ongeveer 100.000 zijn.

1.5.2 Stromingsbeelden, modellen 2

Reynolds.
Het kengetal van Reynolds is van toepassing op lichamen van een bepaalde vorm. Het moet onvervormbaar zijn en aan bepaalde voorwaarden voldoen, zoals geen scherpe kanten hebben waar de grenslaag loslaat. Zulke vormen zijn, zoals eerder behandeld, de bol en de cilinder maar ook een ellipsvorm en een druppelvorm.

Op nevenstaande figuur is Reynolds van toepassing en het maakt duidelijk dat de vorm en de afronding in de stromingsrichting van grote invloed zijn.

De druppelvorm wordt als ideaal verondersteld maar ook hier is één bepaalde verhouding tussen lengte l en diameter d van het lichaam optimaal; l/d =5 ® Cd=0.06 geeft de laagste waarde. Andere vormen zijn onafhankelijk van het getal van Reynolds, dat wil zeggen dat zij in het gehele stromingsgebied ongeveer dezelfde Cd-waarde hebben. De Cd-waarde op zich is echter wel zeer afhankelijk van de vorm. Een afgeronde vorm zoals bij de druppelvorm heeft een lage Cd-waarde. Een geleidelijk aflopen aan de achterzijde van het lichaam, eveneens zoals bij de druppelvorm, zorgt voor een lage Cd-waarde. 

Dat wil zeggen, dat iedere zwemmer een Cd-waarde heeft die bij elke snelheid nagenoeg dezelfde waarde heeft. Binnen een slag treden er echter variaties op door variaties in de vorm tijdens het zwemmen. Deze Cd-waarde geldt wel heel specifiek voor één bepaalde zwemmer. Een andere zwemmer heeft een andere vorm, die nauwelijks onderling vergeleken kan worden met een andere zwemmer via het kengetal van Reynolds. (Bewegingswetenschappers hebben wel zoveel mogelijk morfologische kenmerken van een menselijk lichaam in beeld gebracht maar niet gekoppeld aan een Cd waarde)  In absolute zin is er een Cd-waarde die kenmerkend is voor een bepaalde zwemmer en experimenteel voor iedere zwemmer apart bepaald zou moeten worden. De Cd-waarde van een zwemmer op deze manier bepaald, is dan een maat voor de vormweerstand en de efficiëntie van het zwemmen, van een bepaalde zwemmer.

Dus, iedere zwemmer heeft zijn eigen voor hem specifieke Cd-waarde en Cd-waarde variatie binnen een slag. Aan de ene kant bepaald door zijn morfologische kenmerken, aan de andere kant bepaalt door de efficiëntie in het zwemmen. Met dat laatste wordt bedoeld, hoe gaat hij met de weerstanden in het water om zoals boven besproken en bovendien hoe efficiënt zijn zijn stuwbewegingen.

1.6 De golfweerstand: Hullspeed of Rompsnelheid

Is het lichaam niet geheel ondergedompeld, ofwel niet geheel onder water dan gaat de golfweerstand een rol spelen. Dit treedt op in het scheidingsvlak van luchten water. Een varend schip veroorzaakt een drukverstoring die golven opwekt. Hier geldt het kengetal van Froude:

Vooraan het lichaam ontstaat een boeggolf en achter het lichaam ontstaat de hekgolf. De boeggolf heeft een top. Is hoog, vooraan het lichaam en gaat dan weer omlaag naar een dal en weer omhoog naar de oppervlakte, etc. Bij lage snelheid zal de boeggolf ergens tussen het lichaam weer omhoog komen. Wordt de snelheid groter dan komt de boeggolf steeds op een grotere afstand omhoog. Totdat de snelheid zo hoog wordt dat de boeggolf omhoog komt aan het einde van het lichaam, bij de hekgolf dus. De snelheid verder verhogen kan niet en dit geeft tevens de limiet aan van de maximaal te bereiken snelheid. Dit is de kritische snelheid of wel in scheepsbouwtermen de “Hullspeed” of Rompsnelheid Uit de natuurkunde is bekend dat de snelheid van oppervlaktegolven v wordt weergegeven door de volgende algemene formule:

Snelheid oppervlakte golf v =

Als h groot is t.o.v. de golflengte dan ligt de hyperbolische tangens, tanh, dicht bij 1 en als, λ= de golflengte, groot wordt t.o.v. de tweede term dan kan de snelheid waarbij in orde van grootte redelijk benaderd worden door:
Als wij, λ= golflengte, gelijk stellen aan de lengte van het lichaam L dan is de kritische snelheid uit te rekenen. (in orde van grootte te benaderen)

De kritische snelheid v-kritisch is dus afgerond ongeveer 1,7 m/s. i s en dat komt overeen met een tijd op de 100 meter van ongeveer 59 sec. Het bovenstaande geldt wel voor een vast onvervormbaar lichaam.

Topzwemmers kunnen veel beter dan 59 sec. en hebben kennelijk het vermogen om de kritische grens te overwinnen. Het bewegende lichaam van een zwemmer is dus heel iets anders. Tot v-kritisch is de snelheid toename kwadratisch, volgens de formule. Boven deze kritische snelheid is de toename iets groter dan kwadratisch.

Bulbsteven

Dit is een torpedovormig onderdeel van de boeg van een schip. Hiermee kan de golfweerstand worden verminderd. Het water stroomt eerst over de bulb en veroorzaakt daar een golfdaldie samenkomt met de boeggolf. De boeggolf wordt hierdoor opgeheven.

De lengte L wordt schijnbaar vergroot door o.a. :

• De armen uit te strekken naar voren, aan de oppervlakte, bij de insteek. (zie borstcrawl)
• De benen slaan de hekgolf weg door pulsen uit de voeten bij een harde neerwaartse beenslag. (zie beenslag borstcrawl)

1.7 Prioriteiten

Bij het nemen van maatregelen om de weerstand te verminderen is het van belang te weten wat de invloeden zijn op de weerstand en in welke mate. Als eerste kan er dan aandacht besteedt worden aan die invloed die het meeste effect sorteert en vervolgens aan de andere invloedsfactoren. Computersimulaties geven hier een antwoord op. Zie mechanisme van het zwemmen, simulaties. Hieruit blijkt: 

De hoogste zwemsnelheid kan worden bereikt indien de vormweerstand zo klein mogelijk is en aandacht aan de vormweerstand sorteert het meeste effect. Zie hiervoor voorbeelden simulaties. In deze simulaties wordt de techniek vastgelegd, het energieverbruik, de Cd-waarde en de stuwkrachten ingesteld en / of berekend. Een maat voor de efficiëntie van de techniek is dan verkregen. Afhankelijk hiervan wordt dan bepaald waar aandacht aan besteed moet gaan worden.

1.8 Verminderen van de vormweerstand

• Zorg er voor, dat geen delen van het lichaam buiten de grootste frontale doorsnede steken in de zwemrichting. Dus, ervoor zorgen dat alle lichaamsdelen hier achter blijven op dezelfde manier als bij het duiken "in one hole".
• Zorg er ook voor dat door uitstrekken deze doorsnede zo klein mogelijk blijft. Door slordig zwemmen kan de doorsnede A aanzienlijk groter worden dan nodig is.
• Het gehele lichaam dient zoveel mogelijk symmetrisch te liggen ten opzichte van de symmetrie-lijn in zwemrichting. Het stuwpunt zal hiermee symmetrisch komen te liggen.

Met andere woorden, de lengteas van het lichaam moet steeds samenvallen met de ideale te volgen (zwemmen) baan en het stuwpunt moet steeds zoveel mogelijk op deze baan liggen.

• Wilde bewegingen hebben een eerder loslaten van grenslagen ten gevolge, dus, wilde en ongecontroleerde bewegingen vermijden om grenslaagloslating tegen te gaan.
• Bewegingen die ter compensatie zijn om bovenstaande te bereiken geven ook onnodige weerstand.

Dit zijn dus dringende redenen om de beheersing op te brengen om; 

• Het lichaam vooraan in de stromingsrichting zo stil mogelijk te houden, met dien verstande dat de lengteas van zijn lichaam steeds overeenkomt met de lijn van de te zwemmen ideale baan. In balans brengen van het lichaam.
• Uit het voorgaande volgt dat de zwemmer steeds moet aanvoelen waar er drukverschillen zijn op zijn lichaam. Dit kan opzij maar ook onder en boven. Vooral dient hij / zij er op te letten dat vooraan in de zwemrichting drukverschillen gecompenseerd worden. Stuwpunt dus symmetrisch houden.
• Vooraan in de stromingsrichting het lichaam zo stil mogelijk te houden om zo lang mogelijk de grenslaag aan te laten liggen.
• het lichaam steeds zoveel mogelijk uit te strekken in de bewegingsrichting,
• in de bewegingsrichting andere delen van het lichaam symmetrisch achter de grootste doorsnede houden ("one hole”),  zelfs nog verder gaande, de lijn van de lengteas door het zwaartepunt van het lichaam in de zwemrichting steeds met de ideale zwemlijn samen laten vallen. Bij het golvend zwemmen is dit de golflijn.
• zodanig te zwemmen dat de bewegingen een uiterst vloeiend verloop hebben, die zo min mogelijk verstoringen van het water ten gevolge hebben en grenslagen zo lang mogelijk vasthouden.

Door hier rekening mee te houden tijdens het zwemmen vermijden we het vergroten van het zoggebied, het uitwaaieren van turbulentie en daarmee de vergroting van de vormkracht. 

Turbulentie aan het uiteinde van het lichaam vult een eventuele onderdruk op, wat de vormweerstand verkleint. De zwemmer, met Re groter dan 200.000, kan al in het gebied waar turbulentie opgewekt wordt zitten. Een voorbeeld is de spoiler en de afgekapte achterkant bij de auto om juist daar turbulentie op te wekken ter vermindering (opheffen) van de onderdruk en de daarmee gepaard gaande verlaging van de vormweerstand.

Het belangrijkste van alles is dat de zwemmer door oefeningen gaat aanvoelen dat er weerstanden optreden, door zich er op te concentreren. Dit zoveel mogelijk probeert te gaan vermijden, om daarmee het zoggebied zo klein mogelijk te houden.

Figuur: Volkomen gestrekte ligging met de Cd-waarde minimaal.