שהייה : מבט מזווית של מכאניקת הזורמים
מאת: אילה קליין, וינגייט 2014, ואינג' חיים קליין.
מה לשחיין ומכאניקת זורמים?
מכאניקת הזורמים הנה ענף פיזיקאלי העוסק בתכונותיהם ובכוחות של זורמים כגון מים. מכאן, ניתן להפיק יישומים רבים בהרבה ענפי ספורט ובמיוחד בשחייה. אז מה מה הקשר בין שחייה למכאניקת זורמים?
למעשה, במים, על הגוף פועלים ארבעה כוחות באופן שווה:
דחיפה קדימה, כוח הכבידה, לחץ המים והתנגדות הנוזל עקב חספוס העור.
משקל הגוף מנוטרל על ידי כוח העילוי (חוק ארכימדס) ועל ידי פעולת הידיים והרגלים של השוהה הדוחפים מים כלפי מטה. לפי חוק ניוטון, כל פעולה גורמת לפעולה נגדי שווה ולכן כל בעיטה כלפי מטה מרימה את הגוף באותה המידה של כוח. כלומר, למשקל הגוף עצמו יש השפעה מעטה על אופן השחייה.
כוח התנגדות הלחץ העיקרי מופעל על החלק הקדמי של הגוף. כאשר הראש יוצר גל של לחצים נגדיים במים,על כן כובע שחייה מקטין את התנגדות המים וכן גילוח הראש. עוד אחראי על האטת הגוף כתוצאה מהתנגדות ללחץ,היינו החלק האחורי של הגוף, תנועת רגליים גליות ואחידות לדוגמא כמו של הדג גורמות לפחות טורבו לנציה ומכאן לפחות התנגדות,וצורך להשקיע פחות אנרגיה כדי להתקדם במים.
מקור נוסף של התנגדות, נובע מהמגע של העור עם המים: כל ששטה הגוף חלק יותר ויותר דוחה את המים ,ההתנגדות פחותה. ספורטאים תחרותיים המעונינים להקטין את התנגדות גופם למים מסירים את שערות גופם, הסרת השערות גורמת להקטנת החיספוס אשר מאשר זרימה ליניארית על זאת אומרת. חלקה יותר. תעשיית ביגוד הספורט הבינה את זה כבר מזמן והחלה להפעיל במרץ את הטכנולוגיה על מנת לייצר כובעי ובגדי ים העשויים מחומרים דוחים מים אשר מקטינים עוד יותר את ההתנגדות.כובעים ובגדי שהיה עשויים מחומרים דוחים מים מקטינים עוד יותר את התנגדות המים לתנועה.
ניקח לדוגמא, את אחד השחיינים הטובים ביותר שקיימים, הדולפין. אם בוחנים את מבנה גופו, מבחינים מיד שהוא אירו דינמית, כלומר מבנה ראשו הוא בצורת חץ או טיל, ללא בליטות, ומכוסה בעור חלק הדוחה מים. עוד, גוף הדולפין מסתיים במכשיר ש"מסדר" את הזרימה בצורה ליניארית. מבנה, המונע התפתחות של מערבולות וטורבולנציה. שחיין אנושי מפתח חוש ש"מרגיש" את המים ומתקדם בארמוניה עם הזרם מבלי תנועות אלימות שרק מחזקים את ההתנגדות של המים לתנועה.
עוד ניתן לשים לב כי גוף האדפ אינו סימטרי, תנועת הרגליים ותנועת הידיים משני הצדדים אינה מייצרת את אותו כוח וצורה במים, חוסר הסימטריה גורם להפרשי לחצים בין הצדדים ומאיטיים את השחיין. על כן, על השחיין לשאוף לשחייה נכונה וסימטרית של שני הגפיים.
בריכות שחייה "מהירות"
האם השחיין במסלול השכן יכול לגרום לך להפסיד את התחרות? התשובה שכן. כל שחיין במסלולו יוצר גלים במים, גלים אלה מתפשטים ומתנגשים בגלים של השכן ושל דפנות הבריכה. כלומר שחייה במים לא שקטים גורמת להאטת השחיין, על כן, מארגני תחרויות שחייה המודעים לתופעה, ממקמים את השחיינים בתחרויות על פי תוצאות מוקדמות, הטוב ביותר במסלול האמצעי ופחות במסלול צידי יותר.
אחד הסוגיות במכאניקת זורמים דנה בגופים המסודרים בשורה בטור, על פי התופעה, שחיין א' השוחה מאחורי שחיין ב' זוכה לפחות התנגדות מים בעזרת ניצול תופעת ה"וואקום" (שאיבה) שיוצר השחיין לפניו. על כן הוא יכול לנצל פחות אנרגיה תוך כדי התקדמות. ניתן להביא לדוגמא תחרות אופניים טיפוסית בו הספורטאים מסתדרים בטור . בשחייה אין אפשרות להסתדר בשורה אבל כן ניתן לנצל במקצת את הוואקום היוצר המתחרה השכן.
בהדמייה ממוחשבת של שני גופים השוהים בטור, פרופיל הלחצים מראה שראש השחיין יוצר גל לחץ גבוה (נקודה אדומה באיור) ומשאיר מאחריו אזור לחץ נמוך ואפילו איזור תת-לחץ או לחץ שלילי (ואקום) המסומן בצבע כחול. השחיין המוביל בעצם גורר ומושך את השני ומאפשר למתחרה השני לחסוך באנרגיה ולהשתמש בה בשחייה. כמות האנרגיה שחוסך השני הוא פונקציה של המרחק מהראשון, כאשר גם במרחקים של 7 -8 מטר עדיין מורגשת ההשפעה של הראשון על השני. כאשר שוחים באותו מסלול, המרחק המינימאלי שמפעיל את אפקט הואקום הוא 10 מטר – כי מרחקים קצרים יותר יוצרים תנאים הידרודינאמיים בלתי שווים עבור השוהים.
כמו בענפי ספורט אחרים, גם בשחייה על מנת להצטיין יש צורך מעבר לכוח הפיזי בטכניקה איכותית אשר תוביל להתקדמות מהירה תוך בזבוז אנרגטי מינימאלי.
אילה מרגריטה קליין היא מאמנת שחיה ומצילה מוסמכת הלומדת בונגייט. אינג חיים קליין הוא מהנדס ומרצה "מכאניקת זורמים" במרכז האקדמי אריאל - שחיין ומציל לשעבר.
