文|创瞰巴黎 

导读

游泳比赛的胜负往往只在毫秒之间。运动员的发挥涉及多项因素，要想赢得比赛，各方面表现都需优化提升。巴黎高科路桥学院流体力学实验室正在研究游泳的物理学原理，期望通过科学的手段助力法国运动员在2024年巴黎奥运会和残奥会取得佳绩。

一览：

• 巴黎高科路桥学院流体力学实验室学者Rémi Carmigniani正在研究游泳的物理学原理，以及游泳运动员配速与摆臂节奏之间的关系。
• 这一研究旨在了解节奏对配速的影响，以及手臂的摆动如何推动身体前进。
• 研究人员使用加速度计、压力传感器及摄像机来追踪游泳运动员的水下表现。
• 研究人员的一大关注重点，是游泳运动员的起跳环节，及其起跳轨迹的优化。
• 该项目的终极目标，是帮助游泳运动员在比赛的前15米及掉头时优化轨迹。

游泳比赛的胜负往往只在毫秒之间。运动员的发挥涉及多项因素，要想赢得比赛，各方面表现都需优化提升。目前，巴黎高科路桥学院流体力学实验室学者Rémi Carmigniani正带领团队重点研究“划水”类水上运动，包括游泳、划船、独木舟和皮划艇等。在船类运动项目中，运动员用桨划水，推动船身移动。在游泳项目中，运动员则是依靠自身的手和前臂力量划水前行。

01 配速与节奏

游泳健将主要通过调整划手频率（又称“节奏”）实现变速。节奏越快，配速也就越快。为了研究节奏与配速的关系，研究团队在游泳池中进行了一项测试，要求受试者由慢到快，每隔三分钟，就在25米长的泳池中游5组来回。通过测量受试者每圈的节奏和配速，研究人员发现，手臂摆动的节奏越快，速度变化的幅度也就越高[1]。

这一研究旨在了解[2]节奏对配速的影响，以及手臂的摆动如何推动身体前进。当前，研究人员已经对平均速度、平均节奏，以及系绳游泳训练时的总力量进行了一些宏观测量，但在此基础之上，还使用了应变仪来测量手部的动态力量，并用惯性测量方法评估了手臂每次划动时的动力学特性。最后，研究人员将提出一个模型来解释观察到的不同结果。项目得到了欧洲开发基金（EDF）的支持。

在发力阶段，游泳运动员的身体会受到额外的阻力，进而增加前行的难度[3]。例如，当有波浪打来时，运动员由于身体变形，会在本身所承受的被动阻力之外，面对另一个力的影响。这一阻力与速度的二次方成正比，并因波浪的不同形状而改变。与其他“划水”类运动不同，游泳运动员既是船体又是船桨。

研究人员正在分类和量化“划水”类运动所面临的各种主动阻力。

02 监测游泳健将

Carmigniani的项目于2018年启动，隶属于法国高层次体育运动重点研究框架ANR NePTUNE（ANR-19-STHP-0004）。游泳的特殊性在于没有装备（没有船体或船桨，只靠运动员的身体），水和空气的界面也会加剧测试设备的使用难度。参加测试的运动员身上要绑着一个2欧元硬币大小的防水小盒子，内含陀螺仪、加速度计、压力传感器。这些设备会干扰泳姿，甚至影响运动员的体感。

“研究人员的一大关注重点，是游泳运动员的起跳环节，及其轨迹的优化。”

研究人员在法国国家体育运动学院（INSEP）的泳池中安装了20台摄像机（其拍摄频率为50赫兹），每隔五米一台，十台在水面，十台在水下。依托机器学习技术，这些摄像机拍摄到的数据用于监测游泳运动员的表现。通过数据分析，研究人员可以从物理学的角度来解释各种力的作用，并寻找最合适的参数来描述运动员的位置，以及游泳时的速度和加速度。

研究人员的一大关注重点，是游泳运动员的起跳环节，及其轨迹的优化。起跳过程复杂，优化起来存在难度。运动员在泳池边的垫子上起跳，高速跳入池中，并在下沉约一米后浮出水面。整个过程可能耗时5秒钟，水平位移15米左右。

游泳运动员在跳离垫子时，采取怎样的起跳角度才是最佳呢？从物理学的角度来看，运动员在入水之前的空中轨迹可以用自由落体公式来描述（空气摩擦可以忽略不计），分析较为容易。在这一阶段，游泳运动员要掌握的核心，是通过调整身体重心，为身体找准入水方向。

推水会产生额外的阻力。由于起跳入水阶段的速度很快（接近4米/秒），游泳运动员如果过早开始摆动身体，只会造成更多的阻力，让提速更难。不过，运动员也应切忌等待时间过长，否则会下沉太深，需要游更远的距离才能回到水面。

在自由泳中，一般来说，运动员起跳后，会等到身体处于抛物线顶点、竖直方向的速度分量为零时，开始扭动身体。但仰泳的情况则不同，由于起始速度要慢很多，运动员会等到过了抛物线顶点，开始下落时才摆动身体。

03 如何实现轨迹优化？

该项目的终极目标，是帮助游泳运动员在起跳环节的前15米（比赛中规定必须在15米之内出水）及转向时优化轨迹。Rémi Carmigniani的团队成员Charlie Prétot写了一篇以此为重点的论文。运动员是否该潜泳至临近15米时才浮出水面？为了解开谜团，研究人员对2022年世锦赛100米自由泳亚军Maxime Grousset进行了长达一年左右的监测，发现当他在11至12米的地方出水时，起跳效果最好。自立项以来，研究人员已经对大约20名游泳运动员的300多次起跳和转向进行了分析。

“自立项以来，研究人员已经对大约20名游泳运动员的300多次起跳和转向进行了分析。”

在视频分析时，研究人员使用了骨骼标记，观测游泳运动员的头、手、肩膀、胸骨、肘部、手腕、膝盖和脚踝的移动情况，还开发了神经网络，自动追踪运动员在前15米的起跳、转向和游泳状态。

04 共聚塞纳河畔

2024年巴黎奥运会期间，公开水域游泳比赛将在塞纳河上举办。这一盛事吸引了多个研究项目的注意。部分研究人员锁定了沙图（巴黎郊区）一条长达80米的运河，旨在分析人们在河里游泳时，对彼此之间的影响。该项目将利用比例模型，根据游泳运动员的位置来分析他们所产生的波浪如何影响其他运动员。与自行车比赛一样，游泳运动员可以利用对手产生的吸力来摆脱落后局面，甚至干扰他人。研究工程师Baptiste Bolon正在负责这一项目，他也是Carmigniani团队的成员之一。

另一个项目由法国国立路桥学校（école des Ponts）的学生Marion Cocusse带领团队开展，旨在研究塞纳河的流速和水温，以帮助2024年即将参加法国公开水域游泳比赛的运动员。2008年北京奥运会期间，公开水域游泳比赛重返大众视野， 2024年的巴黎奥运会是继2008年后第二次拥有将成为首次在河流中举办这项奥林匹克赛事的盛会。学者们之所以要研究水温，是因为温度会影响氯丁橡胶和织物泳装的性能，以及比赛前两周的训练时长。这项研究也得到了欧洲开发基金的支持。

参考资料

1. R. Carmigniani, L. Seifert, D. Chollet, and C. Clanet. Coordination changes in front-crawl swimming. Proc. R. Soc. A., 476 :20200071, 2020.

2. R. Carmigniani, L. Hasbroucq, C. Prétot, R. Labbé, and C.Clanet. Physics of kayak sprints. Proc. R. Soc. A., 476, 2021.

3. MJ Lighthill. Note on the swimming of slender fish. Journal of fluid Mechanics, 9(2) :305–317, 1960.