Physikalische Gesetzmäßigkeiten im Schwimmsport

Mit physikalischen Gesetzten wird versucht, die einzelnen Schwimmstile noch weiter zu verbessern und zu optimieren. Dazu zählen statischer Auftrieb, hydrodynamischer Auftrieb und die verschiedenen Möglichkeiten sich im Wasser fortzubewegen. Sie bedient sich den biomechanischen Prinzipien und der Physik.

Fast jeder Mensch schafft es, ohne Auftriebshilfe an der Wasseroberfläche zu treiben. Dieser scheinbare Gewichtsverlust ist auf den statischen Auftrieb zurückzuführen.

Bsp. taucht ein Körper ins Wasser ein, verdrängt er eine bestimmte Wassermasse. Dabei wirkt auf diesen Körper eine Auftriebskraft (statische Auftrieb).

• Der statische Auftrieb entspricht der Gewichtskraft, die der Körper an Wassermasse verdrängt
• Der statische Auftrieb ist der Gewichtskraft entgegengesetzt. (aufwärts)

Bsp. Im Wasser ist es möglich einen gehockten Schwimmer mühelos durch eine deutlich schwächere Person anheben zu lassen. Hebt man nun Körperteiles des Getragenen aus dem Wasser, nimmt der statische Auftrieb ab, und das Anheben wird erschwert.

Durch Tiefes Einatmen vergrößern sich das Lungenvolumen und somit auch das gesamte Körpervolumen und der statische Auftrieb wird dadurch vergrößert.

Bsp. Ein sich in der Schwebe befindender Schwimmer atmet aus, und sinkt zu Grund.

Ausschlaggebend für den Auftrieb des Körpers im Wasser ist demzufolge das spezifische Gewicht (Dichte des Körpers). Je größer die Dichte des Körpers, desto mehr sinkt der Körper im Wasser ab. Sportler mit schweren Knochen und vielen Muskeln besitzen eine größere Dichte und sinken deutlich stärker ab, und haben dadurch Nachteile beim Schwimmen. Frauen besitzen im Vergleich zu Männern mehr Unterhautfettgewebe, und haben somit einen größeren statischen Auftrieb und eine bessere Wasserlage.

Die Wasserlage ist ausschlaggebend für schnelles und langes Schwimmen. 2 physikalische Angriffspunkte sind bei der richtigen Wasserlage von Bedeutung. Zum einen der Körperschwerpunkt (KSP) und der Volumenmittelpunkt (VMP). Der KSP des Menschen befindet sich etwa in Bauchnabelhöhe und ist Angriffspunkt für die nach unten gerichtete Gewichtskraft. Der VMP ist Angriffspunkt für den statischen Auftrieb und liegt auf Grund des voluminösen Brustkorbs etwa in Brusthöhe. Im Wasser verlagern sich KSP und VMP übereinander. Bsp. Eine Quader (halb Styropor, halb Eisen) liegt nicht auf der Wasseroberfläche, sondern die Metallhälfte sinkt, und der Quader steht Senkrecht, mit der Styroporseite nach oben.

Ähnlich wie bei dem Quader funktioniert dieses Prinzip mit dem menschlichen Körper. KSP und VMP nähern sich aneinander an und als Folge sinken die Beine ab und der Körper steht zunehmend senkrecht im Wasser.

Wichtig! Zu tief im Wasser hängende Beine erzeugen keinen Vortrieb und erhöhen den Wasserwiderstand, also à Beine an die Oberfläche.

Um das Absinken der Beine zu vermeiden empfiehlt es sich einerseits beim Schwimmen mit einer Zwerchfell/ Bauchatmung anstatt Brustatmung zu arbeiten, damit der VMP möglichst nah am KSP gehalten wird, und andererseits den Kopf im Wasser zu lassen und die Arme weit nach vorne zu strecken. Dies hat eine Verschiebung des KSP kopfwärts in Richtung VMP zur Folge.

Bei einem im Wasser bewegten Körper entstehen verschiedene komplizierte Effekte, die zum Verständnis des Schwimmens erläutert werden müssen.

Im Wasser entstehende Kräfte werden in bremsend und antreibend unterschieden.

Der Gesamtwiderstand, der dem menschlichen Körper im Wasser entgegenwirkt, setzt sich aus drei Formen zusammen:

Der Reibungswiderstand entsteht dadurch, dass an der Haut des Schwimmers einzelne Wasserpartikel ein gewisses Stück mitgezogen werden (Grenzschichtströmung). Mit zunehmender Entfernung vom Schwimmer nimmt diese sog. Haftreibung ab. Abhängig ist dieser Reibungswiderstand von der Oberflächenstruktur, weshalb in den letzten Jahren im Schwimmsport zunehmend mit reibungsarmen Schwimmanzügen geschwommen wird.

Der für den Schwimmsport wichtigste Widerstand ist der Formwiderstand. Hierbei werden Wasserpartikel gegen die Bewegungs-/ Schwimmrichtung bewegt und wirken auf den Schwimmer bremsend. Der Formwiderstand hängt von der Körperform und den Wasserverwirbelungen im Nachlauf ab. Siehe Körperformen und Strömung.

Als letzter Widerstand kommt es beim Schwimmen zu einem sog. Wellenwiderstand. Einfach erläutert bedeutet dies, dass durch Schwimmen und Gleiten, Wasser gegen die Schwerkraft angehoben werden muss. Wellen entstehen. Abhängig ist dieser Widerstand von der Wassertiefe, was sich immer mehr Schwimmer zu Nutze machen und die Gleitphasen in wesentlich tieferem Wasser absolvieren.

Der Hydrodynamische Auftrieb wird anhand der Tragfläche eines Flugzeuges deutlich erkennbar. Die Tragflächenbeschaffenheit eines Flugzeugs ist so angelegt, dass die umströmte Luft unterschiedlich lange Wege an den Tragflächenseiten zurücklegt. Da die Luftpartikel hinter der Tragfläche wieder zusammenkommen müssen die Tragflächenseiten unterschiedlich schnell umströmt werden. Und zwar: oben schneller und unten langsamer. Dadurch entsteht unterhalb der Tragfläche ein Staudruck und über der Tragfläche ein Sogdruck. Also Folge hebt das Flugzeug ab.

Gleiches, jedoch nicht in so perfekter Weise geschieht mit dem Schwimmer im Wasser.

Verdeutlicht wird dieser Auftrieb durch folgendes Beispiel. Legt man sich flach in Wasser sinken die Beine relativ schnell ab. Wird man nun jedoch konstant von einem Partner durch Wasser gezogen, bewirkt der hydrodynamische Auftrieb, dass die Beine an der Wasseroberfläche gehalten werden.

Die Wirkungsrichtung im Schwimmsport wird wie folgt unterteilt:

Widerstand: Gegen die Schwimmrichtung

Hydrodynamischer Auftrieb: Senkrecht zur Schwimmrichtung

Antrieb: In Schwimmrichtung

Nicht wie früher angenommen die Stirnfläche eines Körpers, sondern das Verhältnis von Stirnfläche zu Körperlänge spielt bei dem Widerstand im Wasser die bedeutendste Rolle.

Man kann sich dies am folgenden Beispiel verdeutlichen.

Zieht man einen Teller, und einen Zylindern mitgleicher Stirnfläche durch Wasser, ist zwar der Wasserwiderstand vor dem Körper gleich groß, die Verwirbelungen im Nachlauf sind jedoch erheblich unterschiedlich.

Der Begriff Stirnwiderstand ist daher nicht ganz korrekt, da die Verwirbelungen im Nachlauf den Körper stärker bremsen.

Neusten Erkenntnissen zu Folge besitzen die spindelförmigen Strukturen der Pinguine die geringsten Verwirbelungen im Nachlauf. Fische mit diesen Körperformen zählen zu den schnellsten Schwimmern.

Ein Beispiel zur Rückströmung:

Ein durchs Wasser laufender Mensch zieht einen an der Wasseroberfläche gehockten Partner durch die entstehende Sogwirkung hinter sich her.

Antrieb im Wasser kann durch Formveränderung des Körpers (Flossenbewegung bei Fischen) oder durch Antriebserzeugende Konstruktionen (Schiffschraube) erfolgen. Bei beiden Methoden wird Wasser in Bewegung versetzt und wirkt somit auf den schwimmenden Körper zurück. Die Wechselseitige Rückwirkung bezeichnet man als Widerlager.

Im Folgenden werden die drei Prinzipien für die Fortbewegung im Wasser näher erläutert.

1. Druckpaddel- Prinzip:
Bsp. Entenfüße: Hierbei werden die Füße der Enten senkrecht zur Bewegungsrichtung (nach hinten) bewegt. Auf der Rückseite entsteht ein Unterdruck (Totwasser), der den Schwimmenden Körper bremst. Viel Energie ist notwendig und der Vortrieb ist gering.

2. Rückstrahl- Prinzip:

Bsp. Tintenfisch: Der Tintenfisch sammelt Wasser in seinem Körper und stößt es durch einen engen Kanal wieder aus. Dadurch erfolgt ein Antrieb auf den Körper

3. Undulations- Prinzip:

Bsp. Delphin: Hinter jedem Körper treten rotierende Wassermassen im Nachlauf auf. Diese rotierenden Wassermassen sind in den meisten Fällen jedoch ungeordnet und wirken bremsend. Bei Delphin werden die Wassermassen durch eine Körperwelle geordnet und können somit für den Vortrieb nützlich sein. Diese geordneten Wassermassen werden Vortex genannt. Beim Schwimmsport ist es jedoch sehr schwierig durch eine Körperbewegung die Wassermassen in eine geordnete Rotation zu versetzen. Im Leistungsbereich ermöglicht es jedoch sehr hohe Schwimmgeschwindigkeiten.

Konventionelles Antriebskonzept:

Beim konventionellen Antriebskonzept werden die zum Antrieb eingesetzten Körperteile gradlinig und entgegengesetzt zur Schwimmrichtung bewegt (actio = reactio). Dabei werden große Wassermassen mit zunehmender Geschwindigkeit aber geringen Vortrieb bewegt (Schaufelraddampfer).

Klassisches Antriebskonzept:

Antrieb mittels hydrodynamischen Auftriebs (Vergleich zur Schiffsschraube).

Dieses Antriebskonzept ist jedoch kontrovers, da die Schiffschraube immer von der gleichen Seite mit Wasser angeströmt wird und die Handflächen beim Schwimmen nicht. Außerdem funktioniert dieser Antrieb erst nach einer gewissen Lauflänge, der Armzug beim Schwimmen beträgt jedoch nur 0,6- 0,8 m.

Vortex- Antriebskonzept: (derzeitig angewandtes Modell)

Die rotierenden Wassermassen im Nachlauf der Füße und Hände haben in den letzten Jahren als Widerlagerproduzent immer mehr an Bedeutung gewonnen.

Ein Vortex entsteht, wenn sich Wassermassen vom Stau zum Sogbereich bewegen. Es wird versucht, viel Wassermasse auf einem kleinem Raum unterzubringen, vergleichsweise mit dem zusammenrollen eines Teppichs. Der Vortex tritt hinter den Füßen als Walzenform, und hinter den Händen als Zopfform auf.