部落格

水中划手時的升力 vs. 阻力

若把泳者在水中的「水平」前進力量「→」拆解成兩個向量，分別是代表斜向上「↗」的升力（Lift），以及斜向下「↘」的阻力（Drag）。

這兩種 force，同時具有「方向」與「大小」兩種屬性，所以皆為向量。

在確定游泳選手水下划臂各階段所產生的升力與阻力「方向」時，困難不大，因為阻力的作用方向與手部運動方向相反，升力則垂直於阻力方向。

最大的困難在於如何確定這兩種力的「大小」。

這兩種力的大小以其向量的長度來表示。若升力較大，其向量便按比例畫得較長；若推進力以阻力為主，則阻力向量的箭頭較長。

附上《Swimming Fastest》一書中的圖 1.13：
a）由「升力」主導前進的動力
b）由「阻力」主導前進的動力

對游泳選手而言，該以升力，還是阻力主導比較好呢？

這個問題，曾經讓游泳科學界爭論了將近半個世紀。有一派理論認為，游泳選手的手臂像飛機的機翼一樣，主要是靠「升力」在水中產生推進；另一派則主張，推進力的核心是「阻力」，也就是像划槳一樣，撐在水中移動船隻。
現在，證據已經相當清楚了：游泳推進力以阻力為主導。而且，技術嫻熟的游泳選手會憑直覺選擇划臂方向與「手掌角度」（angle of attack），以最大化阻力的產生（讓手掌形成穩定支撐），從而像使用划槳一樣把身體向前划動。

★ 手掌角度（angle of attack）：手掌的掌面與水平面所形成的夾角。

 

▎石膏手的實驗

Schleihauf 在一九七九年做的實驗很有趣，他將一具游泳選手手部的石膏模型懸置於水槽中，以每秒 2.13 公尺的定速讓水流推過，並以 10 度為增量，將手掌角度從 0° 調整至 90°，逐一測量升力係數與阻力係數。

結果如下：
▹ 手掌角度在 10°～30° 之間，升力係數高於阻力係數
▹ 手掌角度在 40° 時，兩者大致相當
▹ 手掌角度超過 40° 之後，阻力係數開始主導

多數游泳選手在至少三種競技泳姿的加速階段，水下划臂時的手掌角度介於 50°～70° 之間。由此可見，游泳選手傾向選擇能最大化「阻力」產生的手掌角度，而非追求升力最大化。

這不是巧合，更是頂尖選手直覺所呈現出來的量化結果。

★ 圖 1.14　懸置於水槽中的石膏手模型所測得的升力係數與阻力係數直條圖。圖中數值為在 0°～90° 各手掌角度下所量測出來的平均值。（摘自：Schleihauf，1979）

 

▎三組研究的數據，說得更直接

如果說用係數來比較還留有詮釋空間，那麼用升力與阻力的絕對值來呈現，就更清楚了。

▹ Berger、de Groot 與 Hollander 以每秒 0.3 至 3 公尺的速度在水中拖曳手部模型，發現在所有不同的手掌角度下，阻力的絕對值均遠超升力。

▹ 即使在 20°～40° 的角度範圍內，阻力仍略超升力的 2 倍；更大角度下，阻力為升力的 3 倍以上。Cappaert 的研究更直接：在她測量的手掌角度範圍內，平均阻力約為平均升力的 6 倍：阻力 17.5 牛頓，升力僅 3.2 牛頓（Maglischo, 2003, 頁 24）。

▹ Bixler 估算了其手臂模型在各手掌角度下所能產生的推進力，計算結果顯示，在游泳選手最常用的手掌角度下，阻力約佔推進力的 70%。升力在特定條件下確實存在貢獻，但整體而言，它是配角，不是主角。研究結果也顯示，當手掌角度介於 60°～90°，也就是手掌近乎垂直於運動方向時，所產生的推進力最大。

 

▎技術高超的游泳選手們的身體，早就知道了

❝ 技術高超的游泳選手會憑直覺選擇划臂方向與手掌角度，以最大化阻力的產生，從而像使用划槳一樣以手臂向後推水。❞（Maglischo, 2003）

書中的這句話讓我印象深刻。不是因為它是什麼革命性的發現，而是因為它所代表的意義：優秀的選手，早就用身體感知到了科學後來才證明的事情。

游泳的推進，是靠手掌在不同的位置上找到正確的角度，像一位優秀的划船選手，能在正確的角度把槳插入水中，使船身向前推進；而泳者則是把身體往前拉。

我認為，對一般訓練者而言，「手掌角度」這個概念與上述研究給我們的啟示是：
❶ 入水後，手掌不要急著轉向
❷ 水中划手到了適當的位置，進入主要的加速階段後，手掌應接近垂直於運動方向，約為 60°～90°，才能使手上的阻力（支撐力／水感）最大化

升力不是不重要，它在入水與抓水階段確實有助於身體在另一隻手提臂的階段維持上浮與平衡；然而，數據證實加速度主要來自於手掌角度 60°～90° 時的阻力（支撐力）。
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📚 參考資料
▹ Maglischo, E. W. (2003). Swimming fastest. Human Kinetics.

▹ Schleihauf, R. E. (1979). A hydrodynamic analysis of swimming propulsion. In J. Terauds & E. W. Bedingfield (Eds.), Swimming III (pp. 70～109). University Park Press.

▹ Berger, M. A. M., de Groot, G., & Hollander, A. P. (1995). Hydrodynamic drag and lift forces on human hand/arm models. Journal of Biomechanics, 28(2), 125～133. https://doi.org/10.1016/0021-9290(94)00053-7

▹ Cappaert, J. (1992). Swimming hydrodynamics [Unpublished manuscript]. United States Olympic Committee.

▹ Bixler, B. S. (1999). The computational fluid dynamics of a swimmer's hand. In K. L. Keskinen, P. V. Komi, & A. P. Hollander (Eds.), Biomechanics and medicine in swimming VIII (pp. 45～50). Gummerus Printing.