Simningens Fysik I: Lexikon i Flödesmekanik – Allmän Mekanik

För att du ska förstå din simning till fullo är det av vikt att förstå de naturvetenskapliga variablerna. Det här är den första av två texter som beskriver dem. I den första behandlas allmän mekanik och i den andra behandlas flödesmekanik speciellt.

Krafterna som påverkar simmaren är väldigt komplexa och för att förstå hur simrörelsen går till krävs kunskap inte bara om hur simmaren rör sig utan även om vilka egenskaper vattnet har. Under 1900-talet fokuserade simforskningen mest på hur simmaren rörde sig och mindre på vattnets rörelser. Som tur är lever vi på 2000-talet.

För den som tycker det är för mastigt och för krångligt kan följande argumentation vara till nytta: * Att förstå vetenskapen förhindrar dig från att bli vilseledd  av en självpåtagen expert som inte vet vad som är bäst för dig. * Att förstå vetenskapen gör det lättare att undvika “trial and error”. Speciellt error-fasen kan vara otäck. * Att förstå vetenskapen gör det lättare att gå vidare och upptäcka nya saker.

Nedan är iallafall en lista på den nomenklatur som hjälper oss att förstå kroppens rörelser i simningen.

Rörelse Aristoteles lärde ut att de jordiska tingens naturliga tillstånd var vila. Min erfarenhet är att det inte gäller triathleter och multisportare. Inom simningens fysik menas processen där ett objekt ändrar sin position i det omgivande mediet – i det fallet simning tillägnas forskningen och fysiken nästan till all del vatten och inte de rörelser av simcykeln som utövas över vattenytan.

Fart är hastigheten med vilken en kropp förändrar sitt läge per tidsenhet. Fart är en skalär enhet och kan mätas med ett enda tal. När man testar mäts simmarens fart vanligen i meter per sekund. Farten kan mätas momentant eller i genomsnitt över en sträcka eller tid. Det enklaste sättet att mäta farten på en tävling är att slå på klockan när loppet startar och stänga av den när simmaren når målet.

Hastighet (v) är fart i en speciell riktning. Termen v står för engelskans velocity. Enheten är meter per sekund. Snabba simhastigheter kommer upp till 2,4 m/s som när Roland Schoemann simmar 50 meter frisim en bit under 21 sekunder. Hastighet (momentanhastighet) är en vektor eftersom den har både storlek (fart) och riktning. Enligt Isaac Newtons tre rörelselagar är en kropps hastighet konstant om inga yttre krafter verkar på den. Av vikt är att hastigheten just är åt en speciell riktning: den som är det kortaste avståndet mellan de två punkter simmaren vill ta sig mellan.

Medelhastighet avser vanligtvis tidsmedelvärdet av fart,  där banan inte nödvändigtvis är rak. Medelfarten är lika med längden på  avlagd sträcka delad med tidsintervallet. Vid flöden kan man tala om  medelhastigheten vid en viss tidpunkt.

Acceleration (a) är den storlek med vilken hastigheten förändras per tidsenhet. Den kan vara positiv och indikera en hastighetsökning eller den kan vara negativ och indikera en hastighetsminskning. I simningen finns den här variabeln såväl exempelvis i en start som för extremiteter inom ett drag. Acceleration i förhållande till gravitationen (g) väger in gravitationskonstanten 9.8146 ms² i hastighetsförändringen.

Kraft (F) produceras eller producerar rörelse eller ändring i rörelse av kroppar. En framåtdrivande kraft orsakar rörelse och en motståndskraft hindrar rörelse. F står för engelskans force. Begreppet kraft infördes av tidigare nämnda Newton som formulerade sina tre rörelselagar så här.

1. En kropp utan yttre kraftpåverkan förblir i sitt tillstånd av vila eller likformig, rätlinjig rörelse.
2. Ändringen per tidsenhet av en kropps rörelsemängd är proportionell mot den verkande kraften och ligger i dennas riktning.
3. Mot varje kraft svarar en annan lika stor och motsatt riktad kraft,  så att de ömsesidigt mellan två kroppar verkande krafterna alltid är  lika stora och motsatt riktade.

Massa (m) anger kroppens materiainnehåll. Massan är alltid den samma oberoende av vikt.

Vikt (W) är magnituden av gravitationens kraft som drar en kropp nedåt. Massan kommer alltid att vara konstant medan vikten förändras beroende på var man är. Till exempel förändras din vikt om du är på månen eller i vattnet. Tyngdpunkt (c.g.) Förkortningen c.g kommer av engelskans centre of gravity. Det står för punkten genom vilken ett objekts vikt verkar mest. Inom idrott förändras tyngdpunkten då idrottaren rör på extremiteterna och i just simningen sker det hela tiden.

Rörelsemängd eller Linjärt Momentum (M) är produkten av ett objekts massa och hastighet. I allmänhet kan rörelsemängden uppfattas som ett mått på hur svårt  det är att ändra ett objekts rörelsetillstånd, bestämt av två faktorer:  dess massa och dess hastighet. Detta kan ses som en naturlig konsekvens  av Newtons första och andra lag. Reducerad hastighet eller massa resulterar i mindre rörelsemängd och omvänt. Rörelsemängd är en konserverad kvantitet i den betydelsen att den  totala rörelsemängden för ett slutet system (ett som inte påverkas av  yttre krafter) inte kan ändras.

Tröghet (på engelska “inertia”) definieras inom som motstånd mot rörelseförändring. Tröghet är ett komplicerat begrepp men i simningen syns det bäst i friktionen mellan simmaren och vattnet. Tröghet är en kortform för “tröghetsprincipen” som den beskrevs av Newton i hans första rörelselag.  I vanligt språkbruk används termen “tröghet” också för att kvalitativt  hänvisa till ett föremåls “benägenhet att motstå hastighetsändringar”. Något som bestäms av föremålets massa.

Tröghetsmoment är ett mått på motståndet att accelerera en kropps rotation. Tröghetsmomentet betecknas med I eller J, och används för att beskriva stela kroppars dynamik. Tröghetsmomentet har samma roll i rotationsrörelser som massa har för translationsrörelse.

Rotationshastighet eller vinkelhastighet är ett mått på hur snabbt ett föremål vrider sig. Om en punkt på det roterande föremålet ligger på avståndet r från rotationsaxeln och rör sig med hastigheten, kan rotationshastigheten beräknas som v/r. SI-enhet för vinkelhastighet är radianer per sekund per sekund. Ofta används den grekiska bokstaven ω (lilla omega) för att beteckna storheter för vinkelhastighet. Andra mått på rotationshastighet är varvtal och frekvens, antalet varv som det roterande föremålet gör per tidsenhet. Varvtal anges ofta per minut (RPM, rotations per minute) medan frekvens normalt anges per sekund (hertz).

Rörelsemängdsmoment som ibland omnämns impulsmoment är ett centralt begrepp. För en roterande kropp är rörelsemängdsmomentets förändring,  och därmed också kroppens rotationstillstånd, relaterad till momentet av de yttre krafter som verkar på kroppen. För en kropp som roterar  kring en fix punkt bestäms rörelsemängdsmomentet med avseende på punkten  av kroppens massfördelning relativt punkten och dess vinkelhastighet.

Med hjälp av de här variablerna är det lättare att förstå simningen. Men för att ha full koll på hur du som simmare ska nyttja fysikens lagar för att ta dig fram optimalt med dina simrörelser så behöver du ha insyn i vattnets fysik. Därför kommer nästa fysikartikel att behandla flödesmekanik.

Mikael Rosén, Head Coach hos Team Snabbares simpartner Human Ambition.

Se även Team Snabbares blogg