Vedessä liikkumisesta, osa 1 – Muotovastuksen kahdet kasvot


Kaikilla meillä uinnin pariin hakeutuneilla tai ajautuneilla on erityinen suhde veteen ja siinä liikkumiseen. Siitäkin huolimatta, että kehomme ei todellakaan ole viritetty vedessä nopeasti liikkumista varten. Ainoat vähänkään vedessä etenemiseen sopivat rakenteet ovat kämmenet, kyynärvarret ja jalkaterät, eli pinta-alaa, jolla kauhoa, on melko rajatusti. Mikä tekee vedessä liikkumisesta niin erityistä ja meille sen parissa arkeamme viettäville niin rakasta? 

Aloitetaan itse vedestä ja sen luonteesta. Vesi on ilmaa noin 1000 kertaa tiheämpi, semisolidiksi luokiteltava aine, jonka pinnalla ihminen kelluu lähinnä keuhkoissa olevan ilman ansiosta. Tuo painottomuuden ja kellumisen tunne on varmasti yksi syy veden viehätykselle. Iso tiheys tuo mukanaan tietenkin myös ison vastuksen. Veden vastus jaetaan yleensä kolmeen eri luokkaan: muotovastukseen, kitkavastukseen ja aaltovastukseen. Näistä vastuksen tyypeistä muotovastus on todennäköisesti merkittävin ja siksi tämän tekstisarjan ensimmäisen osan pääroolissa.

Muotovastuksen ymmärtämiseksi on sukellettava hetkeksi erilaisten virtausten ja veden paine-erojen maailmaan. Häiriöttömässä tilanteessa, kuten tyynessä altaassa tai siistissä virtauksessa, vesimolekyylit ovat järjestäytyneet tiiviisti toistensa päälle ja viereen, pakkautuen näin mahdollisimman tiiviisti. Tällaista virtausta sanotaan laminaariseksi. Tällaisessa tilanteessa veden paine on suuri, johtuen tuosta vesimolekyylien siististä ja tiiviistä järjestäytymisestä. Jos tällaista laminaarista virtaa häiritään, vaikkapa uimarin uidessa tuollaiseen häiriöttömään kohtaan, sotkeutuu vesimolekyylien siisti ja tiivis järjestys. Virrasta tulee tällöin turbulenttista, eli vesimolekyylit sinkoilevat erilaisissa pyörremuodostelmissa minne sattuu. Veden paine on tällaisessa turbulenttisessa virtauksessa pienempi, koska vesimolekyylit eivät ole pakkautuneet niin siististi ja tiiviisti kuin laminaarisessa tilanteessa. Eli laminaarinen virtaus = korkea paine vedessä, turbulenttinen virtaus = matala paine vedessä.

Altaassa etenevän uimarin näkökulmasta hänen edessään sijaitsee siis laminaarinen virtaus ja hän jättää jälkeensä turbulenttisen virtauksen. Veden paine on siis erilainen uimarin etu- ja takapuolella. Kuten moni muukin asia luonnossa, pyrkii vesi virtaamaan korkeamman paineen alueelta matalamman paineen alueelle, luoden liikkuvan uimarin tapauksessa vastavirran. (Kuva 1) Uimarin voisi ajatella jättävän jälkeensä ikään kuin turbulenttisesta vedestä muodostuvan kuopan, joka pyrkii täyttymään. Mitä suurempi turbulenttinen alue uimarin takana, sitä voimakkaampi tuo vastavirta on. Tuon turbulenttisen alueen kokoon vaikuttaa uimarin etupinta-ala: Mitä virtaviivaisemmassa asennossa uimari etenee, sitä pienemmän turbulenttisen virran ”kuopan” hän jättää jälkeensä ja näin ollen pienentää muotovastustaan. Uimarin nopeus vaikuttaa myös suuresti muotovastukseen, se nimittäin kasvaa nopeuden neliöön, eli nopeuden kaksinkertaistuessa muotovastus nelinkertaistuu.

Kuva 1. Vesi pyrkii virtaamaan korkeamman paineen alueelta matalamman paineen alueelle, luoden ikään kuin vastavirran etenevälle uimarille

Muotovastuksen pienentäminen minimiin on siis ratkaisevan tärkeää vauhdikkaan uinnin metsästyksessä. Mutta asia ei tietenkään ole näin yksinkertainen. Kaikki mahdollisimman tiukasta liukuasennosta poikkeavat liikkeet nimittäin lisäävät muotovastusta, myös käsivedot ja potkut, joiden avulla tuo vauhdikas uinti pitäisi saada aikaiseksi. Kilpauinnin olemuksessa onkin syvällä nimenomaan tämä tasapainottelu: Vähentääkö muotovastusta vai lisätäkö propulsiivista (eteenpäin vievää) voimaa? Molempia et voi saada kerralla. Propulsiivisia voimia tuotetaan uinnissa nimittäin pitkälti Newtonin kolmannen, eli voima-vastavoima, lain mukaan: Kun vesimolekyylejä vasten tuottaa voimaa vaikkapa kämmenellä, tuottavat vesimolekyylit kämmeneen yhtä suuren, mutta vastakkaissuuntaisen voiman. Tästä seuraa tietenkin, että voimaa tulee tuottaa eteenpäin haluavan uimarin näkökulmasta takaviistoon* ja jotta tuo onnistuu, on kämmen asetettava poikittain virtaan nähden, jolloin se taas vastustaa huomattavasti.

Tehdäkö isoa vai pientä delffaria? Onko leveämpi vai kapeampi rintauinnin potku parempi? Vetääkö veto suoremmalla vai koukummalla kädellä? Nämä kaikki pohdinnat liittyvät tuohon voima-vastus tasapainotteluun. Suuremman voiman tuottava vaihtoehto tuottaa yleensä myös suuremman muotovastuksen. Tilannetta voisi hieman yksinkertaistaa tarkastelemalla uimaria eri perspektiiveistä. Veden alta edestäpäin katsottuna näkee kaikki muotovastusta aiheuttavat asiat tekniikassa: Kuinka suuri on etupinta-ala ja mistä se muodostuu? Takaa päin tarkasteltuna näkee taas kaikki takaviistoon suunnatut pinta-alat, jotka tuottavat propulsiivisia voimia. Hydrodynaamisen kolikon kaksi eri puolta. Muun muassa tämän tasapainottelun vuoksi kilpauinti on niin kiehtovaa. Tekniikka-vaihtoehtoja on joka lajissa lukuisia ja monet niistä liittyvät juuri tuohon tasapainotteluun. Tämä avaa uimareille mahdollisuuden käyttää omia vahvuuksiaan hyödyksi laajalla skaalalla. Ja pitää pelin mielenkiintoisena.

    

* Veden rakenteen vuoksi on takaviistoon tässä parempi termi kuin taaksepäin. Jos vedon suuntaa voimalla suoraan taaksepäin, lähtevät vesimolekyylit kämmenen alta karkuun. Tämän vuoksi vedossa tulee olla pientä kulman vaihtelua ja pientä sivuttaisliikettä, jotta löytyy vettä, joka ei ole vielä liikkeessä taaksepäin. Överiksi ei tietenkään tule vetää tuota sivuttaisliikettä vastuksen lisääntymisen ja vetoon kuluvan ajan vuoksi.

Lähteet:

Colwin, C, M. 1992. Swimming Into the 21st Century. 1. Painos. Champaign, IL: Human Kinetics                  Publishers, Inc

Maglischo, E. W. 2003. Swimming fastest. Human Kinetics: USA

Naemi, R., Easson, W. J., Sanders, R. H. 2010. Hydrodynamic glide efficiency in swimming.                         Journal of Science and Medicine in Sport 13, 444-451

Rushall, B. S., Holt, L. E., Springs, E. J., Cappaert, J. M. 1994. A Re-evaluation of Forces in                          Swimming.    Journal of Swimming Research 10, 6-30.

Vennell, R., Pease, D., Wilson, B. 2006. Wave drag on human swimmers. Journal of Biomechanics                3 664-671