Vedessä liikkumisesta, osa 3 – Vedessä liikkumisen mestarit


Aloitetaan tämä kalajuttu toteamalla ensin itsestään selvä, mutta tärkeä asia: Ihminen ei ole kala tai delfiini tai mikään muukaan vedessä elämiseen miljoonien vuosien aikana sopeutunut eläin, ei edes lähellä sellaista. Sen sijaan eläimenä ihminen on planeetan paras kestävyysjuoksija, jonka eräs heimo (uimareiksi kutsuvat) koettaa kamppailla biologiaa ja todennäköisyyksiä vastaan treenaamalla itseään mahdollisimman vikkeliksi vedessä etenijöiksi (kilpauinniksi kutsuvat). Tähän urhoolliseen haasteeseen, biologiastamme huolimatta, voimme saada paljon hyviä ajatuksia vedessä elämään sopeutuneilta eläimiltä.

Kaloilla on lajeista riippuen erilaisia strategioita pienentää veden vastusta ja saada aikaan propulsiota (työntövoimaa). Undulaatio tarkoittaa sitä, että propulsion aikaan saava aaltomainen liike kulkee koko ruumiin läpi kohti evää. Oskillaatio tarkoittaa puolestaan sitä, että propulsion aikaan saava aaltoliike rajautuu ruumiin takaosaan. Nämä liikkumisen muodot muodostavat kuvan 1 kaltaisen karkean jatkumon, jossa vasemmassa laidassa olevilla lajeilla ruumis tekee propulsion aikaan saamiseksi isoa, aaltoilevaa liikettä, undulaatiota. Liikkeen tuottamiseen osallistuva osa ruumiista on väritetty mustalla. Jatkumon oikeassa laidassa olevilla lajeilla propulsio saadaan aikaan lähinnä ruumiin takaosassa tapahtuvalla oskillaatiolla. Välissä löytyy sitten välimallin strategiat.

Kuva 1. Erilaisia vedessä liikkumisen muotoja jatkumona. (Sfakiotakis ym. 1999, ylempi muokattu Lindsey 1978, alempi otettu Lindsey 1978 )

Nopeimmat vedessä liikkujat, kuten tonnikalat, kuuluvat tuohon lähempänä oskillaatiota olevaan Thunniform luokkaan. Tuossa liikkumisen muodossa on etuna muotovastuksen minimointi pienenä pysyvän etupinta-alan ansiosta sekä evän taakse muodostuvien pyörteiden hyödyntäminen, josta lisää hieman myöhemmin tekstissä. Haittana on evän liikkeestä johtuva takapotku eli rekyyli muualle ruumiiseen, joka pitää tasapainottaa muun muassa etuevillä. Anguilliform luokan liikkujilla, kuten ankeriailla, ei ole tuota rekyylin haittaa, koska ne muodostavat aallon koko vartalollaan tasapainottaen näin siihen kohdistuvat voimat.

Ihminen on delffareineen vertailuissa jossain tuolla Subcarangiform – Carangiform luokkien akselilla. Kehomme liikkuvuus ei ole ankeriaan luokkaa eivätkä jalkaterämme aivan käy tonnikalan pyrstöstä. Nuo luokat tarjoavat kuitenkin mielenkiintoisen jatkumon ajatella ja treenata delffareita. On esitetty myös, että ihmisellä liukuasennossa olevat kädet ja ylävartalo toimivat tärkeässä roolissa tukevana alustana, josta varpaita kohti kulkeva vartalon aalto saa alkunsa. Lisäksi ylävartalo voi toimia tuon potkusta aiheutuvan rekyylin tasapainottajana. Nämä tekijät auttavat voimakkaamman potkun aikaan saamisessa.

Sitten tuohon kilpauintiin kiinteimmin liittyvään eläimeen, eli delfiiniin. Delfiini ei eroa ihmisestä sen kyvyssä tuottaa tehoa: Kykenemme tuottamaan suunnilleen saman verran tehoa per kilo lihasta. Delfiinin hydrodynaaminen muoto on kuitenkin aivan toista luokkaa ihmiseen nähden, muotovastuksen aiheuttava paine-ero pysyy pienenä sen etu- ja takaosan välillä. Delfiini on myös tuon Thunniform luokan vedessä liikkuja, eli propulsio syntyy ruumiin takaosassa pyrstön avulla etuosan pysyessä suhteellisen vakaana.

Uidessaan delfiini käyttää propulsion aikaan saamiseksi hyväkseen pyrstön aikaan saamia pyörteitä (kuva 2). Kun pyrstö liikkuu ylöspäin, muodostuu pyrstön alapuolelle paine-eron seurauksena pyörre, jonka pyörimisliikkeeseen on varastoituna liikemäärää. Kun delfiini tuo pyrstönsä nopeasti alaspäin ja lyö tuota pyörrettä, saa se käyttöönsä osan tuosta liikemäärästä ja sinkoutuu näin eteenpäin. Lisäksi alaspäin liikkuvan pyrstön alapuolelle on muodostunut toinen pyörre, jota vasten delfiini pääsee lyömään ylöspäin ja niin edelleen. Muodostuu pyörresysteemi, jota voi hyödyntää propulsion tuottamisessa. Lisäksi kun delfiini pysäyttää muodostuneen pyörteen lyömällä pyrstöllään sitä vasten, jää sen takana oleva turbulenttinen alue pienemmäksi ja veden vastus pienenee. Mitä nopeammin pyörre pysäytetään, sen enemmän siitä saa vauhtia. On hieman epäselvää, minkälaisia pyörresysteemejä ihminen saa delffareilla aikaiseksi. Kuitenkin näyttää siltä, että näistä pyörteistä hyötyäkseen on delffarin oltava piiskamainen ja suunnanmuutoksissa nopea, jotta muodostunutta pyörrettä pääsee potkaisemaan ja näin ollen mahdollisesti hyödyntämään propulsiossa.

Kuva 2. Pyörresysteemi delfiinin pyrstön takana. (Ungerechts ym. 1998)

Oma näkemykseni tästä koko vesieläinten ja ihmisten vedessä liikkumisen vertailusta on se, että siitä syntyneet ajatukset ja mielikuvat ratkaisevat. Esimerkiksi noiden pyörteiden kuvitteleminen delffareihin on hyvä keino nostaa frekvenssiä ja saada samalla potkuun voimaa. Erilaisten kalojen liikkumistyyleistä otettujen ideoiden kokeileminen on hauskaa. Vesieläinten liikkumisesta lukeminen ja sen katsominen voi avata uusia ajatuksia uintitekniikkaan. Kilpauinnin oppilas oppii mielellään vedessä liikkumisen todellisilta mestareilta.     

Lähteet:

Connaboy, C., Coleman, S., McCabe, C., Naemi, R., Psycharakis, S., Sanders, R. 2007. Tadpole, Trout or Tuna: The Equivalence of Animal and Human Aquatic Undulatory Locomotion. XXV ISBS Symposium 2007, Ouro Preto – Brazil

Connaboy, C., Coleman, S., Sanders, R. H. 2009. Hydrodynamics of undulatory underwater swimming: A review. Sports Biomechanics 8(4), 360-380

C. C. Lindsey, “Form, function and locomotory habits in fish,” in Fish Physiology Vol. VII Locomotion, W. S. Hoar and D. J. Randall, Eds. New York: Academic, 1978, pp. 1–100.

Sfakiotakis, M., Lane, D. M., Davies, J. B. C. 1999. Review of Fish Swimming Modes for Aquatic Locomotion. IEEE Journal of Oceanic Engineering 24(2)

Triantafyllou, M. S., Triantafyllou, G. S. 1995. An Efficient Swimming Machine. Scientific American 3, 64-70

Ungerechts, B. E., Daly, D., Zhu, J. P. 1998. What dolphins tell us about hydrodynamics. J Swimming Research 13, 1-7