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Schwimm-Ratgeber

Wasserwiderstand

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Kategorie: Mixed
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Trainer und Schwimmer tendieren dazu, sich auf Bewegungsmuster zu fokussieren. Betrachtungen über den Widerstand des menschlichen Körpers im Wasser werden selten angestellt. Das ist fatal, da Schwimmer ihre Leistung stark verbessern können, wenn der Wasserwiderstand reduziert wird.

 Wasser hat einen starken zurückhaltenden Effekt auf Körper, die sich durch es bewegen. Es ist 1000 mal dichter als Luft. Wenn der Körper versucht sich vorwärts gegen das Wasser zu bewegen, wirken Widerstandkräfte auf den Körper zurück.  Der englische Terminus für den Widerstand von Wasser gegen die Bewegung eines Schwimmers ist drag. Diese Kräfte wirken immer entgegengesetzt zur der Bewegung des Schwimmers. Wenn Schwimmer sich vorwärts bewegen, ist die Relativbewegung des Wasser rückwärts gerichtet und bremst damit die Geschwindigkeit des Schwimmers ab.

 Die Bedeutung der möglichen Reduzierung dieser Rückhaltekräfte kann durch das folgende Beispiel verdeutlicht werden. Angenommen ein Schwimmer wendet eine durchschnittliche Kraft von 15N mit jedem Armzug auf. Ferner sei angenommen, dass der Körper einer Rückhaltekraft (RK) von 10N ausgesetzt ist. Die netto vorwärtstreibende Kraft (NK) ist dann nur noch 5N. Der Schwimmer muss also diese Netto Vorwärtskraft (NK) aufwenden, um schneller zu schwimmen. Dies könnte entweder durch Erhöhung des Kraftaufwandes oder durch Reduzierung der Rückhaltekräfte (RK) gelingen.

 Die folgenden Beispielrechnungen verdeutlichen den Zusammenhang. Sie zeigen, dass ein Schwimmer den gleichen Zuwachs an netto Vortrieb (NV) durch Erhöhung des Vortriebes (VK), Erniedrigung der Rückhaltekraft (RK) oder durch Kombination aus beidem, erreichen kann.

1. Erhöhen der Vortriebskraft:

17N VK – 10N RK = 7N NK

2. Reduzieren der Rückhaltekräfte

15N VK – 8N RK = 7N NK

3. Kombination aus beidem

16N VK – 9N RK = 7N NK

 

Erhöhung des Vortriebs erfordert verbesserte Bewegungsmuster und Training um die Zugkraft zu erhöhen. Dieser Prozeß dauert mehrere Wochen oder Monate. Die Rückhaltekräfte können in wenigen Minuten durch geänderte Körperhaltung im Wasser reduziert werden. Das Verständnis in welcher Weise diese Rückhaltekräfte vermindert werden können, erfordert ein paar Kenntnisse über Strömungen im Wasser.

Strömungslehre - Laminare und turbulente Strömungen

 Um das folgende richtig zu verstehen, sind eure bildhaften Vorstellungskräfte gefordert. Stellt euch daher das Gesagte einfach vor eurem inneren Auge vor.

 Wasser besteht aus Wasserstoff und Sauerstoff (siehe Chemieunterricht erste Oberstufenklasse). Die Moleküle fließen in gleichmäßigem Fluß, bis sie auf ein Hindernis treffen. Diese Strömungen sind in Schichten gepackt, daher der Ausdruck laminare Strömung. Wasser wird turbulent, wenn dieser gleichmäßige Fluß unterbrochen wird. Die Wassermoleküle brechen aus ihren laminaren Strömungen aus, und prallen voneinander in zufälligen Richtungen ab. Wassermoleküle, die turbulent geworden sind, dringen in andere laminare Schichten ein, und steigern somit die Turbulent, als weißer Schaum an der Oberfläche sichtbar.

 Laminare Strömungen haben denn geringsten Widerstand in ihrer Bewegung, da sich alle Wassermoleküle mit der gleichen Geschwindigkeit in die gleiche Richtung bewegen. Turbulenzen auf der anderen Seite erzeugen sehr viel größere Widerstände gegenüber Bewegungen, da durch die sich wild umherbewegenden Wassermoleküle geringfügige Druckunterschiede am sich vorwärts bewegenden Körper erzeugt werden.

 Wenn ein Schwimmer sich in Wasser vorwärts bewegt, öffnet er ein "Loch" im Wasser, durch dass er seinen Körper hindurchbewegt. Wenn ein Körper gegen ankommende laminar strömende Wassermoleküle drückt, werden diese Strömungen turbulent. Die Wassermoleküle springen ungeordnet in alle Richtungen zurück – einige Rückwärts, andere nach unten oder oben – und andere werden mit dem Schwimmer wegen der Haftreibung zwischen Wasser und Körper für eine kurze Zeit mit nach vorne getragen. Die Turbulenzen dauern an, bis der Schwimmer einen gewissen Bereich passiert hat. Danach füllt das Wasser dieses imaginäre Loch wieder auf, und laminare Strömungen werden wieder hergestellt.

 Das herumwirbelnde Wasser vor dem Schwimmer und an seinen Seiten, erhöht den Wasserdruck relativ zu den Bereichen hinter ihm. Diese Druckdifferenz bremst den Körper ab.

 Die Rückhaltekraft die auf einen Körper wirkt, ist direkt proportional der Menge an Turbulenzen die er erzeugt. Wasser wird nur gering turbulent, wenn nur wenige laminare Strömungen unterbrochen werden. Die Druckdifferenz und somit der Rückhalteeffekt wird größer, wenn viele Turbulenzen vorhanden sind.

 Wie erwähnt, füllen sich die "Löcher", die ein Schwimmer öffnet, nicht sofort wieder. Zurückbleibt also ein Bereich ähnlich einem partiellen Vakuum, in dem nur eine geringere Anzahl Wassermoleküle herumwirbelt. Diesen Bereich kann man mit "Strudel" bezeichnen. Wegen der geringeren Anzahl Wassermoleküle in dem Bereich hinter dem Schwimmer, ist der Wasserdruck geringer, obwohl das Wasser turbulent ist. Die Kombination von Druckerhöhung vor und Druckerniedrigung hinter dem Schwimmer vergrößert die Druckdifferenz zwischen vorne und hinten und ruft einen weiteren Geschwindigkeitsverlust hervor. Der Schwimmer wird also durch den höheren Druck vor ihm zurückgedrückt und durch den geringeren Druck hinter ihm zurückgezogen.

Dieser Strudelbereich wird um so größer und bleibt um so länger bestehen, wenn die Turbulenzen groß sind. Daher werden die Rückhaltekräfte auf den Körper des Schwimmers größer sein. Im Gegensatz dazu werden die Rückhaltekräfte geringer wenn die Turbulenzen geringer werden, da die Bereiche mit Strudeln kleiner werden und schneller wieder aufgefüllt werden.

Wenn ein Schwimmer im Training oder Wettkampf an einem anderen "vorbeizieht", schwimmt er zunächst eng einem vorwegschwimmenden Schwimmer. Er schlägt in das "Loch" der Strudel des Führenden. Der Druck vor dem hinten schwimmenden ist höher, als der Druck in dem Loch hinter dem führenden Schwimmer, was einen Saugeffekt, der den hinten schwimmenden vorwärts zieht. Daher ist der hinten schwimmende Schwimmer in der Lage, Geschwindigkeit mit geringerem Aufwand aufrecht zu erhalten.
Schwimmer können Kräfte sparen, indem sie im Training hinter Schwimmkameraden herschwimmen.

Was ruft den Wasserwiderstand hervor?

Es gibt drei bedeutende Faktoren, die für Turbulenzen verantwortlich sind:

  • Die Form des Schwimmers im Wasser,
  • Die Körperhaltung, und
  • Die Geschwindigkeit

Effekt der Form und der Körperhaltung

Stromlinienförmige Objekte rufen geringere Widerstände hervor, als Körper mit Ecken oder ungleichmäßigen Formen. Die stromlinienförmige Form erlaubt es den Wassermolekülen allmählich an dem Körper vorbeizufliessen. Die Moleküle stören dabei nur wenige der benachbarten Schichten und die Turbulenzen werden mini-
mal gehalten. Die stromlinienförmige Rückseite erlaubt es den Wassermolekülen, die Löcher unmittelbar nachdem der Körper passiert hat, zu stopfen. Die Strudel hinter dem Körper verschwinden schnell wieder.

Scharfkantige Körper wie z.b. ein Würfel rufen verhältnismäßig hohe Rückhaltekräfte hervor, da die Vorderseite gegenüber dem Wasser eine Wand darstellt, die mehrere Schichten des umgebenden Wassers gleichzeitig beeinflußt. Da die Oberfläche flach ist, können die Moleküle sich nicht um das Objekt herumbewegen, sondern prallen quasi von dieser Fläche zurück, wo sie mit Molekülen aus anderen Schichten kollidieren. Dies erzeugt Turbulenzen und erhöht den Druck vor dem Objekt und bremst seine Vorwärtsbewegung.
Die quadratische Fläche des Würfels, hält die Strömungen für eine längere Zeit separiert. Das vergrößert das "Tiefdruckgebiet" von Strudeln hinter dem Körper, was wiederum die Druckdifferenz zwischen vorne und hinten erhöht. Die Rückhaltekräfte werden also nochmals gesteigert.

Die ideale Form um Rückhaltekräfte gering zu halten ist also die eines Fisches. Schiffe, Autos, Flugzeuge und andere Objekte, die sich durch Wasser und Luft bewegen, sind in den letzten Jahren immer stromlinienförmiger geworden, da diese Form den umgebenden Medien den geringsten Widerstand entgegensetzt. Unglücklicherweise ist der menschliche Körper verglichen mit einem Fisch größer und hat eine stumpfere Oberfläche. Daneben können Schwimmer nicht die flache Form beibehalten, wenn sie sich durchs Wasser bewegen. Sie wechseln immer ihre Haltung, was dem entgegenströmenden Wasser verschiedene Angriffsflächen bietet. Trotzdem behalten die schnellsten Schwimmer die bestmögliche stromlinienförmige Position bei, was langsamere Schwimmer nicht tun.

Bezüglich der Körperorientierung zum Wasser, werden Rückhaltekräfte erhöht, wenn Schwimmer weniger horizontal im Wasser liegen und sich immer von einer Seite zur anderen bewegen. Sie nehmen mehr Platz ein als notwendig und unterbrechen mehr Schichten des umgebenden Wassers. Sie rufen mehr Turbulenzen hervor.

Der Raum, den Schwimmer im Wasser einnehmen hat horizontale und seitliche Komponenten. Die horizontale Komponente betrifft die Tiefe des Körpers. Die seitliche Komponente bezieht sich auf den Raum, den der Körper von einer Seite zur anderen beansprucht.

Ein Schwimmer der flach im Wasser liegt, Beine relativ weit oben, nimmt weniger Platz im Wasser ein, als einer der die Beine aufgrund geringen Beinschlages tief hängen hat.
Die Notwendigkeit große Vorwärtskräfte zu erzeugen, macht es unmöglich in einer perfekt horizontalen Position zu bleiben. Die Körperposition wechselt dauernd von Zug zu Zug. Krauler und Rückenschwimmer müssen den Körper rollen um vorwärts zu kommen, Schmetterling- und Brustschwimmer müssen ihren Körper aus gleichem Grund auf- und abwärts bewegen. Obwohl diese Bewegungen Rückhaltekräfte erhöhen, rufen sie mehr Vorwärtsbewegung hervor. Um schnell zu schwimmen, muß der Athlet die Balance zwischen der Notwendigkeit horizontal im Wasser zu liegen und der Notwendigkeit Vorwärtskräfte zu erzeugen, halten.

Man kann es in beide Richtungen übertreiben. Schwimmer können ihren Körper im Bestreben Vorwärtskräfte zu erzeugen zu viel bewegen, und damit Rückhaltekräfte relativ mehr erhöhen als sie Vorwärtskräfte hervorrufen. Gleichermaßen kann der Versuch zu flach im Wasser zu liegen die vorwärtstreibenden Kräfte mehr verringern als die Rückhaltekräfte. Ideen wie diese Balance zu halten ist werden weiter unten entwickelt.

Effekt der Geschwindigkeit

Wenn Schwimmer ihre Geschwindigkeit steigern, erhöhen sie die Reibung zum Wasser, erzeugen mehr Turbulenzen und steigern damit die Rückhaltekräfte. Mit doppelter Geschwindigkeit erhöhen sich die Rückhaltekräfte um das Vierfache. Der Effekt der Geschwindigkeit mag sich akademisch ansehen, weil es wohl dumm für einen Schwimmer wäre, langsamer zu schwimmen und Rennen zu verlieren, nur um die Rückhaltekräfte gering zu halten. Dennoch demonstriert dieser Effekt die Klugheit der Renneinteilung. Athleten, die die erste Rennhälfte etwas langsamer schwimmen als der Gegner, brauchen weniger Kraft um die Rückhaltekräfte zu überwinden. Daher sind diese Schwimmer in der Lage, in der zweiten Rennhälfte schneller zu schwimmen.

Wird fortgesetzt.

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