游泳的科學打開方式：一點力學原理 | 科到了

作者：王秦 碩士研究生 | 中國科學院大學 培養單位：中國科學院物理研究所 審核：賈海強 研究員 | 中國科學院物理研究所

游泳被譽為最全面的運動之一，在炎炎夏日里尤其受歡迎。據中國游泳協會統計，全國游泳運動人口已突破數千萬，泳池成了很多人消暑健身的首選去處。游泳屬于低沖擊全身性運動，可使基礎代謝率提升10-20%，持續燃脂可長達數小時。長期游泳可以有效增強心肺功能，水中的浮力也可以幫助預防關節損傷。游泳不僅是一種強身健體的娛樂方式，也是力學在流體環境中的美妙演繹。作為一個經常游泳的人，相信許多人在看著泳池里那些游得飛快的人時，會和小編一樣思考：為什么有些人能像魚一樣輕松滑過水面，而有些人用力卻原地踏步？為什么專業運動員的出發動作有如此大的爆發力？怎樣才能游得更快、更省力？

在正式介紹之前，我們先對游泳運動中的一些術語進行簡單介紹。游泳是人在水中依靠肢體動作克服流體阻力、利用流體反作用力實現位移的運動。運動員通過手臂劃水、腿部蹬夾產生推進力，同時維持身體姿態以減少阻力。下面就讓我們一起從物理的角度重新認識一下這項運動吧。

圖一 正在比賽的游泳運動員

一、為什么不會沉下去？——浮力的智慧

每次下水前，總有人擔心"會不會沉下去？"。其實，理解浮力的關鍵不在于體重，而在于排開水的體積。

根據阿基米德原理，物體在液體中受到的浮力等于它排開液體所受的重力：F浮=ρ液gV排。泳池里的水密度約1000 kg/m3，當一個人全身浸入水中時，排開水的體積差不多就是身體體積。假設人的質量是60 kg，身體密度約980 kg/m3（比水略?。鶕芏裙溅?m/V，那么體積V=m/ρ≈0.061 m3，排開水的重力G排=ρ液gV排≈1000×9.8×0.061=597.8 N，而體重G=mg=60×9.8=588 N。因為浮力（597.8 N）略大于體重，所以哪怕一動不動，也能輕松浮在水面上。

二、為什么游得累？——對手是阻力

很多人游不快，不是因為力氣不夠，而是輸給了阻力。阻力的控制不當，是游泳效率低的一個核心問題。水的密度約為空氣的800倍，這使得水中運動面臨的流體阻力顯著高于空氣環境。游泳者主要需克服兩類阻力：摩擦阻力與壓差阻力。

摩擦阻力源于水的粘性效應。水流在固體表面形成邊界層，產生與運動方向相反的剪切力。該阻力與濕表面積及表面粗糙度正相關，所以競技游泳往往采用緊身泳衣并配合體表處理，以使摩擦系數最小化。

壓差阻力（形狀阻力）則更為關鍵。根據伯努利原理，壓強與流體流速呈反比關系。當物體在水中運動時，迎流面流速減緩、壓強增大，背流面形成尾渦、流速增快、壓強降低，前后壓強差構成阻礙運動的主要阻力。（這與飛機機翼的升力原理正相反）。減小壓差阻力的關鍵途徑在于優化身體姿態，使形體接近流線型，降低迎風面積。（類似于魚和潛水艇）。

圖二 流體流速與壓強的關系

比如自由泳時，身體盡量貼近水面，只露出肩部與頭頂；比如蛙泳時，收腿盡量控制膝關節外展，劃臂后迅速向前伸展，使身體形成一條直線。如果出現姿勢偏差，比如抬頭挺胸游泳，身體就會變成迎風面，壓差阻力會瞬間增大，游起來會更累更慢。

圖三 迎風面積與壓強的關系

三、前進的動力從哪兒來？——肢體協奏的推進力

根據肢體運動方向與水流相互作用的方式，產生推進力的動作可分為兩類——劃水與打腿。通俗地說，劃水是指手臂在水中完成入水、抱水、推水的周期性動作；打腿則指下肢通過髖、膝、踝三關節的協調屈伸，對水施加向后下方的蹬夾力。實際的游泳動作通常是上肢劃水與下肢打腿的協調配合，下面我們將主要分析蛙泳的動作與受力特征，其他泳姿的分析與之類似。

（a）收腿階段：大腿向前上收，小腿向臀部折疊，膝關節屈曲，此時水對下肢的作用力方向與前進方向相反，產生阻力；（b）蹬夾階段：腳掌外翻后向側后方蹬水，再向內夾水，此時對水的作用力產生向前的反作用力，為推進力主要來源；（c）滑行階段：身體伸展成流線型，減少迎水面積，以慣性前進。

洪祺豐等人[1]通過多體系統動力學分析及流體力計算模型開發，實現了蛙泳過程流體阻力與肌肉發力模式的定量分析，為高水平游泳運動員訓練模式改進和競技水平提升提供了生物動力學分析方案。

若將人體簡化為多體系統，其運動可分解為各體段的相對轉動與質心的平動。

圖四 人體體段簡化：人體整體受力分析

如圖四所示，假設C點為人體質心，設人體的質心在地面絕對坐標系中的坐標向量為Xc，各體段質量為mi，再假設受到的流體力三個分量Fa、Ft、Fn。根據牛頓第二定律給出人體動力學方程：

在三個旋轉自由度上可沿三個轉動慣量主軸的歐拉方程給出：

其中，Ix'是轉動慣量矩陣的沿第一個主方向的特征值，ωx'和Mcx'代表角速度和力矩沿轉動慣量矩陣第一個主方向的分量，以此類推可給出三個主方向的歐拉方程。

將上述體段分別取出，并對其進行受力分析。通過達朗貝爾原理構建包含慣性力Fa、浮力Fb、以及徑向拖曳力Ft和軸向拖曳力Fn的受力平衡方程，實現對人體所受流體作用力的建模及求解。微元受力分析如圖五所示。

圖五 微元受力分析：（左）慣性力和徑向、軸向拖曳力分析，（右）浮力分析

最終，通過對每個微元在縱向上計算的上述所有流體力進行積分，計算出作用在每個體段上的流體力：

蛙泳運動周期，可劃分為下肢蹬腿、手臂劃水、滑行三部分，如圖六所示。

圖六 蛙泳周期中不同動作劃分

通過逆向運動學的求解，可以得出左、右兩側髖、膝屈伸角度隨蛙泳動作推進的變化值，并根據參考位置的動力學信息進一步分析發力模式。通過對非定常流體力求解，最終獲得運動員不同部位流體力的三維分量。

其中：側向力Fy沿y方向，區分內收、外展受力，可以評估運動員的發力對稱性；推進力Fx沿x方向，量化體段的推進效率，可以評估蛙泳動作的作用效果，結果如圖七、八所示。

圖七 （左）大臂和（右）小臂，在蛙泳動作過程中的非定常流體力比較

圖八 （左）大腿和（右）小腿，在蛙泳動作過程中的非定常流體力比較

通過對比發現上肢的推進力小于下肢（其中上肢推進力為手部、小臂、大臂體段在前進方向上投影的流體力矢量和），因此下肢是游泳過程中前進的主要動力來源。

其中，小臂受力存在左右側不對稱的現象，進一步計算的肩、肘關節力矩也表現不對稱現象，這是由于優勢側、發育等因素導致的不對稱普遍存在[2]，因此可認為是運動員個性化特征的體現。大腿與小腿推進力左右側最大差值為4.7 N、9.3 N，大臂與小臂推進力左右側最大差值為1.8 N、5.3 N。此外，對比小腿的側向力也可發現此情況。

從前后方向上看，蹬腿過程中小腿所產生的流體作用力最大，其次是大腿。大腿與小腿所受非定常流體力的極值為31.2 N、10.9 N。

圖九 肌骨模型的臀大肌構成

其中，以激活度0.1作為肌群激活的判斷閾值[3]，則股二頭肌首先發力，其次是股直肌，再者是闊筋膜張肌，最后是臀大肌。

圖十 臀大肌在蛙泳動作過程中的肌肉激活度：（左）右側（右）左側，臀大肌

現代運動科學研究表明，神經肌肉訓練可以提升游泳運動的表現[4]。游泳速度不完全取決于力的大小，也取決于肌肉的發力模式。通過優化蹬腿、劃水的發力時機與幅度，游泳推進的效率得以提升。這可以延伸至全周期競技游泳的技術參數優化。同時，競技游泳的高強度運動易導致關節損傷，且與肌肉、筋膜等軟組織損傷有關，以上的研究有助于量化游泳運動中各關節活動范圍，關節力矩與肌肉發力閾值等信息，可有效預防游泳運動的慢性損傷。

四、為什么換氣這么難？——換個角度呼吸

很多初學者感到換氣困難，一抬頭就下沉，一吸氣就嗆水。換氣困難往往源于動作幅度過大。核心原理很簡單：利用身體旋轉或浮力變化，讓頭部以最小動作露出水面。

對于自由泳：身體側向滾動時，頭部隨肩部自然轉動（自然露出水面約1/3）即可吸氣，無需主動抬頭。而抬頭時，身體會下沉。這樣不僅增加阻力，還需要用更大的力氣支撐頭部，導致越換越累。

對于蛙泳：劃手時，手臂向兩側展開，排開水的體積增大，浮力上升，上半身會自然抬起，這時候抬頭吸氣剛剛好；如果劃手和吸氣不同步，等身體下沉后再抬頭，就無法借助浮力，自然就困難了。

圖十一 （左）自由泳與（右）蛙泳，吸氣姿勢對比

還有一個小Tips：吸氣時要快，呼氣時要慢。當頭部露出水面時，周圍的氣壓是大氣壓，而肺部的氣壓略低，空氣會自然流入；而在水里呼氣時，水的壓強會比大氣壓大，緩慢呼氣能避免水壓把水壓進氣管。

五、結語

綜上所述，游泳的原理并不復雜：浮力托舉身體，流線型減少阻力，反作用力驅動前進。而理解了這些，日常練習便有了方向。

最后提醒大家：下水前充分熱身，安全永遠是第一位的。愿我們都能在水里找到屬于自己的節奏。

參考文獻：

[1] 洪祺豐,李楠,張曉昂,等.基于生物多體動力學的蛙泳動作分析方法[J/OL].應用力學學報,1-20[2026-04-08].https://link.cnki.net/urlid/61.1112.O3.20251222.0956.002.

[2] SANDERS R, THOW J, FAIRWEATHER M. Asymmetries in Swimming Where Do They Come from?[J]. Journal of Swimming Research, 2011, 18.

[3] CASH J J, BOWDEN M G, BOAN A D, 等. Systematic Evaluation of the Effects of Voluntary Activation on Lower Extremity Motor Thresholds[J/OL]. Journal of Clinical Medicine, 2023, 12(18): 5993. DOI:10.3390/jcm12185993.

[4] 陳丁丁.神經肌肉訓練對大學生游泳運動員運動表現的影響[D].南京體育學院,2025.DOI:10.27247/d.cnki.gnjtc.2025.000023.

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