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Lerne von den Wettkampfschwimmern der Natur: Wellen bedeuten Energieverschwendung.

1. Dezember 2003

Learn From Nature's Competitive Swimmers: Creating Waves is a Waste of Energy.

1 December 2003

Von / By Dr. M. Edwin DeMont, Comparative Biomechanics Laboratory, Biology Department, St. Francis Xavier University, Antigonish, Nova Scotia, Canada

Mit Ergänzungen in Bild und Text von Felix Gmünder (©) / with additional ideas and material by Felix Gmünder (©)

Mother's slipstream helps young dolphins to keep pace with the pod. Young dolphins swim alongside their mothers in the open ocean for up to three years. The calves swim about 10 to 30 centimetres away from their mother's body that they get "sucked along". As the larger dolphin swims through the water, she displaces the water in front of her, creating a wake that flows around the calf. This way, the resistance felt by the calf is reduced by 65 percent. This reduction in resistance can also be felt by swimmers who swim close to one another.Mutters Wirbelzone hilft jungen Delfinen der Herde zu folgen. Junge Delfine folgen ihren Müttern im offenen Meer an der Seite bis ins Alter von 3 Jahren. Die Kälber halten dabei eine Distanz von 10 bis 30 cm vom Körper ihrer Mütter und werden dabei "mitgesaugt". Wenn grössere Delfine durchs Wasser schwimmen, verdrängen sie das Wasser vor ihrem Körper und erzeugen auf diese Weise eine Wirbelströmung, die auch das Kalb umfasst. Der Wasserwiderstand sinkt für den kleinen Delfin auf diese Weise um 65%. Diese Wirbelströmung kann man übrigens auch als Schwimmer spüren, wenn man nahe genug bei einem anderen schwimmt.

The following example demonstrates how human swimmers can benefit from research on aquatic animals.

Lyttle (1998) raised the interesting question "does a swimmer's depth in the water make a difference in glide speed?" In 1983 I participated in a project that generated an answer to the question. The research was focussed on the energetics of leaping in aquatic animals (Blake, 1983).

The cost of swimming is a very important component of the energy budget of aquatic animals. A huge research effort has been devoted to understanding all aspects of the costs. This research effort is partially to provide information for fisheries managers, who attempt to sustain a global fisheries industry.

Some of this work has shown that specific morphological and/or behaviour traits have evolved to reduce the costs. For example, air-breathing cetaceans (e.g. dolphins), which need to surface to breathe, have developed a behaviour that can minimize the costs of long migrations.

The problem these animals have to cope with is that drag near the surface is significantly higher than for subsurface swimming. The behaviour that some air-breathing aquatic animals exhibit is to periodically leap out of the water during long migrations (Figure 1). This behaviour minimizes the time at the air-water interface and, in certain conditions, can reduce the overall cost of the migration (Au & Weihs, 1980; Blake, 1983).

Das folgende Beispiel zeigt, wie Schwimmer von der Forschung an Wassertieren profitieren können.

Lyttle (1998) stellte die Frage, ob die Tiefe von gleitenden Schwimmern einen Einfluss auf die Gleitgeschwindigkeit habe. 1983 nahm ich an einem Projekt teil, das diese Frage beantwortet. Wir untersuchten den Energieaufwand von springenden Wassertieren (Blake, 1983).

Der Energieaufwand fürs Schwimmen ist für Wassertiere ein wesentlicher Teil des Energiebudgets. Es wurde sehr viel Aufwand getrieben, um alle Aspekte dieses Energieaufwandes zu verstehen. Die Gründe für diese Forschung waren bessere Daten für die Fischerei und eine nachhaltige Fischindustrie.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich bestimmte, den Energieaufwand erniedrigende Körperformen und/oder Verhaltensweisen entwickelten. Beispielsweise entwickelten Cetaceen (z.B. Delfine), die zum Atmen auftauchen müssen, Verhaltensweisen, die den Energieaufwand während langer Wanderungen verkleinern können.

Diese Tiere müssen mit dem erhöhten Widerstand nahe der Wasseroberfläche im Vergleich zum Tauchen fertig werden. Typischerweise springen diese Tiere während ihrer Wanderschaft aus dem Wasser (Abbildung 1). Dieses Verhalten verkleinert die Aufenthaltszeit in der Luft-Wasser-Grenzschicht, und das kann unter bestimmten Bedingungen den Gesamtenergieaufwand des Wanderns verringern (Au & Weihs, 1980; Blake, 1983).
Figure 1: Dolphins leap out of the water during long migrations to reduce energy costs caused by surface waves.Abbildung 1: Delfine springen während langer Wanderungen aus dem Wasser, um den durch den Wellenwiderstand verursachten Energieaufwand zu reduzieren.

The air-water interface creates serious problems for aquatic air-breathing animals; indeed, it is so problematic that few animals spend time in this region (Vogel, 1994). Movement at the air-water interface generates surface waves, usually one in front and one behind the animal.

Work is done to generate the waves, because the water in the waves has been lifted above equilibrium (Vogel, 1994). Thus energy is wasted in the generation of these waves, and that lost energy is manifest as an additional drag force called the wave drag (Figure 2).
Die Luft-Wasser-Grenzschicht erzeugt so grosse Probleme für atmende Wassertiere, dass sie sich meistens nicht in dieser Grenzschicht aufhalten. (Vogel, 1994).

Das Schwimmen an der Luft-Wasser-Grenzschicht erzeugt Oberflächenwellen, normalerweise eine vor und eine hinter dem Tier.

Die Erzeugung der Welle kostet Energie, weil das Wasser in der Welle über die durchschnittliche Wasseroberfläche gehoben werden muss (Vogel, 1994). Die Wellen bedeuten eine Energieverschwendung. Die verschwendete Energie bedeutet einen zusätzlichen Widerstand, der Wellenwiderstand genannt wird (Abbildung 2).
Figure 2: Types of water resistanceAbbildung 2: Arten des Wasserwiderstands

The contribution of wave drag to the total drag of structures moving through the air-water interface depends on several factors, such as the hull speed and wave celerity. An explanation of these factors can be found in Denny (1993).

The model developed by Blake (1983) to examine the drag-reduction potential of leaping in air-breathing aquatic animals used a drag-augmentation factor. This factor was based on published data collected from an object towed behind a boat at various depths below the surface.

The drag-augmentation factor depends on the relative submersion depth (h/d), which is the ratio of the distance from the surface to the centerline of the body (h) to the maximum breadth of the body (d).

Thus the drag-augmentation factor depends on the size of the body. It has a maximum value of 5, for an h/d ratio of 0.5 (near the surface), so a body moving near the surface would have a drag five times the value when fully submerged. The drag augmentation factor has a value of 1.0 at an h/d ratio of 3.0 (or greater), which means that the drag is the same as that for a fully submerged body. In practical terms the body is out of the influence of the surface, because no waves are generated, there is no wave drag, and total drag is minimized.

Conclusion:

For competitive swimmers, glide speed will be reduced as soon as surface waves are generated. Thus during the glide and push-off phase, swimmers should train to swim at a depth that minimizes the generation of surface waves. The actual depth at which the minimum occurs will depend on the size (breadth) of a swimmer.

In addition, if the swimmers produce a lot of waves when swimming at the surface, this will cost more energy as compared to a swimming technique or style that produces less waves. The less waves a swimmer creates the less energy it costs.


As an example, in Figure 3, the swimmer pushes off after a turn at a depth of his center of about 50 cm below the surface. If his maximum body "breadth" is assumed to be 40 cm, h/d =1.25. Optimal depth for minimum wave resistance would be > 120 cm.

In relation to getting fast to the other end of the pool you must not necessarily stay so deep after push off. Consider the total distance to cover (diving down can mean a detour and extra cost).
Der Anteil des Wellenwiderstandes am Gesamtwiderstand von sich durchs Wasser bewegenden Körpern hängt von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise von der Schwimm- und der Wellengeschwindigkeit (für Erklärungen und Einzelheiten s. Denny, 1993).

Das von Blake (1983) entwickelte Modell zur Analyse des widerstandsreduzierenden Potenzials von springenden Wassertieren verwendete einen so genannten widerstandserhöhenden Faktor. Dieser Faktor wurde aus Studien abgeleitet, in denen der Widerstand von auf verschiedener Tiefe durchs Wasser gezogenen Körpern gemessen wurde.

Die Grösse des widerstandserhöhenden Faktors hängt von der relativen Tauchtiefe (h/d) ab. h/d ist das Verhältnis der Tauchtiefe h (gemessen von der Wasseroberfläche bis zur Körpermitte) zum maximalen Körperdurchmesser.

Der widerstandserhöhende Faktor hängt also auch von der Körpergrösse ab. Er hat einen maximalen Wert von 5 für ein h/d-Verhältnis von 0,5 (an der Oberfläche). Das bedeutet, dass ein Körper, der sich anstatt in der Tiefe nahe an der Wasseroberfläche vorwärts bewegt, einen 5-mal grösseren Widerstand hat. Wenn h/d 3,0 oder grösser wird (d.h. in vollständig untergetauchtem Zustand), beträgt der Faktor 1, also gleich viel, wie in grosser Tauchtiefe. In diesem Fall werden an der Oberfläche keine Wellen mehr sichtbar, die einen Wellenwiderstand erzeugen könnten.

Fazit:

Bei Wettkampfschwimmern wird die Gleitgeschwindigkeit beeinträchtigt, sobald Wellen erzeugt werden. Nach dem Abstossen müssen die Schwimmer deshalb so tief bleiben, dass keine Wellen sichtbar werden. Die geeignete Tauchtiefe hängt vom "Durchmesser" eines Schwimmers ab.

Darüber hinaus kostet es den Schwimmer mehr Energie, wenn er mit seiner Schwimmtechnik oder seinem -stil Wellen verursacht. Je weniger Wellen ein Schwimmer erzeugt, desto weniger Energie verschwendet er.


In Figur 3 wird als Beispiel ein Schwimmer beim Abstossen nach der Wende betrachtet. Sein Körpermittelpunkt befindet sich etwa 50 cm unter der Oberfläche. Bei einem maximalen Körperdurchmesser von 40 cm beträgt h/d = 1.25. Die optimale Tiefe für minimalen Wellenwiderstand beträgt > 120 cm.

Das heisst nicht, dass man nach dem Abstossen so tief abtauchen muss. Für die schnellste Schwimmzeit zum anderen Beckenende sind auch die "Weglänge" und der "Preis" für das Abtauchen zu berücksichtigen.
Figure 3: Wave resistance after push offAbbildung 3: Wellenwiderstand h/d nach dem Abstossen
REFERENCES

Au D, Weihs D (1980). At high speeds dolphins save energy by leaping. Nature 284, 548-550

Blake RW (1983). Energetics of leaping in dolphins and other aquatic animals. Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom 63, 61-70

Denny M (1993). Air and water - the biology and physics of life's media. Princeton New Jersey: Princeton University Press

Lyttle A (1998). Does a swimmer's depth in the water make a difference in glide speed? Sportscience News (Sept-Oct), http://sportsci.org/news/news9809/isbms.html#glides (159 words)

Vogel S (1994). Life in moving fluids (second edition). Princeton New Jersey: Princeton University Press
LITERATUR

Au D, Weihs D (1980). At high speeds dolphins save energy by leaping. Nature 284, 548-550

Blake RW (1983). Energetics of leaping in dolphins and other aquatic animals. Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom 63, 61-70

Denny M (1993). Air and water - the biology and physics of life's media. Princeton New Jersey: Princeton University Press

Lyttle A (1998). Does a swimmer's depth in the water make a difference in glide speed? Sportscience News (Sept-Oct), http://sportsci.org/news/news9809/isbms.html#glides (159 words)

Vogel S (1994). Life in moving fluids (second edition). Princeton New Jersey: Princeton University Press
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