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Schwimmverein Limmat Zürich



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Schwimmtechnik: Vortrieb durch Widerstand oder Hub?

5. November 2001

Swimming Technique: Propulsion through drag or lift?

5 November 2001

Autor/Author: Ross Sanders, Edith Cowan University, Perth, Australia

© Übersetzung und Internetaufbereitung Felix Gmünder, Schwimmverein Limmat Zürich
Quelle:

Die Frage, ob der Vortrieb im Crawlschwimmen durch Auftriebs- oder Widerstandskräfte erzeugt wird, scheint in den frühen 70er Jahren bereits abschliessend beantwortet worden zu sein. Vorher glaubten die Trainer, dass der beste Weg sich im Wasser vorwärts zu treiben durch einen geradlinigen Armzug von vorne nach hinten bewerkstelligt wird - also durch Ausnützung des Wasserwiderstandes. Die Widerstandskräfte waren der Handbewegung gerade entgegengesetzt. Man stellte sich deshalb vor, dass die Handfläche senkrecht zur Bewegungsrichtung gehalten werden muss. Die Trainer wiesen die Schwimmer an, gerade von vorne nach hinten zu ziehen, und die Handflächen im rechten Winkel zur Zugrichtung anzustellen. The issue of whether propulsion in freestyle swimming is due primarily to lift or drag appeared to have been settled in the early 1970s. Prior to that time coaches believed that the best way to propel the body forward was to pull the hand directly backwards; that is, to use drag forces. The drag force produced is opposite the direction of hand motion. It was thought that the hand plane should be almost square to the direction of motion. Coaches applied this idea by teaching swimmers to pull directly backwards with the hand at right angles to the pulling direction.
Beobachtungen an Elitecrawlern durch Brown and Counsilman (1971) und Counsilman (1971) zeigten, dass die Hände statt einem geradlinigen Armzug eine Kurve beschreiben und führten zum Modell, dass gute Schwimmer Paddelbewegungen mit angestellten Handflächen ausführen, um Auftriebskräfte (hydrodynamischer Hub) für den Vortrieb auszunützen. Definitionsgemäss stehen Hubkräfte senkrecht zur Strömungsrichtung um die Hand. Unter der Annahme, dass die Hand stets in "ruhiges" Wasser geführt wird, bedeutet das, dass die Hubkräfte auch senkrecht zur Bewegungsrichtung der Hand wirken. Ursprünglich dachte man, dass der hydrodynamische Hub gemäss dem Bernoulli-Prinzip erzeugt würde: Wenn flügelähnliche Objekte mit hoher Geschwindigkeit und - relativ zur Strömung - kleinem Anstellwinkel durch die Flüssigkeit bewegt werden, entstehen bei minimalem Widerstand hohe Hubkräfte. Der Hub entsteht gemäss Bernoulli durch den Druckunterschied als Folge der höheren Strömungsgeschwindigkeit über der gewölbten Flügeloberseite im Vergleich zur ebenen Unterseite. Die Hand des Schwimmers wird gemäss dieser Vorstellung wie ein Flügel eingesetzt: Der Handrücken ist stärker gewölbt als die Handfläche. Um mit Bernoulli Hub zu erzeugen, muss der Schwimmer eine Paddelbewegung mit kleinem Anstellwinkel beschreiben. Das erzeugt vor allem Hubkräfte und nur geringe Widerstandskräfte. Counsilmans Entdeckung löste eine Revolution in der Schwimmtechnik aus. Das Prinzip des hydrodynamischen Hubs wurde praktisch universell akzeptiert. In manchen Lehrmitteln wurde die Hand als "Flügel" oder "Propeller" beschrieben. Following observations that the hands of champion freestyle swimmers scribed curved paths during the pull phase of the stroke, Brown and Counsilman (1971) and Counsilman (1971) promoted the idea that good swimmers use sculling actions with their hands pitched to utilize lift forces as the dominant means of propulsion. By definition, lift forces are perpendicular to the flow relative to the hand. Assuming that the hand moves into "still" water, this means that the lift forces are also perpendicular to the line of motion of the hand. Initially, the lift in freestyle swimming was thought to be generated in accordance with Bernoulli's Principle:  when "foil-like" objects move through a fluid at high speed and small angles to the flow large lift forces are generated and the drag forces are comparatively small. The lift forces arise from a difference in pressure as the fluid travels further and faster around the more curved side of the foil than the less curved side. Thus, a swimmer's hand could act as a foil because the back of the hand is more curved than the front. To generate lift by the Bernoulli Principle the hand should be sculled so that the angle between the hand plane and line of motion of the hand is small. This generates forces which are mostly lift rather than drag. A revolution in coaching practices followed Counsilman's work. Coaches taught swimmers to "sweep" with the hands. Lift as the main source of propulsive force in freestyle swimming became almost universally accepted. Some swimming texts depicted the hand as a "foil" or as a "propeller".
Bild 1 / Figure 1. James E. Counsilman war der Erste, der aufgrund kinematischer Studien die Theorie des hydrodynamischen Hubs als Grundprinzip des Vortriebs im Schwimmen vorschlug. Seine Idee war bahnbrechend und beeinflusste den Schwimmsport grundsätzlich. Based on kinematographic studies James E. Counsilman was the first who proposed the theory of hydrodynamic lift as the main contributor to propulsion in swimming. His findings were the beginning of a revolution in swimming technique.
Quelle/Source: James E. Counsilman: Competitive Swimming Manual. Counsilman Co., Inc. Bloomington, Indiana (1977).
Bild 2 / Figure 2. Ähnlichkeiten zwischen der Handbewegung einer Schwimmerin im Crawl und einem rotierenden Propellerblatt. Im oberen Bild besteht der Armzug aus einer Einwärts-Aufwärts-Rückwärts-Bewegung, im unteren Bild aus einer Auswärts-Aufwärts-Rückwärtsbewegung. Similarities between the hand of a swimmer during the front crawl stroke and the rotating blades of a propeller. Above: The swimmer sweeps her hand in, up, and back. Below: She sweeps her hand out, up, and back.
Quelle/Source: Ernest W. Maglischo: Swimming Even Faster. Mayfield Publishing Company, Mountain View, CA, USA (1993).
Das Bernoulli-Prinzip ist nur eine Erklärungsmöglichkeit für die Hubkraft. (Sprigings and Koehler, 1990). Hubkräfte können auch erzeugt werden indem das Wasser mit mittleren Anstellwinkeln nach hinten gestossen wird (Costill, Maglischo, and Richardson, 1992). Darüber hinaus können Widerstand und Hub zur gesamten durch die Hand erzeugten Vortriebskraft beitragen. In manchen Überlegungen wird die Hand in der Zugphase mit der relativen Grösse der Hub-und Widerstandsvektoren dargestellt. Idealerweise zeigt die Summe dieser beiden Vektoren in die Schwimmrichtung. Typischerweise wird der Hubvektor als Hauptfaktor dargestellt. Darum hat sich die Auffassung, dass der Vortrieb durch Hubkräfte entsteht, durchgesetzt. Bernoulli's Principle is only one explanation of  the kinetics of the lift force (Sprigings and Koehler, 1990).  Lift force may also be generated by pushing water backwards using intermediate angles of pitch (Costill, Maglischo, and Richardson, 1992).  In addition, drag and lift both contribute to the net force produced by the hand. Some texts depict the hand at instants through the pull phase of the stroke and indicate the relative magnitudes of lift and drag vectors. Ideally, the combination of lift and drag is such that the resultant force is in the desired direction of travel. It's common for the depictions to indicate lift as the predominant source of propulsion. Thus, the perception that most of the propulsive force in freestyle swimming is due to lift rather than drag has persisted.
Eine Reihe von wissenschaftlichen Arbeiten haben diese Sicht bestätigt (Barthels and Adrian, 1974; Schleihauf, 1974; Schleihauf, 1979; Schleihauf, Gray, & DeRose, 1983; Schleihauf, Higgins, & Hinrichs, 1988; Reischle, 1979). Darüber hinaus gibt es bestechende Gründe warum gute Crawltechnik durch Ausnützung von Hubkräften charakterisiert ist. Der erste Grund liegt im S-förmigen Armzugmuster. Wir finden es natürlich und logisch, dass die S-förmige Linie nur zur Erzeugung von Hub dient. Warum sollten denn gute Schwimmer sonst diese S-Kurve machen? Zweitens scheint die S-Kurve von Vorteil zu sein im Hinblick auf einen längeren Weg durch das Wasser und/oder kombiniert mit grösserer Bewegungsgeschwindigkeit, was zu längerer und/oder grösserer Wirkung der erzeugten Vortriebskräfte führt. Wir denken, weil die erzeugten Kräfte in Schwimmrichtung zeigen müssen, wenn der Armzug s-förmig ist, der Hub den wesentlichen Beitrag beisteuert. Um die Vorteile des längeren Wegs auszunätzen, muss der Schwimmer Paddelbewegungen zur Erzeugung von Hub anstatt Widerstand lernen. Drittens erlauben die Paddelbewegungen den effizienteren Einsatz der grossen Muskelgruppen als wenn die Hand gerade von vorne nach hinten gezogen wird. A number of research papers have supported this view (Barthels and Adrian, 1974; Schleihauf, 1974; Schleihauf, 1979; Schleihauf, Gray, & DeRose, 1983; Schleihauf, Higgins, & Hinrichs, 1988; Reischle, 1979).  Additionally, there are some compelling reasons why we might accept the idea that sound freestyle technique is characterized by the use of lift forces in preference to drag forces. The first is related to the curved nature of the hand path. We find it natural and logical to reason that if a hand path is curved then forces must be generated by lift. Otherwise, why would good swimmers use a curved hand path? Also, we find an advantage to a curved hand path is that the hand moves through a greater distance and/or speed thereby allowing forces to be applied longer and/or be greater in each stroke.  We reason for forces to be in the desired direction when a curved hand path is used, then lift must make an important contribution. Thus, to achieve the advantages of a longer hand path a swimmer learns to use sculling motions to produce forces from lift rather than drag. Further, sculling actions may allow the large muscle groups to be used more effectively than when the hand is pulled straight back.
Die Rumpfrotatoren übernehmen bei der S-Kurve und dem gleichzeitigen Rollen des Körpers einen grossen Teil der Last. Diese Schwimmtechnik ist wahrscheinlich mechanisch und physiologisch effizient. Der überzeugendste Grund ist vielleicht der, dass bei der Ausnützung des hydrodynamischen Hubs im Vergleich zum Widerstand weniger Energie verschwendet wird(Toussaint and Beek, 1992). Much of the sculling may be produced by the trunk rotators and incorporated into the natural rolling actions which accompany breathing and hand exit. Such a technique may be mechanically and physiologically efficient. Perhaps the most convincing argument is that less energy may be transferred to the water and "wasted" when forces are generated from lift than from drag (Toussaint and Beek, 1992).
Es gab nur wenig Einwände gegen die dominante Rolle des Hubs zur Erzeugung des Vortriebs im Crawl, und wenn, dann wurden sie im Allgemeinen nicht beachtet . Wood and Holt (1979), Holt and Holt (1989), and Valiant et al (1982) präsentierten Hinweise, dass der Widerstand die dominierende Kraft sei. In etwas neueren Untersuchungen Cappaert (1993) and Cappaert and Rushall (1994) wurde die Richtung der Handbewegung und die Lage der Hand mit dreidimensionaler Analysetechnik quantifiziert. Cappaert kombinierte Lage- und Wegbeschreibungen der Hand mit Schleihaufs Hub- und Widerstandskoeffizienten (Schleihauf, 1979), um die Hub- und Widerstandskräfte bestimmen. Alle diese mit Eliteschwimmern gemachten Studien wiesen darauf hin, dass Widerstandskräfte bei allen Schwimmtechniken wichtiger als Hubkräfte sind, mit Ausnahme beim Brustschwimmen. Challenges to the view that lift plays the dominant role in freestyle propulsion have been few and, in general, have been ignored or dismissed. Wood and Holt (1979), Holt and Holt (1989), and Valiant et al (1982) presented evidence in favour of drag being the dominant force. More recently, Cappaert (1993) and Cappaert and Rushall (1994) quantified the direction of hand motion and the orientation of  the hand using three-dimensional analysis techniques. Cappaert used  hand orientation and path data in conjunction with Schleihauf's lift and drag coefficients (Schleihauf, 1979) to estimate life and drag forces.  All of these studies, which were of champion swimmers,  indicated that drag forces are more important than lift forces in all strokes other than breaststroke.
Rushall et al (1994) lieferten überzeugende Beweise zu Gunsten des Modells der Widerstandskraft. Sie argumentierten, dass das Modell der mit der Hand erzeugten Hubkraft auf einer falschen Auffassung beruht, und dass der Hauptteil der Vortriebskraft nicht von der Hand, sondern vom Unterarm stammt. Wegen seiner plumpen Form erzeugt er vor allem Widerstandskräfte. Der Unterarm beschreibt vergleichsweise eine wesentlich geradlinigere Bahn als die Hand. Gemäss diesem Modell ist der Vortrieb im Crawl Folge der durch die Unterarme erzeugten Widerstandskräfte und nicht durch die absichtliche antrainierte S-Linie der Hand. Leider gibt es mit Ausnahme der Forschungsarbeiten von Berger et al. (1995), die Widerstands- und Hubkräfte des Unterarms und von Hand und Unterarm zusammen quantifiziert haben, keine Forschungsresultate, welche den tatsächlichen relativen Beitrag von Hand und Unterarm zum Vortrieb gemessen haben. Eine methodische Schwierigkeit liegt in der unterschiedlichen Geschwindigkeit, mit der sich der Unterarm während des Armzugs durch das Wasser bewegt. Schleihauf (1984) schätzte, dass der Beitrag des Unterarms im Vergleich zur Hand sehr klein ist, weil sich die Hand mit grösserer Geschwindigkeit bewegt. Falls das stimmt, muss man die durch die Hand erzeugten Kräfte bestätigen und die Frage, ob Hub oder Widerstand wichtiger ist, bleibt offen. Rushall et al (1994) proffered convincing arguments in favour of drag as the dominant propulsive force in freestyle swimming. They contended that the arguments in favor of lift as the dominating force were ill-conceived and that much of the total propulsive force comes from the forearm. Because of its bluff shape nearly all the force generated by the forearm must be due to drag. Further, the forearm has a substantially straighter path than the hand. Thus, freestyle technique may be directed toward generating propulsion from the forearm using drag rather than deliberately using a sculling action to optimize lift forces by the hand. Unfortunately, although research such as Berger et al. (1995) has quantified the drag and lift coefficients of the forearm and combined forearm and hand, no research has effectively quantified the relative contributions of the forearm and hand in actual swimming. One of the major methodological problems to be overcome is that the forearm moves at very different velocities along its length during the swimming stroke. Schleihauf (1984) estimated that the contribution of the forearm in swimming is very small compared to that of the hand. This is because the hand moves at a greater velocity than the forearm. If this is the case, then a focus on the forces produced by the hand remains warranted and the question of whether lift or drag is the more important remains open for consideration.
Neuere Studien, in welchen die Körperbewegung gesamthaft untersucht wurde, deuten darauf hin, dass die S-Kurven der Hand gar nicht so ausgeprägt sind, wie man sich das vorgestellt hat(Cappaert, 1993). Demnach tendieren die Schwimmer eher Richtung geradlinigen Armzug . Wenn der Weg nicht sehr S-förmig ist, dann kommt der Hauptbeitrag für den Vortrieb aus dem Widerstand, unabhängig vom Anstellwinkel der Hand zur Strömung.Aus einer Kombination von Experiment und Versuch konnten Liu et al. (1993) and Hay et al. (1993) zeigen, dass die S-Kurve eine Folge des Körperrollens ist. Tatsächlich ist es so, dass aus der Sicht des Schwimmers geradliniger Armzug von vorne nach hinten von aussen als ausgeprägtere S-Kurve gesehen wird als beim eigentlichen Schwimmen. Das bedeutet, das die Schwimmer den Armzug etwas "begradigen". Das hätte wichtige Konsequenzen. Die S-Kurve wäre nicht Absicht. Anstatt dass die Schwimmer den Arm adduzieren (zum Körper hin bewegen) bei der Einwärtsbewegung und dann abduzieren (vom Körper weg bewegen) bei der Auswärtsbewegung, wie das von den Trainern demonstriert wird, vermindern in Tat und Wahrheit die Schwimmer das Ausmass der S-Kurve durch Abduktion in der Zugphase und Adduktion in der Druckphase. Die Tatsache, dass die Schwimmer die S-Kurve ausglätten anstatt zu Paddeln ist ein starker indirekter Hinweis, dass eher Widerstandskräfte statt Hubkräfte im Spiel sind. Recent studies quantifying whole body motion indicate that the hand paths of successful swimmers are not as curved as initially thought (Cappaert, 1993). Thus, swimmers are tending to use a straight pull rather than to maximize pulling distance and speed by using a curved path. If the path is not very curved then the major contributor to force in the desired direction must be drag regardless of whether the hand is angled to the flow.Through a combination of experiment and simulation, Liu et al. (1993) and Hay et al. (1993) showed that the curved path of a swimmer's hand is due to body roll. In fact, when the arm is simulated to move directly backwards with respect to the swimmer's reference frame, the path of the hand in the external reference frame is more curved than in actual swimming. This means that swimmers actually straighten the curve somewhat. This has important implications. It means that the curved hand path is not deliberate. Rather than swimmers adducting the arm to produce the "insweep" and then abducting to produce the "outsweep", as is commonly demonstrated by coaches when instructing on poolside, the swimmers are actually reducing the curve by abducting in the early part of the pull and adducting during the latter part of the pull. The fact that swimmers attempt to straighten the path rather than to use sculling actions is strong indirect evidence that swimmers rely on drag forces rather than lift forces.
Kürzlich versuchte ich mehr Licht in die Widerstands-Hub-Diskussion zu bringen durch Auswertung von Daten über Hub- und Widerstandskoeffizienten des Iowa Institute for Hydraulic Research (Sanders, 1997a; Sanders, 1997b). Die Analyse ergab, dass die grössten Vortriebskräfte dann auftreten, wenn der Anstellwinkel zur Strömung nahe 90 Grad beträgt. Dann wirkt praktisch nur der Widerstand. Die Hubeffekte sind maximal bei Winkeln nahe 45 Grad. Aber auch bei diesen Winkeln ist die Widerstandskraft gleich gross wie die Hubkraft. Wenn diese Daten in Kombination mit dreidimensionalen kinematischen Schwimmanalysen betrachtet wurden, wurde ersichtlich, dass die Widerstandskräfte einen grösseren Beitrag zum Vortrieb leisteten als der Hub. In den Armzugphasen mit dem grössten Vortrieb betrrug der Anstellwinkel der Hand 50 - 60 Grad - auch das ein Hinweis auf den überwiegenden Anteil des Widerstands. In diesen Phasen des Armzugs strömte das Wasser vom Handgelenk in Richtung Finger. Das steht im Widerspruch zu vielen Darstellungen in Schwimmbüchern, in denen das Wasser entsprechend des "Flügel-" oder "Propeller-Modells" quer über die Hand fliesst. Recently, I attempted to shed more light on the lift versus drag issue using hand lift and drag coefficient data obtained from a testing tank at the Iowa Institute for Hydraulic Research (Sanders, 1997a; Sanders, 1997b). The lift and drag coefficients obtained from the hands tested in the Iowa facility indicated that the greatest forces are obtained when the hand plane is close to 90 degrees to the flow. At this orientation the force is due almost entirely to drag. Lift makes its greatest contribution to resultant force at angles near 45 degrees. However, even at these angles, the contribution due to drag is as great as the contribution due to lift. When these coefficient data were used in conjunction with three-dimensional kinematic data to estimate forces in actual swimming, it was found that drag made a larger contribution than lift throughout the propulsive part of the pull. During the most propulsive phase of the stroke the pitch angle was between 50 and 60 degrees, which means that the hand was pitched to take advantage of drag forces with a smaller contribution due to lift. During the most propulsive phase of the stroke the direction of fluid flow was from the wrist towards the fingers. This is contrary to the situation commonly envisaged and depicted in swimming texts, in which the hand is represented as a foil generating lift forces from lateral movements which produce a flow across the hand.
Bild 3 / Figure 3. Klaus Reischle zeigt in seinem Buch "Biomechanik des Schwimmens", dass sich der Vortrieb aus den zwei Komponenten "Widerstand" und "dynamischer Auftrieb" zusammensetzt. In his Book "Biomechanics of Swimming Klaus Reischle explains that propulsion results from drag and dynamic lift.
Quelle/Source: Klaus Reischle: Biomechanik des Schwimmens. Fahnemann, 1988.

Schlussfolgerung

Wie das Beispiel zeigt, waren viele von uns schnell bereit eine Modellvorstellung zu akzeptieren, bevor genügend Grundlagen zur Verfügung standen. Wahrscheinlich ist es immer noch voreilig jetzt einfach zu behaupten, dass der Vortrieb beim Crawl rein auf Widerstandskräften basiert, aber die allgemeine Vorstellung, dass dies auf den hydrodynamischen Hub zurückzuführen ist, beruht wahrscheinlich auf falschen Tatsachen.

Conclusion

In this example, many of us were quick to accept theory as fact before sufficient evidence was available. It may still be too early to state that freestyle propulsion is dominated by drag, but the commonly held belief that it is dominated by lift may be ill-founded and incorrect.

Literatur / References

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