AIDA自由潜论文：流体阻力对自由潜水的影响

发表于 2021/11/14

作者 裘俊云 17 分钟阅读

第1章绪论

从技术上来说，当你在水中闭气时，就是自由潜水。所以水底曲棍球、水下橄榄球、水下摄影、渔猎等各种运动项目都属于自由潜水范畴。这些运动都会思考如何才能做到在水中长距离移动或是在水中闭气更长的时间。自由潜水的氧气在下水之后是得不到补充的，所以，研究如何降低氧气的消耗就是唯一增加水下运动时间的方法。水是流体中的一种，在水中进行各类运动，自然能够很清晰的感受到流体对物体施加的作用力，我们主要研究的方向就是其中的阻力。

本文主要讨论的是，如何在自潜过程中降低阻力对潜水员的影响。因为气体也是流体中的一种，文中部分实验会是以风动的试验进行演示讲解。

第2章流体阻力

2.1 阻力试验

空气和水流都是流体，物体在其中穿行移动，都具有相同的流体阻力模型，我们可以使用风洞的形式来对不同形状的物体进行一个流体阻力测试，并间接验证自由潜水中，手前进比头前进带来的阻力更小。

2.1.1 试验一

结论：自由潜水员应着光滑外面的湿衣，越光滑游动速度越快，不应使用粗糙的一面。

观看这次2021CMAS世锦赛，CWTBF和CWT项目的各选手均速和姿态记录（视频来自三豆自由潜水的微信视频号），我们来研究下顶级选手的平均速度。

选手	速度	下降姿态	上升姿态	手前姿势
法国Arnaud Jerald 3:26 116m CWTBF 3:36 117m CWTBF	1.13m/s、4.1km/h 1.08m/s、3.9km/h	无自由落体有自由落体
法国Abdelatif Alouach 3:53 116m CWTBF	1m/s、3.6km/m	头朝下自由落体		无
意大利Davide Carrera 2:44 103m CWTBF 3:12 123m CWT	1.26m/s、4.5km/h 1.28m/s、4.6km/h	手前伸自由落体
俄罗斯Alexey Molchanov 4:24 115m CWTBF 4:26 128m CWT	0.87m/s、3.1km/h 0.96m/s、3.5km/h	头朝下自由落体	注意看大神的手掌
突尼斯Walid Bouhiaf 3:35 116m CWT	1.08m/s、3.9km/h

高水平竞技中，流线型好的选手能达到高的速度，但是水中速度最快也在5km/s以内。

选手信息	速度
鲨鱼	50km/h
虎鲸	56km/m
飞鱼	60km/h
蓝鳍金枪鱼	74km/h
剑鱼	90km/h

对比大自然中的鱼类，潜水员的移动速度是很慢了。

我们观看阻力的流体动力学1-Some Curious Experiments《一些奇怪的试验》得知如下：

备注：125mils/h 也就是 200km/h

在空气中的气流达到一定的速度之后，粗糙面的阻力才会比光滑面的阻力要小，例如实际应用中的高尔夫球。

查询研究资料，没有找到相同的流线型物体，粗糙和光滑不同，在水流中的阻力影响的相关文章，但是有理由相信，水流和气体是一样的，水流在一定的速度之下，湿衣越光滑，对自由潜水的摩擦阻力越小。

得出结论：在没有鲨鱼皮泳衣类似科技的湿衣出现，应着越光滑湿衣表现越好。

2.1.2 试验二

结论：流线型物体的阻力最小，涉及到自由潜中，就是一个好的踢腿姿势和自由落体的伸展姿势。但是人体是一个不规则物体，相比于头部朝前，手前伸能很好的减少我们的压差阻力，见Davide Carrera的速度以及2.1中讲到的形状阻力。观察每一位大神的手势，只有Alexey的手掌知识和其他人会有很大不同，见第一张表。

第一个试验对象是标准的流线型物体，头圆尾尖；第二个试验物体，头尖尾圆；第三个试验物体，是长方体；第四个物体是圆杆，直径同试验物体一的最大横截直径一致。他们的在相同风速下的各自阻力如下：

试验物体	流线型	倒流线型	长方体	圆杆
空气速度（mils/h)	210 (336km/h)	210	210	210
阻力大小	1	2.6	4	9.3

高雷洛数（淡水海水），压差阻力远大于粘性阻力，通过研究发现，延迟边界层的分离就能降低压差阻力，这就是流线型物体的阻力小原因

得出结论：越是趋近于流线型的身体姿态，阻力越小。

自由潜水主要考虑的两个阻力是：压差阻力和粘性阻力，又称形状阻力和摩擦阻力。

如上图，垂直物体表面的是形状阻力，在平行物体表面的是摩擦阻力。

2.2 形状阻力

人体头部如同一个球体，即是钝体，形状阻力比摩擦阻力更显著，它本质上是因为物体的前部和后部之间的压力差造成的，专有名词叫流体分离（层流变湍流）。如下图，自由潜的时候尾部产生的漩涡。

这种情况就导致了潜水员后方形成一个称之为分离区的低压区域，并产生很大的阻力。如果想要减小阻力，就要不惜一切代价减小流体分离。流体分离也会导致涡流脱落，从而产生不必要的震动和不稳定性。

我们以下都是考虑淡水环境（如泳池），静态水域中的自由潜游动，可以认定水源是层流的。并假定下面的球，为带着头套的光滑头体，则流动分离发生在大概80度左右的位置。

但是如果边界层是湍流而不是层流，流体能够更好地保持附着在物体表面上，流动分离被延迟到大约120度。

这样显著的降低了压力阻力。这就是为什么，自由潜过程中，手前伸能带来更好的速度的原因。因为手前伸，提前将层流转变成了湍流，湍流又在不同的流动层之间引入了大量的流动混合，这种动量传递意味着流体可以在不分离的情况维持更大的逆压梯度，这就是为什么高尔夫球具有凹坑而不是完全光滑的原因，凹坑会长生涡流，这延迟了气流分离，减少了阻力，并让球飞得更远。这种就是利用湍流来延迟气流分离和减少压力阻力的最佳实践方法。

得出结论：自由潜水中，手前伸比头前带来的效果更好。

2.3 摩擦阻力

结论：粘性，水的粘性会受温度的影响，温度越高粘性越低，在100度时的粘性仅仅是0度时的0.16倍，所以水温对自由潜水的摩擦阻力影响，越温暖阻力越小；鲨鱼皮科技技术能很好的降低摩擦阻力。

海水的粘性力和密度都比淡水的大，所以海水的摩擦阻力和浮力都比在淡水中大

对于流线型好的物体，压力阻力基本可以忽略，但是对于人体，两者都需要考虑。前面我们讲到的湍流可以延迟气流分离，会降低压力阻力（高尔夫球坑面），但是对摩擦阻力却效果相反。层流和端流边界层的速度分布具有很大的不同，湍流边界层中的壁面速度梯度比层流边界层中的更抖，湍流会产生更大的剪切应力，导致摩擦阻力更大。所以为了减少摩擦阻力，需要延迟层流向湍流状态的转变，并在物体周围尽可能大的距离内保持层流。我们观察，鲨鱼皮肤独特的微观结构，其鳞片包含有与水流方向一直的微小脊线，这些脊线改变了近壁区的湍流边界层，使湍流发生的更晚，有效的保持了层流，降低摩擦阻力

得出结论：在温暖的淡水中自由潜水，可以有更好的表现。

第3章材料

3.1 鲨鱼皮科技外层的氯丁橡胶湿衣

日本的Yamamoto是顶级自由潜湿衣材料，具有很好的弹性、滑性和舒适性，相关介绍不做过多讲解。我们主要讲解在湿衣层面如何去做到降低阻力的要点。也就是如果去降低湿衣带来的摩擦阻力。

通过上面的研究，越光滑的湿衣摩擦阻力越小，但是我们也研究发现，鲨鱼皮肤的独特构造，也能很好的降低流体阻力，所以我们能不能将鲨鱼皮技术应用到湿衣中呢？

了解鲨鱼皮科技之前，我们有必要了解鲨鱼皮泳衣，在2000年悉尼奥运会上，澳大利亚的索普穿着Speedo鲨鱼皮泳衣，一举斩获 3 枚金牌。还有各项游泳记录都是穿着鲨鱼皮泳衣打破的。撇开现在国际泳联已经禁止穿鲨鱼皮泳衣比赛来看，就光是使用成本就可以将我们贫民拒之千里之外了：一件泳衣的造价约在人民币7000元以上，而为了达到最佳效果，一件只能穿6次。但是对于竞技潜水，这个成本还是能够接受的。

下面图片是第四代Speedo的Fastakin技术的泳衣广告图，简直是蜘蛛侠了。