Download presentation
Presentation is loading. Please wait.
1
1 第7章 流體力學 Fluids dynamic 張立羣 競技運動學系 103學年度 運動生物力學（二）
2
學習目標 了解流體基本之性質與特性。 了解空氣對於各項運動之影響。 了解液體對於各項運動之影響。
3
流體的本質 為能流動的物質。 氣體與液體。
4
補充 流體的本質 流體沒有固定的形狀，隨空間、容器的形狀大 小而定。 流體各分子間都能夠交錯滑過，自由流向任何 方向，這種性質稱為流動性。
5
流體的本質 物體在水裡通過，受到水的阻力之影響方式與 物體在空氣中通過受到空氣阻力之影響是相同 的。
補充 流體的本質 物體在水裡通過，受到水的阻力之影響方式與 物體在空氣中通過受到空氣阻力之影響是相同 的。 氣體容易壓縮變形，液體則幾乎完全不能壓縮
6
p.7-4 流體壓力 壓力為單位面積上所承受的作用力。 靜止的流體，作用力方向永遠垂直於作用面 (垂直正向壓力)。
7
流體壓力 大氣壓力 高度增加而減少 水平面 深度增加而增加 水壓 同一高度或同一深度所受到的壓力都是一樣
8
壓力與蓄水量無關
9
p.7-4 浮力 當一個物體被沉入水中時，其下表面的壓力會 比上表面的壓力大，此壓力差造成物體受到向 上的淨合力，此淨合力稱為浮力。
10
p.7-4 阿基米德原理 浮力大小為物體沉入液體中同體積液體的重量。
12
體積中心 (浮力中心) 浮力對物體的施力點在物體的體積中心，即浮力中心 (center of buoyancy)。 浮力中心 補充
※ 補充 體積中心 (浮力中心) 浮力對物體的施力點在物體的體積中心，即浮力中心 (center of buoyancy)。 CG 身體重心 浸入 浮力中心
13
身體重量等於浮力時身體處於靜止狀態-漂浮
補充 人體的漂浮 漂浮能力取決於身體的浮力與其重量之間的關 係。 浮力 重量 身體重量等於浮力時身體處於靜止狀態-漂浮
14
補充 身體姿勢改變使漂浮位置調整 身體重心和浮力中心不在一直線
15
補充 身體姿勢改變使漂浮位置調整 身體重心和浮力 中心成一直線
16
補充 人體密度影響漂浮能力 密度=質量/體積 b. 身體密度小於水 a. 身體和水 密度相同 c. 身體密度大於水 骨頭與肌肉的密度大於脂肪
17
p.7-5 連續方程式 當流體經過不同截面積的管路，當截面積越小 時，液體流速越快。
18
※ p.7-5 柏努利方程式 流體流速改變與壓力變化之間的關係 流體流速快，壓力低；流體流速慢，壓力高。
19
流體的流動 流線 當物體正在通過流體時，或者當流體流經一個 固定的物體時，由於黏滯性的緣故，使得流體 與物體的表面產生了交互作用。
p.7-6 流體的流動 當物體正在通過流體時，或者當流體流經一個 固定的物體時，由於黏滯性的緣故，使得流體 與物體的表面產生了交互作用。 流線
20
※ p.7-7 穩定流：層流或穩流 流體流過某特定位置時的速度都不會改變。 穩流的作用壓力較大 運動方向
21
不穩定流：擾流 流體在某一個位置的流速發生改變時。在擾流 中，通常出現極小的渦流現象。 擾流的作用壓力較小。 p.7-7 運動方向 ※
擾流 低壓力 運動方向
23
游泳時遇到的層流與擾流 層流 擾流
24
p.7-7 流體之黏滯性 流體具有黏性 液體的黏性會隨著溫度的上升而下降 氣體的黏性會隨著溫度的上升而增加
25
流體力學 影響物體運動的流體力量，包括：物體前進的 阻力及幫助物體前進的推進力。
p.7-7 流體力學 影響物體運動的流體力量，包括：物體前進的 阻力及幫助物體前進的推進力。 流體作用在物體上的力量形式 拉力(drag force)：作用方向與運動方向平行 升力(lift force) ：垂直作用於物體上
26
流體拉力 (流體阻力) 流體對於運動物體所造成的拉力種類： (1)沿者物體表面所作用的表面拉力。 (2)物體迎面對著流體所產生的截面拉力。
※ p.7-8 流體拉力 (流體阻力) 流體對於運動物體所造成的拉力種類： (1)沿者物體表面所作用的表面拉力。 (2)物體迎面對著流體所產生的截面拉力。
28
相對速度 逆風 順風
29
表面拉力 (surface drag) 又稱表面摩擦力。 當運動物體的方向與流體流動方向相反，流體 會流經表面產生摩擦力，產生一股向後的拉力
p.7-9 表面拉力 (surface drag) 又稱表面摩擦力。 當運動物體的方向與流體流動方向相反，流體 會流經表面產生摩擦力，產生一股向後的拉力
30
穿著緊身衣或剃毛使表面拉力減少
31
p.7-9 截面拉力 (profile drag) 又稱形狀拉力 壓力差 低壓區 高壓區 亂流 區域
35
※ p.7-11 影響流體拉力之主要因素
36
拉力係數
37
流體升力 (lift force) 是由物體周圍氣流對稱之任何破裂而產生。 高流速 低壓 壓力差 低流速 高壓 p.7-11
※ p.7-11 流體升力 (lift force) 是由物體周圍氣流對稱之任何破裂而產生。 高流速 低壓 壓力差 升力與流體 流動方向呈垂直 低流速 高壓
38
※ p.7-11 流體升力之作用與產生 物體形狀不對稱 氣體流速較快 氣體流速較慢
39
流體與運動物體之迎角(攻角) 物體形狀對稱
40
※ 升力 攻角為零升力小 阻力 適當攻角升力大 攻角太大無升力 攻角在水平之下升力朝下
41
p.7-12 影響升力之主要因素 CL 產生流體升力係數； A 升力作用在物體的表面積； ρ 流體密度； v 流體相對於物體的速度
42
流體升力與拉力之比值 攻角(度) 升力 阻力 升力/阻力比 0.000 0.264 10 0.974 0.337 2.809 20
0.000 0.264 10 0.974 0.337 2.809 20 2.393 0.928 2.579 25 2.885 1.301 2.218 27 3.103 1.547 2.006 28 1.665 1.864 29 2.475 1.758 1.387 30 2.520 1.838 1.371 40 1.911 2.147 0.890 50 1.938 2.748 0.705 60 3.367 0.459 70 1.073 3.694 0.290 80 0.573 3.794 0.151 90 3.985
43
滑雪跳遠的攻角 攻角
44
p.7-14 氣流拉力對於運動之影響 運動速度快：賽跑、自由車、滑冰 較輕的球類：羽球、桌球、高爾夫
45
氣流拉力對於運動之影響 流體對於運動物體所產生的拉力(空氣阻力)大小： 運動物體的形狀及表面狀態(粗糙程度) 運動物體與空氣接觸的面積
p.7-14 氣流拉力對於運動之影響 流體對於運動物體所產生的拉力(空氣阻力)大小： 運動物體的形狀及表面狀態(粗糙程度) 運動物體與空氣接觸的面積 當時的空氣密度 空氣相對於運動物體的速度
46
氣流拉力對於球類所造成之效應 排球飄忽發球 足球蝴蝶球 棒球蝴蝶球
47
棒球蝴蝶球
48
足球蝴蝶球
49
p.7-15 流體通過表面平滑與粗糙球-高爾夫
50
p.7-16 跑步與跳躍 當順風超過2m/sec時，比賽成績不承認。
51
跑步與跳躍 作用在跑者身上完全是截面拉力。 跑者幾乎沒有辦法減少拉力。 順風風速2m/sec，將減少0.18秒的時間。
52
跑步與跳躍 流體密度增加，流體阻力增加。 水 > 空氣 空氣密度隨高度增加而減少，空氣阻力也減少。 墨西哥市 海拔 2300m
減少 0.07秒 增加 2.4cm
53
104.8m ( ) 烏威霍恩 (Uwe Hohn)
54
p.7-16 蹲伏姿勢能減少垂直於流動方向的區域
56
速度滑冰 軀幹前傾與地面平行 手臂置彎曲緊靠背後 單手擺動維持平衡 穿著緊身衣服
57
雪橇 運動員藉由平躺姿勢來減少正面面積並減少空 氣阻力。
58
下坡滑雪 蛋形姿勢使滑雪者的正面面積縮小到最小程度 ，減少空氣阻力。
59
滑雪跳遠
60
平行 V字型
61
p.7-17 氣流升力對運動之影響
62
p.7-19 氣體升力對於鐵餅丟擲之影響
63
p.7-20 氣體升力對於標槍丟擲之影響
64
麥格納斯效應 正轉球(top spin) 反轉球(back spin) 由旋轉所造成的氣流升力。
※ p.7-20 麥格納斯效應 由旋轉所造成的氣流升力。 物體的旋轉會造成物體兩側氣流速度的差異而 造成壓力不同。 正轉球(top spin) 反轉球(back spin)
65
※ p.7-21 麥格納斯效應 – 正轉球
66
p.7-22 正轉球
67
p.7-22 反轉球
68
碰撞後之反轉球 麥格納斯力
69
足球香蕉球 足球之香蕉球即利用麥格納斯效應產生橫向力 造成球行進路線變化。
70
p.7-23 側轉球
71
※ 麥克納斯效應 高流速低壓區 低流速高壓區 高流速低壓區 低流速高壓區 反轉球(Backspin) 正轉球(Topspin)
72
p.7-23 液體流體力學在運動中之應用
73
游泳及水中運動之阻力 人體在水中會受到三種不同的流體阻力： 截面拉力、表面摩擦力以及水波拉力。 A.截面拉力 B.表面摩擦力 C.水波拉力
※ p.7-24 游泳及水中運動之阻力 人體在水中會受到三種不同的流體阻力： 截面拉力、表面摩擦力以及水波拉力。 A.截面拉力 B.表面摩擦力 C.水波拉力
74
游泳及水中運動之阻力-截面拉力 是游泳時承受最明顯的阻力 阻力大 身體與水的接觸面積大
75
低頭夾臂滑行形成良好身體流線型姿勢，截面拉力減少
抬頭滑行造成截面拉力增加 低頭夾臂滑行形成良好身體流線型姿勢，截面拉力減少
76
較小的阻力 產生大的阻力 脊柱彎屈與手抬高產生大的阻力
77
捷泳時身體過度側轉時造成的阻力
78
仰泳時身體過度側轉時造成的阻力(仰視)
79
三種姿勢的比較 A B
80
游泳及水中運動之阻力-表面摩擦力 人在水中前進時，水流向後流動所造成。
81
游泳及水中運動之阻力-水波拉力 水波拉力作用在兩種不同的流體交界面。 人體在水中前進時，在水面上造成水波所產生 的力，形成前進時的一種阻力。
83
p.7-25 游泳及水中運動前進的力量 人體在水中運動中能夠前進的力量：前進拉力 及前進升力。
84
游泳-前進拉力 造成游泳前進的主要作用力。
85
輕艇-前進拉力
86
游泳-前進升力 作用於 手之升力 作用於 手之合力 迎角(攻角) 作用於 手之拉力 通過手之 相對水流
87
游泳-前進升力 手掌與前臂做搖櫓狀撥水產生的升力，推動身體向前位移。
88
藉由身體的動作與 水對動作的反作用力來活動
補充 水域運動特性 - 游泳 藉由身體的動作與 水對動作的反作用力來活動 利用水的浮力支撐身體－浮力 水的物理性質又阻礙身體的前進－拉力 利用水的力量推動身體前進－升力、推進拉力
89
補充 完美的划槳技術 槳葉完全進入水中，固定在某一點的位置上，並將船艇拉到這一點。 槳不沿著船艇運動，而是船艇被拉向前靠近槳。
90
推進身體前移的手臂動作技術 為使身體最為有效地前移，游泳者最理想的是能 在水中抓住沿身體縱軸前方水下的一個無形的固 定把手。
補充 推進身體前移的手臂動作技術 為使身體最為有效地前移，游泳者最理想的是能 在水中抓住沿身體縱軸前方水下的一個無形的固 定把手。 所謂固定把手就是一個假設的不易產生與身體前 進方向相反位移的相對支撐面。
91
補充 以肩帶肌群收縮牽引身體前移 固定把手 “固定把手” 來移動身體 手向後划水移動距離 移動把手 手向後划水移動距離
93
p.7-26 游泳時身體各肢段動作對於推進之影響 手臂划水與螺旋槳葉片相似處 手臂向內、向上、 和向後划水 手臂向外、內上、 和向後划水
94
游泳時身體各肢段動作對於推進之影響
95
游泳時身體各肢段動作對於推進之影響
96
p.7-29 游泳速度及游泳效率 影響游泳速度的主要因素： 一次划水的距離(CL)與划水的頻率(CR)
97
肢體動作盡量不會產生擾流 而是產生前進升力
游泳速度及游泳效率 游泳效率：在游泳時所產生的功(沿著前進升力 與移動位移的乘積)與游泳者本身所消耗能量的 比值。 游泳速度、游泳姿勢、游泳技巧 肢體動作盡量不會產生擾流 而是產生前進升力
Similar presentations
