Strömungssimulation: Propeller oder Paddel – was macht Schwimmer schneller?

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Strömungssimulation: Propeller oder Paddel – was macht Schwimmer schneller?

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Zwei Formen von Armzügen – einer, der durch das Wasser zieht wie ein Paddel und ein anderer, der wie ein Propeller zur Seite wirbelt – werden von Wettkampfschwimmern genutzt, die zum Beispiel für die Olympischen Spiele trainieren. Aber Eliteschwimmer und ihre Trainer haben lange darüber gestritten, welche Armbewegung mehr Vortrieb erzeugt.

Eine wissenschaftliche Studie hat dies nun ermittelt. Ein Team unter der Leitung eines Experten für Strömungsdynamik der Johns Hopkins University hat herausgefunden, dass eine tiefe, dem Paddeln ähnliche Armbewegung dem vom Propeller animierten Rudern mit angewinkeltem Arm überlegen ist.

Um zu diesem Ergebnis zu gelangen, hat das Team von Rajat Mittal, Mechanincal Engineering Professor an der Johns Hopkins Whiting School of Engineering hochpräzise Laserscans und Unterwasservideos von Spitzenschwimmern aufgenommen. Dann haben die Wissenschaftler mit Animationssoftware den statischen Arm so gekrümmt und verändert, dass seine Form den Videosequenzen entsprach. Die Software ermöglichte es den Wissenschaftlern, ein virtuelles Gelenk in den Arm einzubauen, so dass dieser sich in realistischer Manier bewegen ließ. Danach hat das Team Computersimulationen vorgenommen, um die Umströmung des Arms durch die Flüssigkeit und die Kräfte, die auf den Arm einwirken, zu berechnen. Jede Simulation umfasste rund 4 Millionen Freiheitsgrade und erforderte tausende Berechnungsstunden.

Der Ergebnisse sind in der Doktorarbeit von Alfred von Loebbecke, der bei Mittal studiert hat, und in einem Bericht von Loebbecke und Mittal, der für die Veröffentlichung im Journal of Biomechanical Engineering angenommen wurde, zu finden.

In den 60er Jahren ist im Schwimmen der ruderähnliche Gebrauch des Arms dank James „Doc“ Counsilman, damals Cheftrainer der Schwimmer an der Indiana University, populär geworden. Counsilman, der für seinen wissenschaftlichen Ansatz zur Mechanik der Schwimmzüge hoch geachtet wurde, war auch Cheftrainer der US-Männer, die 21 Goldmedaillen bei den Olympischen Spielen 1964 und 1976 gewonnen hatten. Counsilman bestärkte seine Schwimmer darin, den propellerartigen Armzug zu verwenden, bei dem der Ellbogen in eine höhere Position gehoben wird und sich der Arm während der Vortriebsphase einwärts und auswärts, einem Propeller ähnlich, in einem s-förmigen Muster bewegt, wenn die Hand des Schwimmers auf das Wasser auftrifft.

Bei der Arbeit an der Studie hat Mittal auch Counsilmans Überlegungen berücksichtigt. Wenn ein Propeller rotiert, so Mittal, erzeuge er einen Auftrieb, und dieser Auftrieb schiebe das Boot vorwärts. Counsilman war der Meinung, dass ein Schwimmer für ein effizientes Vorwärtskommen in einer Flüssigkeit solche Auftriebskräfte nutzen sollte. Das widersprach jedoch dem Rat vieler Schwimmlehrer.

In der Vergangenheit sei der Armzug mit der Bewegung des Paddels gleichgesetzt worden: Das Paddel werde ins Wasser geführt und dann so kraftvoll wie möglich nach hinten gestoßen. Dieser Vortrieb beruht auf dem Fahrtwiderstand der Flüssigkeit. Counsilman bestand darauf, dass die Auftriebskraft durch die propellerartige Bewegung auf effektivere Weise als durch das Paddeln den Vortrieb generiere. Aber die Untersuchung von Mittal und Loebbecke lässt darauf schließen, dass die Strömungsdynamik dieses Armzugs komplizierter ist, als der berühmte Coach gedacht hat.

Rudern, so Mittal, sei ein Armzug, der auf einer unvollständigen Einsicht der Strömungsmechanik beruhe. So habe Counsilman in seinen Überlegungen zur Ruderbewegung daneben gelegen, aber andererseits habe er auch in einigen Punkten mehr recht gehabt, als er selbst das vielleicht für möglich gehalten hätte. Der Auftrieb sei in der Tat eine wichtige Komponente zum Erzeugen der Schubkraft bei beiden Armzugarten, und das zeige, dass sich der Arm nicht einfach wie ein Paddel verhalte. Doch die Simulationen zeigten auch, dass übertriebene Ruderbewegungen, um den Auftrieb zu vergrößern und auszuschöpfen, tatsächlich sowohl den Beitrag des Auftriebs als auch den des Strömungswiderstands reduzierten.

Mittal hat die Resultate der Studie auch dem US-Schwimmteam vorgelegt. Er weist darauf hin, dass viele Spitzenschwimmer die Armzüge variieren. Außerhalb des Schwimmsports könnten Mittals Forschungen bei der Entwicklung von Exoskelett-Anzügen behilflich sein, mit denen die U.S. Navy ihren Elitetruppen ein schnelles und effizientes Schwimmen ermöglichen will. Genauso könnten die Erkenntnisse auch dazu dienen, die Freizeitschwimmer an effektivere Züge heranzuführen.

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