Att vinna simguld i Tokyo, simmare måste inte bara generera otrolig kraft med sina armar och ben för att driva sig genom vattnet; de måste också övervinna den obevekliga dragningen av vattnets drag medan de gör det.

Utan att kunna ta på sig speciella dräkter med låg dragkraft eller använda teknik för att hjälpa dem att flyga över vattnet, hur kan simmare göra effekten av vattnets drag så liten som möjligt?

De bästa idrottarna i årets OS kommer att göra det genom att simma under, snarare än ovanpå, vattnet — åtminstone så långt reglerna tillåter.

Vågor är ett drag

Vatten är mycket tätare än luft, så du kan anta att simmare skulle ha nytta av att använda en teknik som gör att de kan sitta högt i vattnet, med så mycket av sin kropp ur vattnet som möjligt.

Men det finns två problem med denna strategi.

Först, det kostar energi att producera de krafter som behövs för att lyfta kroppen, vilket skulle vara bättre spenderat på att driva simmaren framåt mot målväggen.

Andra, när vi färdas på vattenytan slösar vi energi på att göra vågor. Under snabb simning, som i sprint freestyle eller under starter och vändningar (där hastigheter överstiger 2 meter per sekund, eller cirka 7 kilometer i timmen), våggenerering saktar ner simmaren mer än någon annan faktor. Att minska vågbildningen är därför avgörande för simframgång.

Vågor produceras när det tryck som simmaren utövar på vattnet tvingar vattnet uppåt och ut ur sin väg. Andra tryckförändringar runt simmarens kropp gör också att vågor bildas bakom dem, och ibland åt sidan.

Energin som krävs för att generera vågor kommer från simmaren själva, så mycket av den kraft som genereras av simmarens muskler används i våggenerering snarare än att flytta simmaren framåt.

Men vågor bildas inte när vi (eller fiskar, delfiner eller valar) simmar under vattnet, eftersom vågor bara bildas när ett föremål (som vi) rör sig vid gränsen mellan två vätskor med olika densitet, som vatten och luft under simning. Och detta faktum antyder en spännande lösning på dragfrågan.

En förändring i tänkandet

Simmare hade märkt fördelarna med att vistas under vattnet från åtminstone 1950-talet.

Bröstsimstävlingen var orsaken till stora kontroverser under de olympiska spelen i Melbourne 1956 då simmare experimenterade med att hålla sig under vattnet under stora delar av sina lopp. Vinnaren av herrarnas 200 meter, Masaru Furukawa från Japan, simmade under vattnet under de flesta av de tre första varven av fyravarvsloppet. Denna praxis förbjöds snabbt efter spelen; simmare tvingades till ytan innan de kunde börja simma.

Men övningen att simma under vattnet i freestyle (front crawl), fjärils- och ryggsimstävlingar tog fart först efter att simmare bemästrat "undervattensvågtekniken, "mer känd som delfinspark.

Här, simmaren driver fram sig själv under vattnet genom att vågforma underkroppen på ett vågliknande sätt samtidigt som de bibehåller en stel och strömlinjeformad överkroppsposition med armarna utsträckta över huvudet.

Amplituden på underkroppens vågformning ökar från höfterna till fötterna så "vågen" som produceras av kroppen är mycket större ner mot fötterna, skapar en piskliknande effekt. Detta trycker vatten snabbt bakåt, driva simmaren framåt enligt Newtons lag om handling och reaktion.

Genom att använda denna teknik, simmare i ryggsimstävlingar fick en betydande fördel från 1980-talet och framåt, och från 1990-talet var det också vanligt i freestyle- och fjärilsevenemang.

Tekniken var så effektiv att simningens styrande organ, FINA, begränsade dess användning till endast 15-meterssegmentet efter starter och svängar. Simmare diskvalificeras nu om de simmar för långt under vattnet.

Ändå är fördelarna med att förbättra unduleringstekniken under vattnet så stora att simmare fortfarande spenderar timmar varje vecka på att träna för att förbättra denna del av loppet.

Nycklar till framgång under vattensimning

Även om ett pågående forskningsarbete syftar till att hitta den optimala tekniken för olika simmare, några metoder verkar vara vanligt förknippade med undervattensframgång.

Först, simmare som stannar under vattnet hela 15 meter kommer att få snabbare starter, vändningar och totala tävlingstider. Denna effekt är särskilt stark i ryggsimsevenemang, och när simmare får ut det mesta av den sista svängen i ett lopp (när simmare vanligtvis går upp snabbare eftersom de börjar tröttna).

Andra, att hålla sig djupare under vattnet är viktigt. Vågmotståndet minskas något genom att simma strax under ytan, men att simma 40–60 centimeter under vattnet kan minska luftmotståndet med 10–20 %. Och det finns ytterligare fördelar när du simmar en meter eller mer under vattnet, speciellt när start- och svänghastigheterna är höga (som i de flesta kortare lopp).

Tredje, de bästa simmare kommer sannolikt att visa en snabbare sparkfrekvens, även om varje spark inte är större än de för långsammare simmare. Särskilt, en snabb förlängning av knät i nedslaget av sparken som sker i slutet av den vågliknande rörelsen kan skilja de snabbare från långsammare undervattenssimmare.

Och slutligen, även om det kommer att vara svårt att upptäcka i undervattenskamerabilderna vid OS, fötterna på de snabbare undervattenssimmarna kan rotera inåt under nedslaget av sparken, snarare än att hålla sig stelt i linje med benet. Denna rotation gör det möjligt för fötternas övre ytor att orientera sig horisontellt mot simriktningen, precis som flöjten (svansen) på en delfin eller val ligger horisontellt mot deras simriktning, ger mer framdrivning vid fötterna.

Ubåt mot guld

Så, vid de olympiska spelen i Tokyo, leta efter simmare som stannar under vattnet så länge som tillåts i starter och svängar, och kontrollera teknikerna de använder när regissören skär till undervattensskotten.

De simmare som gör det mesta av dessa delar av loppet kanske bara driver sig till OS-guld.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.