2023 Fiscal Year Annual Research Report
Experimental study on vortical propulsion mechanism of biology locomotion on water surface
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20K04257
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
李鹿 輝 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (00253906)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 水面歩行生物 / 推進メカニズム / 三次元渦 / アメンボ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、水面歩行生物の渦推進メカニズムを定量的に解明するため、アメンボを対象とする、PIVと三次元トモグラフィックPIVを用いてアメンボの脚が生み出す水面下の三次元渦構造とそのダイナミックを明らかにした。
（１）成虫は前脚が着水時に沈み込むことによって、水面波を生み出しており、前脚が抵抗を発生させ、ブレーキの役割を果たしているといえる。着水時，成虫は後ろ脚周りに主要な渦を形成し、幼虫は中脚周りに主要な渦を形成していることが確認された。幼虫が着水する際、成虫よりも流れのエネルギーが最大値を示すまでの時間が短いことが示された。このことから幼虫は体重が軽く、前脚で抵抗を生み出すことができないため、成虫よりも渦の力を利用して停止していると考えられる。アメンボの運動エネルギーに関しては、連続推進では、推進を開始し始めてから運動エネルギーは一度減少してから増加しているが、これは、減少している間のアメンボの中脚の運動による水面にかかる力が推進力を妨げていることがわかった。また、運動エネルギーが最大になってから減少し続けている原因は、アメンボの中脚が離水したことで、中脚の運動による水面からの反力が得られなくなったためであり、アメンボはこの反力を最大限利用して推進していることがわかった。連続推進と推進のみを比較すると、連続推進は、初めの推進による運動エネルギーを活かすことで、推進のみより中脚による水面にかかる力が小さいのにもかかわらず、その後の最大の運動エネルギーは推進のみより大きくなっていることがわかった。
（２）４台ハイスピードビデオカメラを用いた三次元Tomographic PIVにより、アメンボの脚は生み出す三次元流れ場を計測し、様々な三次元渦の運動を抽出した。水面付近で中脚のストロークが発生した三次元ペア渦については、それぞれ独立した三次元円筒渦構造であることがわかった。
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