Development of a new hydrodynamic analysis method for swimming underwater motion and elucidation of its mechanism
| Project/Area Number |
20H04064
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
|
| Allocation Type | Single-year Grants |
|---|
| Section | 一般 |
|---|
| Review Section |
Basic Section 59020:Sports sciences-related
|
|---|
| Research Institution | University of Tsukuba |
|---|
Principal Investigator |
高木 英樹 筑波大学, 体育系, 教授 (80226753)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
角川 隆明 筑波大学, 体育系, 助教 (00740078)
中島 求 東京工業大学, 工学院, 教授 (20272669)
仙石 泰雄 筑波大学, 体育系, 准教授 (30375365)
下門 洋文 新潟医療福祉大学, 健康科学部, 講師 (50757911)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
|
| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
|
| Budget Amount *help |
¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
|
|---|
| Keywords | 水泳 / 流体力学 / バイオメカニクス / 流れの可視化 / コンピューターシミュレーション / コンピュータシミュレーション |
|---|
| Outline of Research at the Start |
水泳水中運動の特徴として，陸上と同一の運動をしても生体への影響は大きく異なる．異なるが故に陸上では得られない運動効果が水中での運動には期待できるわけだが，実はヒトが水中で運動を行った場合，水から受ける力がどのように，どれくらい生体に作用するのか？十分明らかになっていない．そこで本研究では，いくつかの最新流体力学的解析手法を組み合わせ，これまで困難とされてきた，水泳水中運動中の流体力の発生メカニズムを解明するとともに，生体への負荷量を正確に定量できる方法論を確立し，水中リハビリテーションにおける運動処方の指標，あるいはトップスイマーの傷害予防の指針となる知見を得ることを目指す．
|
| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，クロール泳時のストローク頻度を意図的に変化させた際の手部推進力の変化の要因を明らかにすることを目的として実験を行った．
8人のエリート大学生男性スイマーを対象として，20 mのフロントクロールを5回行わせた．1回目の試技は全力泳とし，解析対象であるその後の４試技におけるストローク頻度を決定するために実施された．全力泳のストローク頻度を基準 (100%) とした上で, その後の４回の試技を 70, 80, 90, 100 %のストローク頻度で実施した．泳者の手部に働く流体力の算出のため，手掌と手背に合計６個の小型防水圧力センサを貼付し，手部表面の圧力分布を計測した．その圧力値を元に，手掌と手背の圧力差を算出し，さらに手部平面積を乗じることで手部が発揮する流体力を算出した．また，手部推進力は手部流体力の推進方向成分であるため，3次元動作分析により手部平面の法線ベクトルとその単位ベクトルを算出し，手部推進力（進行方向に作用する成分）を算出した．加えて，手部流体力をどれだけ有効に手部推進力として働かせたかを示す推進力比率を算出した．これらの変数は，１ストロークの平均と動作局面 (Glide, Pull, Push) ごとに比較された．
分析の結果，ストローク頻度の上昇に伴い，手背の圧力値が負の方向へ有意に増加し (η2 = 0.81, p < 0.001)，手掌と手背の圧力差の増加が手部流体力を上昇させた．Push局面においては，手部流体力の増加が直接手部推進力の増加に関連していた．Glide局面においては，流体力の増加だけでなく，推進力比率も上昇し，手部を前方へ移動させる以外にも，鉛直方向や左右方向へ手部を移動させる中で，手背面を推進方向に向ける割合を増加させていたと推察された．このことにより，流体力が推進方向に有効に働き，手部推進力の上昇につながっていたと考えられる．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
コロナ禍により年度当初は学内施設が利用できなかったり，研究対象者との接触を避けるため、実験が行えない状況が生じたが，年度後半は概ね計画通り実験を実施することができ，そららの研究成果をまとめて研究誌に投稿することができた．
|
| Strategy for Future Research Activity |
圧力分布計測と水中動作分析結果より，ストローク動作と流体力発揮の関係性はある程度解明されたが，そのメカニズムについては，依然不明であり，今後流れ場の可視化を行うことで明らかにする予定である．具体的には，実験用回流水槽を用いて，圧力分布計測，三次元リアルタイム動作分析の計測と同期させて，三次元PIV解析法を用いて，泳者周りの流れの可視化を行い，どのような機序で流体力が発揮されるのかを明らかにする予定である．
|
Report
(1 results)
Research Products
(2 results)
