スポーツボールの飛翔軌跡，非定常流体力，及び渦構造の解明と展開研究
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20H04066
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 59020:Sports sciences-related
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
浅井 武 筑波大学, 体育系(名誉教授), 名誉教授 (00167868)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
洪 性賛 東京工業大学, リベラルアーツ研究教育院, 研究員 (10638547)
小池 関也 筑波大学, 体育系, 教授 (50272670)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥12,740,000 (Direct Cost: ¥9,800,000、Indirect Cost: ¥2,940,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2020: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
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| Keywords | ボール / 空力 / サッカー / 渦 / 可視化 / 流体 / キック / マグナス / 臨界レイノルズ数 / スポーツ |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，回転，及び無回転（低回転）で自由飛翔するスポーツボール（サッカー，バレー，ラグビー）の飛翔軌跡，非定常流体力，及び非定常渦構造を，3次元モーションキャプチャシステム，ボールインパクトロボット，表面流れ計測用特製ボール（タフトボール），高速カメラ，ステレオ流体可視化システム（Particle Image Velocimetry）を用いて高精度に同時計測し，ボール飛翔軌跡と，流体力，渦構造の関係を検討すると共に，ボールリリース時（インパクトを含む）の初期条件（直線運動と回転運動）やボール変形，打突形状が，ボール飛翔軌跡や非定常流体力に与える影響を明らかにする．
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度，プレミアリーグ等で使用される公式試合球を対象に，風洞実験を用いて，その空力特性を比較検討した．その結果，各ボールの臨界レイノルズ数は，Flight，Tsubasa，Pelada の順で小さい値を示していた．このことから，Flightは，他のボールと比較して，表面粗さが大きいボールであると考えられた．各ボールの飛距離を比較すると，Peladaの亜臨界から臨界領域では（U < ~15 m/s），Flight，Tsubasa，Peladaの順で大きくなっていた．しかし，超臨界領域では（U > ~25 m/s），逆にPelada，Tsubasa，Flightの順で大きくなっていた．これらのことから，Flightは，他のボールと比較して，表面粗さが大きく，超臨界領域において，わずかに，空気抵抗が大きいボールであると考えられた．
また，3Dモーションキャプチャシステムを用いて，フリーフライトで回転飛翔するサッカーボールに働くマグナス力を分析した．その結果，回転ボールの横方向速度は，直線的増加ではなく，やや増え方が鈍化しながらの増加傾向となっていた．また，これらのマグナス力の大きさ自体は，飛翔時間内に非定常的に変化しており，両方とも約1秒間に2N程度から1N程度に減少する傾向を示していた．空気粘性による回転数の低下は，実験計測によると，通常の飛翔速度（5m/s～35 m/s）においては，せいぜい5パーセント程度と少なく，マグナス力の減少に対する影響は小さいと推定された．一方，，curve (a)とcurve (b)の飛翔速度が，約75パーセントに減少する間に，マグナス力は約50パーセントに低下していた．これらのことから，カーブキックにおけるマグナス力減少の主な原因は，ボールの空気抵抗による飛翔速度（流速）の低下であると考えられた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
基礎的流体力（空力）測定では，風洞実験を基礎に，サッカーボールとバレーボールの抗力，揚力，臨界レイノルズ数等の空力特性を分析，検討している．それらの成果の一部は，Hong S, Ozaki H, Watanabe K, Asai T: Aerodynamic Characteristics of New Volleyball for the 2020 Tokyo Olympics. Appl. Sci. 10, 3256, 2020-5.において，報告している．
また，非定常流体力（空力）測定では，3Dモーションキャプチャシステムを用いて，フリーフライトにおける回転，及び低回転で飛翔するサッカーボールの空力特性を分析している．それらの成果の一部は，Asai T, Kimachi K, Liu R, Koido M, Nakayama M, Goff JE, Hong S: Measurements of the Flight Trajectory of a Spinning Soccer Ball and the Magnus Force Acting on It. Proceedings. 49, 88, 2020-6として報告されている．
さらに，渦動態の可視化では，サッカーボール後流の断面における速度ベクトルと渦度を，CFD（Computational Fluid Dynamics）とステレオ流体可視化システム（Particle Image Velocimetry）によって，可視化，分析を試みている．
加えて，サッカーのボールインパクト動作計測では，3Dモーションキャプチャシステムを用いて，回転，及び低回転で射出するキックテクニックにおけるボールインパクトポイントや，蹴り足のスイング特性に関する分析を試みている．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策として，非定常流体の可視化では，モーションキャプチャシステムと半球反射マーカーを貼付した特殊タフトサッカーボール，高速カメラ（1000 fps）を用いて，サッカーボールの自由飛翔軌跡と渦構造の同時計測を実施し，非定常流体力と渦動態の関係を示す（大規模渦対の位置や方向，強さが，揚力の方向，大きさに関係すると推測される）． また，その実験手法をバレーボールにも展開し，モーションキャプチャシステムと特殊タフトバレーボール，高速カメラを用いて，バレーボールの自由飛翔軌跡と渦構造の同時計測を実施し，非定常流体力と渦動態の関係を検討する．さらに，モーションキャプチャシステムと特殊タフトラグビーボール，高速カメラを用いて，ラグビーボールの自由飛翔軌跡と渦構造を同時計測し，非定常流体力と渦動態の関係を示す．
PIV（Particle Image Velocimetry）を中心とする可視化実験では，インパクトロボットとPIVを用いて，サッカーボール後流の非定常渦構造の計測，タフトボールとの同定，データ同化を実施する．また，インパクトロボットとPIVを用いて，バレーボール後流の非定常渦構造の計測，タフトボールとの同定，データ同化を行う．さらに，インパクトロボットとPIVを用いて，ラグビーボール後流の非定常渦構造の計測，タフトボールとの同定，データ同化を進める．なお，共同研究者の洪助教は，可視化実験と分析を担当し，タフト，及びPIVの実験は，全て共同で実施する．また，共同研究者の小池教授は，モーションキャプチャシステムを活用した動力学解析を担当し，実際のキック動作，及びキックマシンにおける飛翔初期条件を計測するための，キック動作の動作解析実験と分析を共同で実施する．
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Report
(1 results)
Research Products
(7 results)
