• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to previous page

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

Research Project

Project/Area Number 20H04066
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 59020:Sports sciences-related
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

浅井 武  筑波大学, 体育系(名誉教授), 名誉教授 (00167868)

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)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
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)
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
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.

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.

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.

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.

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(7 results)

All 2020 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 6 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Lynchburg(米国)

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Journal Article] Aerodynamic Characteristics of New Volleyball for the 2020 Tokyo Olympics2020

    • Author(s)
      Hong Sungchan、Ozaki Hiroki、Watanabe Keita、Asai Takeshi
    • Journal Title

      Applied Sciences

      Volume: 10 Issue: 9 Pages: 3256-3256

    • DOI

      10.3390/app10093256

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Flow Visualization of Spinning and Nonspinning Soccer Balls Using Computational Fluid Dynamics2020

    • Author(s)
      Asai Takeshi、Nakanishi Yasumi、Akiyama Nakaba、Hong Sungchan
    • Journal Title

      Applied Sciences

      Volume: 10 Issue: 13 Pages: 4543-4543

    • DOI

      10.3390/app10134543

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Effect of Surface Groove Structure on the Aerodynamics of Soccer Balls2020

    • Author(s)
      Hong Sungchan、Asai Takeshi
    • Journal Title

      Applied Sciences

      Volume: 10 Issue: 17 Pages: 5877-5877

    • DOI

      10.3390/app10175877

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Influence of Surface Properties on Soccer Ball Trajectories2020

    • Author(s)
      Goff John Eric、Hong Sungchan、Asai Takeshi
    • Journal Title

      Proceedings

      Volume: 49 Pages: 143-143

    • DOI

      10.3390/proceedings2020049143

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Comparison of Biomechanical Factors among Straight, Curve and Knuckle Kicking Motions in Soccer2020

    • Author(s)
      Kimachi Kaoru、Liu Richong、Koido Masaaki、Hong Sungchan、Shimonagata Shuji、Nakayama Masao、Asai Takeshi
    • Journal Title

      Proceedings

      Volume: 49 Pages: 119-119

    • DOI

      10.3390/proceedings2020049119

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Measurements of the Flight Trajectory of a Spinning Soccer Ball and the Magnus Force Acting on It2020

    • Author(s)
      Asai Takeshi、Kimachi Kaoru、Liu Richong、Koido Masaaki、Nakayama Masao、Goff John Eric、Hong Sungchan
    • Journal Title

      Proceedings

      Volume: 49 Pages: 88-88

    • DOI

      10.3390/proceedings2020049088

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2022-07-01  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi