水泳運動中の人体に生じる抵抗力の増大メカニズムの解明と数値流体力学への応用

• 研究課題/領域番号: 23K10631
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分59020:スポーツ科学関連
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 工藤 重忠 筑波大学, 体育系, 教授 (00970047)
• 研究分担者: 江並 和宏 筑波大学, システム情報系, 准教授 (00370073) ; 角川 隆明 筑波大学, 体育系, 助教 (00740078) ; 仙石 泰雄 筑波大学, 体育系, 准教授 (30375365) ; 高木 英樹 筑波大学, 体育系, 教授 (80226753) ; 鷲野 壮平 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 研究員 (30850937)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2027-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2026年度: 130千円 (直接経費: 100千円、間接経費: 30千円); 2025年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円); 2024年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2023年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
• キーワード: 抵抗力計測 / 泳者模型の作製（クロール泳） / 自己推進時抵抗力 / 水泳 / 流体力学 / バイオメカニクス

研究開始時の研究の概要

新たな科学的知見は、水泳愛好者を増やし、また水泳の競技力向上につながる。競泳の記録向上には、泳動作中の抵抗力を減少させることが重要である。近年、泳者に生じる抵抗力は泳速度の２乗ではなく、３乗に比例することが明らかになった。これは抵抗力がこれまで考えていた値より２倍以上大きくなる可能性があることを意味するが、なぜ２乗ではなく３乗に比例するのかは、現在明らかになっていない。この要因として、泳者に生じる形状抵抗、造波抵抗および泳者の加減速にともなう付加質量による抵抗力が考えられる。本研究は、これらの要因を系統的に定量・検証することで、泳者に生じる抵抗力増大のメカニズムを明らかにする。

研究実績の概要

これまでに３Dプリンターを用いて泳者の泳動作中の模型を作製した。そして、作製した模型にロードセルに固定し、力を計測することを試みた。運搬や収納の利便性を考慮して、模型のサイズを実寸より小さく作製し（1/4）、そのサイズにおける泳動作中に泳者に生じる抵抗力の計測を行ったが、これまでにそのサイズにおける事例がないため、計測することにより実際に数値を知ることができた。計測値は、予想した数値より小さな値が計測され、模型のサイズを大きくする必要があり、現在模型のサイズを調整して、可能な限り実際の泳者に近い状況をつくり追実験を行う予定である。本研究では、運搬と収納の利便性を考慮しながら、可能な限り模型を実寸より小さくして実験を行う。また、模型のサイズが決定後に他の泳フォームを代表する模型を作製し、そこに生じる抵抗力を測定する。また、模型の流水プールへの設置方法に課題が発生し、現在設置方法を修正し、新たな方法で計測を行う予定である。新たな設置装置を作製後、模型の設置する深さを調整して、形状抵抗と造波抵抗を計測し、それぞれの影響を明らかにする。これらの計測をすみやかに終え、次に模型を前後に振動できるアクチュエーターを作製する。このアクチュエーター自体もしくは模型に加速度を取り付けて、模型の加減速により生じる抵抗力を計測する。この抵抗力は模型の加減速による付加質量の影響が関係していると考えられ、本研究で重要な計測であると位置づけられる。本年度は、上述した課題を克服しつつ、これらの実験も行う予定である。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

模型のサイズによる抵抗力の大きさが、予想と少しずれていたため機材の調整に時間を要した。また、模型設置に関しても想定していなかった課題が発生した。チームメンバーと検討し、現在その修正を行っている。本年度予定している計測も、去年度のものを速やかに終え、行っていく予定である。

今後の研究の推進方策

チームで模型設置の変更点を検討し、現在は新たな設置器具を作製中である。また、模型のサイズも変更し、新たなサイズで計測を行う予定である。去年度に予定した計測に必要な計測装置は購入済みであるため、設置器具が完成し次第、計測を再開する。その計測後に、本年度予定している実験の新たな装置の作製および計測器具の購入を行う。