PIV法を用いた競泳動作のダイナミクスの解析とモデルの作成

2004 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16300202
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 野村 武男 筑波大学, 大学院・人間総合科学研究科, 教授 (80091817)
• 研究分担者: 松内 一雄 筑波大学, 大学院・システム情報工学研究科, 教授 (70111367) ; 榊原 潤 筑波大学, 大学院・システム情報工学研究科, 助教授 (10292533) ; 椿本 昇三 筑波大学, 大学院・人間総合科学研究科, 助教授 (50180039) ; 本間 三和子 筑波大学, 大学院・人間総合科学研究科, 助教授 (80241800) ; 高木 英樹 筑波大学, 大学院・人間総合科学研究科, 助教授 (80226753) ; 中島 求 東京工業大学, 情報理工学研究科, 助教授 (20272669)
• キーワード: 画像粒子追跡法(PIV法) / 非定常流れ場 / 流体力

研究概要

PIV法は流水中に微小なトレーサー粒子(50μm)を混入し、測定箇所に微小時間間隔でレーザーをシート状に照射し、微小時間での粒子の動きをCCDカメラで捉えることで時々刻々変化する流れを可視化することができるものである。水泳時の身体周りの流れ場は、定常と仮定した研究が長年行われており、現在までに非定常な流れ場について詳細に報告されているものはない。このPIV法を用いることで、非定常流れ場を時間に伴って詳細に解析することができるが、PIV法は主に細部の気流の解析や、生物では魚などの小型遊泳動物に関する研究しか行われていない。我々がヒトの水泳への応用を試みているのが世界的に見ても初と言えるものである。
昨年度まで我々が水泳に用いたPIV法はCCDカメラ1台を使用し、1つのレーザー測定平面上におけるx-y方向の速度2成分を測定することができた(2C-PIV法)。しかし、水泳中の流体流れは非常に複雑で3次元的に変化をするため、2C-PIV法では流れを定性的に評価することはできても、定量的な評価をするまでには至らなかった。現在はCCDカメラを2台使用することにより、レーザー測定面上のx-y方向の速度だけでなく、レーザーの厚さ方向分の速度、x-y-z方向の速度3成分を測定することが可能となった(3C-PIV法)。これらPIVシステムの構築が完了しつつあり、今後より詳細に流れの分析をし、流体力の定量的な分析に移行していく。
また、PIV法を用いた解析と平行して、水泳運動のシミュレーションモデルの作成も行っており、現在はドルフィンキック動作モデルの完成を目指して研究を進めている。今後このシミュレーションモデルにPIV法で測定した定量的データを加えることで、シミュレーションの完成度を高めていき、水泳指導に有益なものにしていく。

研究成果

• [雑誌論文] Visualization of Flow Pattern Caused by a Dummy with Swimsuits Using Particle Image Velocimetry (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Miwa, T.Nomura, K.Matsuuchi, J.Sakakibara, H.Shintani, B.E.Ungerechts
  • 雑誌名: CD-ROM abstract of European Collage of Sports Science
• [雑誌論文] Unsteady flow measurement around a human hand in swimming using PIV (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Matsuuchi, T.Miwa, T.Nomura, J.Sakakibara, H.Shintani, B.E.Ungerechts
  • 雑誌名: CD-ROM abstract of European Collage of Sports Science
• [雑誌論文] The Effects of Triathlon Wet Suits on Physiological Responses and Stroke Parameters during Submaximal Swimming (2004)
  • 著者名/発表者名: M.Tomikawa, T.Nomura
  • 雑誌名: Supplement of Medicine & Science in Sports & Exercise 36(5) ページ: S169