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

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H04066
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 浅井 武 筑波大学, 体育系, 教授 (00167868)
• 研究分担者: 洪 性賛 筑波大学, 体育系, 助教 (10638547) ; 小池 関也 筑波大学, 体育系, 准教授 (50272670)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: ボール / 空力 / 流体 / サッカー / キック / マグナス / 臨界レイノルズ数

研究実績の概要

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．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

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．

今後の研究の推進方策

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．

研究成果

• [国際共同研究] University of Lynchburg(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of Lynchburg
• [雑誌論文] Aerodynamic Characteristics of New Volleyball for the 2020 Tokyo Olympics (2020)
  • 著者名/発表者名: Hong Sungchan、Ozaki Hiroki、Watanabe Keita、Asai Takeshi
  • 雑誌名: Applied Sciences 巻: 10 ページ: 3256～3256
  • DOI: 10.3390/app10093256
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Flow Visualization of Spinning and Nonspinning Soccer Balls Using Computational Fluid Dynamics (2020)
  • 著者名/発表者名: Asai Takeshi、Nakanishi Yasumi、Akiyama Nakaba、Hong Sungchan
  • 雑誌名: Applied Sciences 巻: 10 ページ: 4543～4543
  • DOI: 10.3390/app10134543
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of Surface Groove Structure on the Aerodynamics of Soccer Balls (2020)
  • 著者名/発表者名: Hong Sungchan、Asai Takeshi
  • 雑誌名: Applied Sciences 巻: 10 ページ: 5877～5877
  • DOI: 10.3390/app10175877
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Influence of Surface Properties on Soccer Ball Trajectories (2020)
  • 著者名/発表者名: Goff John Eric、Hong Sungchan、Asai Takeshi
  • 雑誌名: Proceedings 巻: 49 ページ: 143～143
  • DOI: 10.3390/proceedings2020049143
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparison of Biomechanical Factors among Straight, Curve and Knuckle Kicking Motions in Soccer (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimachi Kaoru、Liu Richong、Koido Masaaki、Hong Sungchan、Shimonagata Shuji、Nakayama Masao、Asai Takeshi
  • 雑誌名: Proceedings 巻: 49 ページ: 119～119
  • DOI: 10.3390/proceedings2020049119
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Measurements of the Flight Trajectory of a Spinning Soccer Ball and the Magnus Force Acting on It (2020)
  • 著者名/発表者名: Asai Takeshi、Kimachi Kaoru、Liu Richong、Koido Masaaki、Nakayama Masao、Goff John Eric、Hong Sungchan
  • 雑誌名: Proceedings 巻: 49 ページ: 88～88
  • DOI: 10.3390/proceedings2020049088
  • 査読あり / オープンアクセス