2021 Fiscal Year Annual Research Report
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 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 筑波大学, 体育系, 助教 (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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| Keywords | ボール / 空力 / マグナス力 / フリーフライト / サッカー / 抗力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，風洞実験を用いて，新型サッカーボールの抗力，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，光学式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～35m/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
現在までに，風洞実験等を用いて，スポーツボール（サッカーボール，バレーボール等）の定常空力特性が計測，検討された．そして，ボールパネルのラフネスと臨界レイノルズ数の関係が示された．
また，高速ビデオカメラや光学式3Dモーションキャプチャシステム等を用いて，スポーツボール（サッカーボール）の自由飛翔時における非定常空力特性が計測，検討された．そして，ボール回転と自由飛翔軌跡の関係が明らかになり，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）の低下であることが示された．
ボールの定常空力特性，及び非定常空力特性は，ある程度，計測が実施でき，新たな知見が蓄積されつつあるが，そのボールをリリースするインパクト技術に関する計測等が，コロナウイルス感染症（Covid-19）等の影響により，計画の遅れが散見される．感染状況を把握，検討しつつ，感染予防対策を万全にして今後の実験，分析等を実施する予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，これまで明らかになった飛翔するボールに働く，非定常流体力の原因とそのメカニズムを探求するため，高速ビデオカメラ，可視化用特殊ボール，PIV（Particle Image Velocimetry）可視化システム等を用いてボール後流，渦動態の可視化を推進する．
また，飛翔するボールに働く非定常流体力，渦動態にフォーカスし，高速ビデオカメラ，可視化用特殊ボール，光学式3Dモーションキャプチャシステム等を用いて，非定常流体力を制御する手法やスポーツ技術を検討する．
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