筑波大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組，創(chuàng)造了迄今為止最完整人類(lèi)在水下游泳的記錄！就像鰻魚(yú)或七鰓鰻一樣，使用運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備和粒子速度監(jiān)視器，科學(xué)家們能夠研究這種“起伏的”水下推進(jìn)器及其產(chǎn)生的附近水流。

發(fā)現(xiàn)，聚結(jié)渦流產(chǎn)生的射流有助于解釋這種游泳方法的效率，這可能適用于新的推進(jìn)系統(tǒng)。如果觀看奧運(yùn)會(huì)游泳比賽，你可能會(huì)驚訝地看到運(yùn)動(dòng)員在比賽開(kāi)始時(shí)或剛轉(zhuǎn)過(guò)身就像鰻魚(yú)一樣蠕動(dòng)，其研究成果發(fā)表在《生物力學(xué)》期刊上。

無(wú)論在余下的一圈中使用哪種類(lèi)型的泳姿，這些參賽者都發(fā)現(xiàn)這種起伏的運(yùn)動(dòng)是快速加速的最佳方式。然而，以前并不知道為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況，更好地理解水下推進(jìn)可以促使更高效的潛艇和船只建成。在這項(xiàng)研究中，一名國(guó)家級(jí)游泳運(yùn)動(dòng)員被記錄在水槽中游泳，同時(shí)佩戴18個(gè)LED標(biāo)記。微氣泡流被用作三維水速度場(chǎng)的示蹤劑。這使得科學(xué)家們?cè)谒缕鸱鼤r(shí)能夠更充分地了解游泳者推力的來(lái)源。通過(guò)流體的推進(jìn)，無(wú)論是空氣還是水，通常依賴(lài)于動(dòng)量守恒的原理。

例如，在海洋中游泳時(shí)，用手或腳向后推水會(huì)使你向前移動(dòng)。同樣，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過(guò)將氣流向后推出發(fā)動(dòng)機(jī)而在天空中變焦。研究人員發(fā)現(xiàn)，游泳者向下踢球產(chǎn)生了前緣漩渦，這些漩渦從腳的前面移動(dòng)到腳的后面。當(dāng)這些漩渦從游泳者的身體中脫落后，它們結(jié)合成一個(gè)“漩渦尾跡”，導(dǎo)致水流噴射，推動(dòng)他前進(jìn)研究表明，可視化復(fù)雜的水流對(duì)于理解推進(jìn)效率的起源非常重要。在這種情況下，游泳者由于尾流中的漩渦和噴射流而從向下踢中獲得推力。

這些發(fā)現(xiàn)可能會(huì)提供超越人類(lèi)運(yùn)動(dòng)的洞察，這項(xiàng)研究可能有助于我們理解其他形式的水下推進(jìn)所產(chǎn)生的尾流，包括那些為船只和潛艇提供動(dòng)力的推進(jìn)器。人體起伏水下游泳(UUS)是競(jìng)技游泳中的一種水下推進(jìn)技術(shù)，其推進(jìn)機(jī)理尚不清楚。本研究目的是可視化人體在水槽中UUS過(guò)程中尾流區(qū)的三維(3D)流場(chǎng)。國(guó)家級(jí)男子游泳運(yùn)動(dòng)員配合在水槽中進(jìn)行了41次UUS試驗(yàn)，使用運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)和立體粒子圖像測(cè)速(PIV)設(shè)備來(lái)研究游泳者的三維坐標(biāo)和尾流區(qū)的三維流場(chǎng)。

將一個(gè)踢腿循環(huán)劃分為八個(gè)階段后，采用坐標(biāo)變換和相位平均的方法構(gòu)造準(zhǔn)三維流場(chǎng)。在向下踢腿結(jié)束時(shí)，觀察下肢的下肢外旋，并使雙腳相互靠近。在向下踢動(dòng)期間，在尾流區(qū)觀察到強(qiáng)烈的下游流動(dòng)，即射流，并伴隨有射流對(duì)渦結(jié)構(gòu)。在渦旋結(jié)構(gòu)中，向下踢時(shí)在尾流中產(chǎn)生一簇渦旋和射流，隨后通過(guò)旋轉(zhuǎn)的腿部運(yùn)動(dòng)將旋渦從腳中脫落。這表明，游泳者在向下踢球時(shí)，通過(guò)在腳周?chē)a(chǎn)生漩渦來(lái)獲得推力，從而碰撞形成噴流，本研究說(shuō)明和解釋了人體起伏水下游泳的推進(jìn)機(jī)制。

博科園｜研究/來(lái)自：筑波大學(xué)?

參考期刊《生物力學(xué)》

DOI: 10.1016/j.jbiomech.2019.06.013

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普

關(guān)注【博科園】看更多大美宇宙科學(xué)哦