筑波大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組，創(chuàng)造了迄今為止最完整人類在水下游泳的記錄！就像鰻魚或七鰓鰻一樣，使用運動捕捉設(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系統(tǒng)。如果觀看奧運會游泳比賽，你可能會驚訝地看到運動員在比賽開始時或剛轉(zhuǎn)過身就像鰻魚一樣蠕動，其研究成果發(fā)表在《生物力學(xué)》期刊上。

無論在余下的一圈中使用哪種類型的泳姿，這些參賽者都發(fā)現(xiàn)這種起伏的運動是快速加速的最佳方式。然而，以前并不知道為什么會出現(xiàn)這種情況，更好地理解水下推進可以促使更高效的潛艇和船只建成。在這項研究中，一名國家級游泳運動員被記錄在水槽中游泳，同時佩戴18個LED標(biāo)記。微氣泡流被用作三維水速度場的示蹤劑。這使得科學(xué)家們在水下起伏時能夠更充分地了解游泳者推力的來源。通過流體的推進，無論是空氣還是水，通常依賴于動量守恒的原理。

例如，在海洋中游泳時，用手或腳向后推水會使你向前移動。同樣，噴氣式發(fā)動機可以通過將氣流向后推出發(fā)動機而在天空中變焦。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“漩渦尾跡”，導(dǎo)致水流噴射，推動他前進研究表明，可視化復(fù)雜的水流對于理解推進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)可能會提供超越人類運動的洞察，這項研究可能有助于我們理解其他形式的水下推進所產(chǎn)生的尾流，包括那些為船只和潛艇提供動力的推進器。人體起伏水下游泳(UUS)是競技游泳中的一種水下推進技術(shù)，其推進機理尚不清楚。本研究目的是可視化人體在水槽中UUS過程中尾流區(qū)的三維(3D)流場。國家級男子游泳運動員配合在水槽中進行了41次UUS試驗，使用運動捕獲系統(tǒng)和立體粒子圖像測速(PIV)設(shè)備來研究游泳者的三維坐標(biāo)和尾流區(qū)的三維流場。

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

博科園｜研究/來自：筑波大學(xué)?

參考期刊《生物力學(xué)》

DOI: 10.1016/j.jbiomech.2019.06.013

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