筑波大学领导的一个研究小组，创造了迄今为止最完整人类在水下游泳的记录！就像鳗鱼或七鳃鳗一样，使用运动捕捉设备和粒子速度监视器，科学家们能够研究这种“起伏的”水下推进器及其产生的附近水流。发现，聚结涡流产生的射流有助于解释这种游泳方法的效率，这可能适用于新的推进系统。如果观看奥运会游泳比赛，你可能会惊讶地看到运动员在比赛开始时或刚转过身就像鳗鱼一样蠕动，其研究成果发表在《生物力学》期刊上。
无论在余下的一圈中使用哪种类型的泳姿，这些参赛者都发现这种起伏的运动是快速加速的最佳方式。然而，以前并不知道为什么会出现这种情况，更好地理解水下推进可以促使更高效的潜艇和船只建成。在这项研究中，一名国家级游泳运动员被记录在水槽中游泳，同时佩戴18个LED标记。微气泡流被用作三维水速度场的示踪剂。这使得科学家们在水下起伏时能够更充分地了解游泳者推力的来源。通过流体的推进，无论是空气还是水，通常依赖于动量守恒的原理。
例如，在海洋中游泳时，用手或脚向后推水会使你向前移动。同样，喷气式发动机可以通过将气流向后推出发动机而在天空中变焦。研究人员发现，游泳者向下踢球产生了前缘漩涡，这些漩涡从脚的前面移动到脚的后面。当这些漩涡从游泳者的身体中脱落后，它们结合成一个“漩涡尾迹”，导致水流喷射，推动他前进研究表明，可视化复杂的水流对于理解推进效率的起源非常重要。在这种情况下，游泳者由于尾流中的漩涡和喷射流而从向下踢中获得推力。
这些发现可能会提供超越人类运动的洞察，这项研究可能有助于我们理解其他形式的水下推进所产生的尾流，包括那些为船只和潜艇提供动力的推进器。人体起伏水下游泳(UUS)是竞技游泳中的一种水下推进技术，其推进机理尚不清楚。本研究目的是可视化人体在水槽中UUS过程中尾流区的三维(3D)流场。国家级男子游泳运动员配合在水槽中进行了41次UUS试验，使用运动捕获系统和立体粒子图像测速(PIV)设备来研究游泳者的三维坐标和尾流区的三维流场。
将一个踢腿循环划分为八个阶段后，采用坐标变换和相位平均的方法构造准三维流场。在向下踢腿结束时，观察下肢的下肢外旋，并使双脚相互靠近。在向下踢动期间，在尾流区观察到强烈的下游流动，即射流，并伴随有射流对涡结构。在涡旋结构中，向下踢时在尾流中产生一簇涡旋和射流，随后通过旋转的腿部运动将旋涡从脚中脱落。这表明，游泳者在向下踢球时，通过在脚周围产生漩涡来获得推力，从而碰撞形成喷流，本研究说明和解释了人体起伏水下游泳的推进机制。
博科园｜研究/来自：筑波大学
参考期刊《生物力学》
DOI: 10.1016/j.jbiomech.2019.06.013
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