打水動作產生的垂直渦流提供推進力與姿勢穩定性

本研究可視化了自由泳打水動作產生的水流，並分析了打水動作如何在水中產生推進力並穩定姿勢。結果證實，左右腳產生的垂直渦流不僅有助於前進，還能抑制身體晃動，從而科學地證明了打水動作的作用。

要在水中快速游泳，不僅手臂動作，腿部動作也扮演著重要角色。關於蝶泳中使用的「海豚踢」已經進行了許多研究，已知腿部動作產生的三維渦流會產生推進力。然而，對於自由泳中使用的「打水動作」，由於左右腿交替運動會產生複雜的水流，因此其在水中產生推進力的機制一直以來都不甚清楚。因此，本研究利用光學動作捕捉系統和粒子圖像測速法，詳細調查並比較了打水動作和海豚踢產生的水流。

結果顯示，打水動作與海豚踢一樣，透過腿部動作產生三維渦流，有助於在水中向前推進。另一方面，與海豚踢不同的是，打水動作由於左右腿交替運動，腳周圍會同時產生垂直方向的水流，但整體而言，「垂直向下水流」較強，這被發現可以抬升身體。此外，打水動作的一個顯著特徵是會產生不對稱渦流，這會產生一種使身體側向旋轉的力量，從而在游泳時起到穩定姿勢的作用。

這些研究結果首次透過水流的實際測量科學地證明了打水動作的推進機制，預計將有助於改進自由泳技術和教學方法。

研究代表者：

筑波大學體育系

中園 優作 特任助教（獎勵）

新潟醫療福祉大學健康科學部健康運動學科

下門 洋文 副教授

明治大學理工學部機械工學科

榊原 潤 教授

研究背景：

當物體在水中移動時，周圍的水會被推動或流動，其反作用力會推動物體向前。這是魚類和海豚等生物共有的流體力學原理，人類游泳也遵循相同的機制。因此，在游泳研究中，調查手腳動作如何產生水流並產生推進力至關重要。常用的水中推進技術包括蝶泳的「海豚踢」和自由泳的「打水動作」（Flutter Kick）。兩者都涉及腿部的上下運動，但海豚踢是雙腿同時併攏運動，而打水動作則是左右腿交替運動，這是主要區別。先前的研究表明，海豚踢可以游得更快，並產生更大的推進力。此外，對於海豚踢，已經深入研究了腳周圍形成的三維渦流如何提供向前推進力（Shimojo et al., J. Biomechanics., 2019）。然而，對於打水動作，由於左右腿向相反方向移動，水流複雜地重疊，因此渦流結構、對推進力的貢獻以及對姿勢穩定性的影響尚未得到充分理解。特別是，關於打水動作在自由泳中的作用缺乏科學依據。因此，本研究的目的是透過三維捕捉打水動作產生的水流，並與海豚踢進行比較，以闡明打水動作的推進機制和姿勢控制作用。

研究內容與成果：

本研究中，為了同時捕捉游泳者的腿部動作及其周圍的水流，我們在循環水槽中結合了三維記錄腿部動作的光學動作捕捉系統（註1）和粒子圖像測速法（PIV法：Particle Image Velocimetry）（註2），後者利用雷射光可視化水中分散的微小粒子運動以測量水流速度。這使我們能夠同時分析游泳者的踢腿動作及其產生的複雜水流。此外，本研究透過逐漸改變游泳者的位置進行測量，並虛擬重建了腳周圍形成的三維渦流結構（偽三維流場構建法）。

結果顯示，打水動作與海豚踢一樣，透過腿部動作產生三維渦流，有助於向前推進。另一方面，與海豚踢不同的是，打水動作由於左右腿交替運動，腳周圍會同時產生垂直方向的水流。然而，整體而言，「垂直向下水流」較強，這被發現可以作為抬升身體的力量。此外，打水動作的一個顯著特徵是會產生不對稱渦流。