Việc sử dụng cơ học chất lỏng để khám phá kỹ thuật bơi của con người

24hscore – Việc sử dụng khoa học để so sánh các cơ chế bơi lội của con người và cá có thể làm sáng tỏ những cách có thể cải thiện hiệu suất của con người. Điều này củng cố nghiên cứu của Giáo sư Hideki Takagi tại Đại học Tsukuba, Nhật Bản, người có công trình bao gồm nghiên cứu thủy động lực học và cơ sinh học của bơi lội để khám phá tác động của các lực cạnh tranh đến thành tích của những vận động viên bơi lội cạnh tranh và nghệ thuật cũng như những người chơi bóng nước.

Các cơ chế liên quan đến bơi lội liên quan đến việc khai thác lực đẩy của cú đánh đồng thời vượt qua lực cản của nước và lực cản do chính người bơi tạo ra. Thật vậy, điều quan trọng là phải hiểu cơ chế tạo ra lực đẩy để đảm bảo rằng người bơi đạt được quãng đường di chuyển tối đa trong mỗi cú đánh.

Nghiên cứu thủy động lực học về bơi lội do Giáo sư Hideki Takagi, Đại học Tsukuba, Nhật Bản thực hiện, giúp người bơi và huấn luyện viên hiểu thêm về cơ chế đằng sau cú đánh, nghĩa là họ có thể điều chỉnh kỹ thuật phù hợp và khuyến khích thành tích cao trong các môn thể thao dưới nước. Anh ta sử dụng hình ảnh hóa dòng chảy, tạo ra sự thể hiện trực quan về các kiểu dòng chảy hiện tại, để phân tích định tính hoặc định lượng động lực học chất lỏng diễn ra trong quá trình bơi.

Bò trước: một bàn tay robot
Một khía cạnh trong công trình trước đây của Giáo sư Takagi đã khám phá các lực thủy động lực tác động lên cánh tay robot khi bắt chước hành trình bò. Một bàn tay và cánh tay robot được điều khiển bởi máy tính để bắt chước con người thực hiện động tác bò. Các nhà nghiên cứu đã đo các lực tác động trực tiếp lên bàn tay khi nó di chuyển trong nước cũng như sự phân bố áp suất xung quanh nó. Hình ảnh của các mẫu dòng chất lỏng thu được bằng vận tốc hình ảnh hạt 2D (PIV). PIV là một phương pháp trực quan hóa dòng chảy bao gồm việc gieo mầm chất lỏng qua đó vật thể đang chuyển động với các hạt nhỏ mà khi chiếu sáng chất lỏng sẽ trở nên nhìn thấy được. Chuyển động của các hạt nhìn thấy được sau đó có thể được sử dụng để tính toán tốc độ và hướng, hoặc vận tốc của trường dòng chảy đang được nghiên cứu.

Dữ liệu từ nghiên cứu này đã chứng minh rằng có hai cơ chế tạo ra lực không ổn định trong hành trình bò, điểm mà tại đó bàn tay thay đổi hướng và giai đoạn bàn tay di chuyển ra khỏi cơ thể theo chuyển động tròn. Mặc dù dòng chất lỏng không ổn định nghe có vẻ phản trực giác đối với tốc độ bơi, nhưng điều quan trọng là phải tăng cường lực đẩy thông qua một quá trình gọi là thu hồi xoáy, khai thác hai xoáy có hướng đối lập nhau. Tiếp nối công việc này, giờ đây khi các cơ chế cơ bản đã được hiểu rõ hơn, việc nghiên cứu các trường dòng chảy bằng cách sử dụng PIV 3D và người bơi lội sẽ rất hữu ích.

Các lực không ổn định tác dụng lên một bàn tay khi chèo thuyền.
Công việc tiếp theo do Giáo sư Takagi và các cộng tác viên thực hiện đã giải quyết một câu hỏi tương tự ở trên, ngoại trừ việc tập trung vào trường dòng chảy của bàn tay trong chuyển động chèo thuyền, thay vì trong khi bò.

Nhóm nghiên cứu lại sử dụng PIV để nghiên cứu các lực chuyển động tác động lên bàn tay trong quá trình chuyển động lướt sóng. Một người tham gia được đưa vào và anh ta được yêu cầu thực hiện chuyển động chèo thuyền trong dòng nước có dòng chảy được kiểm soát trong khi vẫn giữ nguyên tư thế cố định càng lâu càng tốt. Phân tích chuyển động 3D cũng được sử dụng. Kết quả cho thấy một người bơi giỏi có thể tạo ra lực không ổn định lớn, như với động tác bò. Những lực này được tạo ra bởi chuyển động hướng ra ngoài của mép bàn tay và chuyển động hướng vào trong đối nghịch của lòng bàn tay. Điều thú vị là các nhà nghiên cứu cũng quan sát thấy hiện tượng lực không ổn định tương tự ở côn trùng bay, cho thấy rằng điều quan trọng là người bơi phải khai thác triệt để các xoáy tự tạo được tạo ra trong quá trình bơi và việc hiểu rõ hơn về quá trình này có thể giúp cải thiện kỹ thuật chèo thuyền. Hơn nữa, Giáo sư Takagi nhận thấy tiềm năng của những phát hiện từ nghiên cứu này sẽ được áp dụng vào các kỹ thuật bơi đồng bộ và giúp người bơi giữ vị trí cơ thể cao hơn trong nước.

Các cơ chế liên quan đến bơi lội liên quan đến việc khai thác lực đẩy của cú đánh đồng thời vượt qua lực cản của nước và lực cản do chính người bơi tạo ra.

Lực chất lỏng xung quanh bàn chân khi bơi ếch
Không chỉ cánh tay và bàn tay ảnh hưởng đến lực chất lỏng khi bơi mà chân và bàn chân cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra lực đẩy. Khi con người bơi với vận tốc không đổi, lực đẩy trung bình thường bằng lực cản chủ động ngược chiều. Tuy nhiên, có những khó khăn trong việc đo các lực này trong môi trường thực nghiệm. Trong khi các phương pháp đã được đề xuất để ước tính lực chất lỏng tác động lên các bộ phận khác của cơ thể người bơi, như đã đề cập trước đó, thì chi dưới ít được chú ý hơn. Do đó, Giáo sư Takagi và các cộng tác viên tại Viện Công nghệ Tokyo đã bắt đầu thử nghiệm việc sử dụng chân robot để ước tính lực chất lỏng tác động lên bàn chân trong khi đá và kiểm tra việc chuyển tải lực này sang người bơi lội.

Thử nghiệm cho thấy có mối tương quan chặt chẽ giữa lượng chất lỏng ước tính được ép vào chân robot và đối với người bơi, cho thấy rằng cánh tay robot tạo ra kết quả thực tế và do đó có thể hữu ích để đánh giá các chuyển động đá theo kiểu bơi ếch và cuối cùng là giúp hiểu rõ hơn về kỹ thuật đá.

Tác động của cú đá chân lên lực kéo trong quá trình bò về phía trước.
Công trình gần đây hơn của Giáo sư Takagi và các đồng nghiệp đã xây dựng dựa trên những phát hiện về cú đá chân trong bơi ếch và khám phá tác động của cú đá chân lên lực kéo chủ động trong quá trình bò về phía trước. Khi cánh tay và chân di chuyển liên tục trên mặt nước và tạo thêm lực cản do nước bắn tung tóe và sóng, việc đánh giá lực cản tác động lên người bơi đang hoạt động là một thách thức.

Do sự phức tạp của cú bơi, cần phải nghiên cứu tác động của cú đá lên lực cản chủ động bằng cách phân tích những người bơi có và không có sự tham gia của chi dưới.

Trong thử nghiệm này, họ so sánh lực cản chủ động được tạo ra khi bơi chỉ bằng tay hoặc sử dụng tay và chân trong toàn bộ hành trình. Lực cản chủ động và lực cản thụ động đã được đo, trong đó lực cản chủ động sẽ lớn hơn trong điều kiện bơi lội so với khi người tham gia ở tư thế thuôn gọn. Ngược lại, chuyển động của chân không làm thay đổi hệ số cản. Điều này cho thấy rằng, mặc dù chuyển động của chi trên và chi dưới có thể làm tăng sức đề kháng so với điều kiện thụ động, nhưng tác động của cú đá chân có thể phụ thuộc vào tốc độ bơi.

Nếu lực đẩy do người bơi tạo ra có thể được khai thác hiệu quả hơn thì hiệu suất sẽ được cải thiện.

Thật vậy, đây là một trong những nghiên cứu đầu tiên kiểm tra lực cản do chuyển động của chân gây ra trong quá trình bò về phía trước và nghiên cứu trong tương lai có thể liên quan đến việc xem xét lực cản chủ động được tạo ra khi người bơi tiếp xúc với các điều kiện của cuộc đua. Hạn chế của nghiên cứu là mỗi người bơi lội có một kỹ thuật hơi khác nhau có thể ảnh hưởng đến kết quả, nhưng việc đưa vào các công cụ khác như phân tích chuyển động 3D và phân tích phân bổ áp lực sẽ giúp hiểu sâu hơn về vai trò của cú đá chân trong quá trình bò về phía trước.

Hình ảnh 3D của dòng chảy trong cú đá của cá heo
Ngoài bơi ếch và bò về phía trước, nhóm nghiên cứu tại Đại học Tsukuba đã hợp tác với các nhà nghiên cứu từ Na Uy, Úc và các viện nghiên cứu khác của Nhật Bản để kiểm tra cơ chế đẩy của hoạt động bơi dưới nước nhấp nhô (UUS). ), hay cú đá cá heo, động tác mà người bơi thường sử dụng khi đẩy mình ra khỏi mép hồ bơi sau một lượt rẽ.

Một vận động viên bơi lội cấp quốc gia đã thực hiện hơn 40 lần thử nghiệm UUS. Một hệ thống ghi lại chuyển động và PIV đã được sử dụng để ghi lại các trường dòng chảy 3D xung quanh người bơi, cho thấy chuyển động quay của chi dưới và chuyển động của bàn chân là nguyên nhân tạo ra các xoáy dẫn đến lực đẩy của người bơi. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã có thể mô tả và giải thích cơ chế đẩy của UUS, điều mà trước đây chưa được hiểu rõ.

Kết luận Sự
kết hợp giữa kỹ thuật thể thao và vận động viên bơi lội của Giáo sư Takagi để thực hiện việc hình dung dòng chảy của các lực liên quan đến bơi lội đã mở rộng kiến ​​thức kỹ thuật của chúng ta về bơi lội. Nếu lực đẩy do người bơi tạo ra có thể được khai thác hiệu quả hơn thì hiệu suất sẽ được cải thiện. Hơn nữa, việc phát triển các công nghệ nhân tạo có thể được sử dụng để tái tạo và đo lường chính xác động lực học chất lỏng của người bơi sẽ loại bỏ sự khác biệt trong kỹ thuật bơi của con người và cải thiện khả năng tái tạo của các thử nghiệm.

Phản ứng cá nhân

Bạn đã xem xét sự liên quan của chi trên và chi dưới trong hai động tác bơi phổ biến nhất là bơi ếch và bò về phía trước, nhưng nghiên cứu trong tương lai của bạn sẽ tập trung vào điều gì?

<> Bạn có biết tại sao nội dung ‘tự do’ lại tồn tại trong môn bơi cạnh tranh mặc dù 99,9% vận động viên bơi trong nội dung đó bơi bằng cách bò trước không? Bởi vì có khả năng phát minh ra một kiểu bơi mới và thậm chí còn nhanh hơn mà hiện tại vẫn chưa được biết đến. Vì vậy, chúng tôi mong muốn góp phần phát triển một phong cách bơi mới cho người bơi và huấn luyện viên thông qua kết quả nghiên cứu của mình.