水中での推進力の増減（加減速）と効率について

質問

水中での推進力について勉強しているのですが、、、

ヒトが水中を泳いだり船が移動したりなど、水中で移動するとき（水中だけじゃないのかもしれませんが）、速度を加速・減速をさせて進むより、速度を一定に保った方が、効率よく移動できますよね？？（間違っていたらすいません）

これは、なぜ効率がいいのか教えて下さい。

水の表面なら造波抵抗が関係するのでしょうか？または、慣性の法則が働くのでしょうか？ヒトの場合、水の抵抗は速度の2乗に比例するというのを聞いたことがあるのですが、これも関係するのでしょうか？

素人ですので、参考になる文献やサイトもわかれば、教えていただけるとありがたいです。

よろしくお願いいたします。

回答No.1

noname#175206 · ベストアンサー

これは難しい問題だと思っています。もちろん、私が知らないだけで、知っている人には簡単かもしれません（船舶工学辺りに詳しい人とかかもです）。

　ヒト限定で申し上げておくと、オリンピックを含めた競泳競技で、ずっと水中で泳ぐことが禁止されています。

　ルール上の変遷では、平泳ぎが特に激しかったのですが、実は平泳ぎでは、できるだけプール底近くの水中で泳ぎ続ける方が速いのです。

　これは背泳でもそうで、水中でドルフィンキック（バタフライのように両脚を揃えて水を蹴る）で進むと、水上で腕も使うより速いのです。

　もちろん、呼吸できないので、100メートルでもメリットデメリットを考える必要はありますが、息さえ続けば水中が有利です。

　これは、水上では波を立ててしまうからです。波を立てるということは、その波のエネルギーを与えているということになります。

　これが、競泳記録に影響するほど大きいわけです。背泳で、水上では水中で有効なドルフィンキックを使わないのは、立てる波が大きくなり、ロスが大きいのです。

　動力船ですと、スクリュー以前には、船の両側に大きな水車のようなものを回す方式がありました。これが廃れたのは、やはり波にエネルギーを奪われ、水中であまり波にエネルギーを奪われないスクリューより効率が悪かったのだろうと思います。

　水中だけですと、乱流が無いと仮定すると（あると考えると実験するしかない程複雑）、速度が大きいほど抵抗が高いことになります。

　ある距離を行くとして、推進力と距離の積が必要なエネルギーになります（本当はそれ定積分になるわけですが）。

　これが速度に正比例（粘性抵抗）ですと、つまり1乗ですが、定性的に見て、速度が2倍なら、所要時間が半分で、速度を保つ力は2倍であることから、速度によらず同じであることになります。

　しかし、速度の2乗に比例（慣性抵抗）ですと、1乗より大きくなります。2乗は、最初こそ1乗より小さいわけですが（0＜x＜1なら、x＞x^2）、そこまでの低速度は事実上考えないでしょうし、そこまで低速度なら正比例（粘性抵抗）の範囲でしょう。

　定量的には、速度変化を仮定して定積分する必要がありますが、定性的には水中では速いほど、同じ距離を行くのに必要なエネルギーは大きくなるということはできるかと思います。

お礼

水泳での具体的な例、ありがとうございます。ヒトが泳ぐっていうのは、いろいろあるんですね。

参考になりました、ありがとうございます。