Анализ и качественное влияние больших грудей на аэродинамические характеристики

Анализ и качественное влияние больших грудей на аэродинамические характеристики

сравнении эффектов большой груди с эффектами той же модели, но с меньшей площадью груди

Драконья горничная мисс Кобаяси

Н. Рабино (N. Rabino), Университет Иллинойса в Чикаго, "Анализ и качественное влияние большой груди на аэродинамические характеристики и след персонажа из «Драконьей горничной мисс Кобаяси»", январь 2018.

Методология вычислительной гидродинамики используется для изучения заметных особенностей потока вокруг груди человеческой фигуры и описания аэродинамических различий, связанных с их геометрическим присутствием. Для исследования предлагаются две модели: трёхмерная референс, основанная на дизайне персонажа с заметно пышной фигурой, и модификация этого рисунка, при которой размер груди значительно уменьшается. Обе модели тестируются на скоростях от 1 до 30 м/с с использованием усреднённого по Рейнольдсу Navier Stokes (RANS). Сопротивление, подъёмная сила и трение кожи, а также кинетическая энергия турбулентности (TKE) исследуются и сравниваются между различными моделями. Ожидается, что текущие результаты предоставят полезную информацию о достоверности утверждения «Плоскость — это справедливость» с аэродинамической точки зрения. Кроме того, результаты могут предоставить ценные данные, изучающие антропометрическое присутствие больших грудей в спортивной аэродинамике.

Введение
Аэродинамика человеческого тела является областью ценных исследований в различных аспектах спорта и соревнований. Сопротивление воздуха является важным фактором во многих временных испытаниях, и повышение потенциальной эффективности может быть достигнуто путем изучения обтекания человеческой фигуры потоком воздуха. Исследования, касающиеся лобового сопротивления человеческого тела с использованием аэродинамических труб, можно найти начиная с 1920-х годов. Небольшая выборка последующих исследований, изучающих влияние лобового сопротивления, охватывает такие области, как бег, езда на велосипеде, катание на лыжах и коньках, что подтверждает актуальность аэродинамических исследований человеческого тела в отношении производительности.

Во многих таких исследованиях авторы стремятся изучить влияние положения тела на лобовое сопротивление, а некоторые используют множество испытуемых с различными антропометрическими пропорциями для описания обобщенного результата в отношении такого положения тела.

В некоторых интернет-сообществах, и это актуально для нынешней эпохи, появилось лаконичное утверждение: «Плоская грудь – это справедливость», которое, как следствие, порождает интересные дебаты, способные распространяться в СМИ. По сути, это утверждение описывает восхищение женщинами с плоской грудью, что затрагивает особый аспект, который еще не полностью изучен в аэродинамике человека, а именно, влияние груди на сопротивление и общие аэродинамические характеристики. Данная работа призвана внести вклад в понимание того, как большая грудь может влиять на динамику следа за человеком, с помощью инструментов моделирования вычислительной гидродинамики (CFD). Эта работа сосредоточена исключительно на сравнении соответствующих эффектов большой груди выбранной модели человека с эффектами той же модели, но с «меньшей площадью груди».

В следующих разделах будет представлено общее понимание следа, оставляемого человеком, в контексте упрощенной геометрии, а также инженерные приложения, описана выбранная геометрия и модели человека, соответствующие граничные условия, управляющие уравнения и численные методы, используемые для решения уравнений. Подробно описана вычислительная неопределенность, за которой следуют обширные результаты и их обсуждение.

Предложение по дизайну и масштабирование модели
Использование реалистичных моделей человека позволяет лучше понять соответствующие характеристики потока, поскольку они значительно отличаются от характеристик обобщенных моделей. Чрезмерная степень упрощения при использовании манекена может повлиять на возможность получения точных результатов и, следовательно, исключает использование упрощенной модели для данного исследования. Однако получение 3D-сканированной модели человека со значительным бюстом, несомненно, оказалось сложной задачей. Для решения этой проблемы использован весьма нетрадиционный подход.

Анимационная адаптация «Драконьей горничной мисс Кобаяси», будучи популярным шоу и породившим значительную субкультуру в интернете, оказалась подходящей с точки зрения предоставления потенциальных моделей. Персонажи-драконы (сами основанные на мифически и культурно известных драконах) принимают человеческую форму, чтобы взаимодействовать с другими людьми в этом хорошо принятом городском фэнтези в жанре «повседневная жизнь». Большинство человеческих форм женских драконов обладали внушительной грудью. Однако Кетцалькоатль (канонически именуемая «Лукоа» и именуемая так на протяжении всей этой статьи) благодаря своим внушительным размерам стала комическим персонажем адаптации, что делает её идеальным кандидатом на роль подходящей модели. Будучи явно самой крупной среди своих собратьев-драконов, Лукоа обеспечивает наилучший контраст между большой грудью и её полным отсутствием. Для наиболее прямого сравнения влияния большой груди на эффект, в данном исследовании предложено использовать резкое уменьшение размера груди.

Для получения точных результатов при использовании описанных далее в данной статье моделей важно, чтобы рассматриваемый объект соответствовал реальным масштабам. Рост Лукоа в человеческом обличье не указан явно ни в одном из соответствующих источников, включенных в исследование автора. Таким образом, рост Лукоа необходимо оценивать относительно объектов, для которых можно легко найти разумные измерения. К счастью, в 6-й серии 1-го сезона анимационной адаптации есть сцена, где Лукоа проходит через дверной косяк. Предполагая, что дверь имеет типичный размер, используемый для наружных входов, а также учитывая, что масштаб Лукоа в сцене соответствует действительности, мы можем оценить ее рост, используя метод точки схода. Используя дверь, для оценки роста Лукоа, определено, что ее рост составляет приблизительно 177 см до верха шляпы, а рога увеличивают ее общую высоту до 182 см. Эти цифры можно считать разумными, исходя из канонических описаний высокого роста Лукоа по сравнению со средним ростом японской женщины в 158 см.

Трехмерные модели и анализ геометрии
Поскольку Лукоа — вымышленный персонаж, обычно изображаемый в двухмерном мире, определение ее формы между двумя предложенными вариантами дизайна требует добавления еще одного измерения к ее модели. К счастью, была использована доступная трехмерная модель Лукоа, что позволило провести моделирование. Эта трехмерная модель MikuMikuDance (далее именуемая «Нормальная» модель) импортирована в программу трехмерного моделирования Blender, масштабирована до определенной высоты, как описано в предыдущем разделе, а затем экспортирована в файл STL. Затем этот файл STL исправлен с помощью встроенной функции исправления в Microsoft 3D Builder из-за нечистой геометрии, присущей модели. Для получения модифицированной конструкции (далее именуемой «Плоская» модель) оригинальная модель Miku-MikuDance модифицирована с использованием встроенных инструментов Blender для существенного уменьшения размера груди Лукоа.

Процесс экспорта и исправления остался таким же, как и для оригинальной модели. Все положения между двумя моделями остаются неизменными, так что уменьшение размера груди остается единственным геометрическим различием, которое необходимо исследовать. Хотя типичная ортостатическая (стоячая) ориентация человека предполагает расслабленное положение верхних конечностей, руки остаются в положении приведения под углом 45 к туловищу, поскольку это стандартная поза при импорте модели. Такое положение рук также имеет преимущество в данном исследовании, поскольку потенциально позволяет провести более тщательный анализ влияния груди на область следа, тогда как в нейтральной стоячей позе руки будут мешать последующему эффекту груди. Волосы остаются смоделированными как сплошные, чтобы уменьшить сложность моделирования и настройки. Хотя люди естественным образом наклоняются вперед против направления ветра для поддержания равновесия, этот фактор не учитывается в данном исследовании, поскольку такой наклон изменил бы площадь лобового сопротивления потоку жидкости и, следовательно, усложнил бы сравнение со статическими эталонными моделями.

В габаритах обе модели имеют схожие размеры: высота и размах рук составляют 1,82 и 1,387 метра соответственно. Глубина модели Normal составляет 0,525 метра, тогда как у модели Flat — всего 0,414 метра. Фронтальная проекция обеих моделей составляет 0,584 м2. Разница в объеме между ними составляет 9,19 л, что указывает на то, что каждая грудь у модели Normal имеет огромный объем — приблизительно 4,6 л. Окружность под грудью у модели Normal составляет приблизительно 64 см, а обхват груди — 115 см. У модели Flat обхват под грудью такой же, а обхват груди — 68 см. Попытка сопоставить размеры и объем груди модели Normal с существующими шкалами размеров чашек затруднительна, поскольку эти измерения исключительно велики и превышают объемы, измеренные в других исследованиях. Используя шкалу JIS L 4006:1998 и экстраполируя размер чашки от самого большого указанного размера (I-чашка), модель Normal можно описать как на 10 чашек больше; приблизительно «S65». Модель Flat резко контрастирует с этим, поскольку соответствует миниатюрному размеру «AA65». Резкая разница в размере бюста между моделями приводит к наиболее значительному изменению результатов; предполагается, что из-за абсурдного размера бюста любой размер меньше, чем у модели Normal, будет иметь результат, который будет находиться в диапазоне между обеими моделями.

Результаты и обсуждение
Непосредственные расхождения между моделью Лукоа и другими моделями людей, использованными в аналогичных исследованиях (помимо того факта, что у нее огромная грудь), заключаются в наличии рогов, бейсболки, поднятых рук и плотно смоделированных волос. Каждый из этих элементов по-своему влияет на след, и эти индивидуальные эффекты описаны в следующих подразделах. Важно понимать, что, хотя эти различия между Лукоа и другими моделями людей присутствуют, они, тем не менее, не влияют на прямое сравнение между нормальной и плоской моделями, что было основной целью данной работы. В следующем подразделе подробно рассматриваются изменения сопротивления и подъемной силы при изменении скорости воздуха и сравниваются результаты с предыдущими исследованиями человеческой формы. В последующих подразделах рассматриваются различия в структуре следа посредством анализа линий тока, скоростей, турбулентной кинетической энергии и трения кожи. Хотя нельзя дать четких комментариев относительно краткой формы мгновенных структур потока, описываются квазистационарные общие особенности, присутствующие в потоке.

Резюме и рекомендации
В данной работе представлен уникальный сборник данных, позволяющий понять влияние конкретной физиологической особенности на аэродинамические характеристики человека. Результаты показали, что большая грудь может значительно улучшать аэродинамику за счет снижения сопротивления и подъемной силы. Плоская модель показала максимальное увеличение сопротивления на 4% по сравнению с нормальной моделью, в среднем примерно на 2% в диапазоне скоростей от 1 до 30 м/с. Плоская модель также продемонстрировала большую подъемную силу, с максимальной разницей в 32% и средним значением в 22%.

Как показано, механизм, лежащий в основе наблюдаемого поведения сопротивления и подъемной силы между обеими моделями, выяснен путем анализа линий тока вокруг тела и структур, связанных с турбулентной кинетической энергией; нормальная модель обеспечивает выгодно меньшее сопротивление и подъемную силу за счет генерации более сильных вихрей от ног, которые, в свою очередь, возникают из-за действия груди, перенаправляющей поток вокруг туловища. На основании представленных в этой работе данных можно с уверенностью заключить, что фраза «Плоская форма – это справедливость» имеет аэродинамические недостатки.

Основным недостатком данного исследования стало решение оставить волосы в моделях неподвижными и твердыми. Как отмечалось ранее, значительная часть воздуха, обтекающего тело, захватывалась геометрией волос, что влияло на структуру воздушного следа позади модели. Таким образом, этот эффект снижает общую применимость результатов данного исследования к реальным моделям человека. Однако важно отметить, что большая грудь обеспечивает заметное аэродинамическое преимущество, что отражается в более низких общих силах, испытываемых нормальной моделью. Кроме того, несмотря на то, что структура воздушного следа, создаваемая волосами, привела к отклонению от ожидаемого поведения сопротивления и подъемной силы, сравнения с результатами других экспериментаторов показывают, что результаты данного исследования являются весьма многообещающими.

Для будущих исследований предлагается ряд рекомендаций. Ключевым предложением может стать использование эксперимента в аэродинамической трубе для получения данных для проверки. В идеале, в этом эксперименте следует использовать живых людей с разными размерами груди, чтобы получить дополнительные данные для сравнения с представленными здесь данными.

02.02.2026