Vortex evolution in the wake of accelerating low-aspect-ratio plates and three-dimensional bodies of revolution

To find examples of effecient locomotion and manoeuvrability, one need only turn to the elegant solutions natural flyers and swimmers have converged upon. This dissertation is specifically motivated by processes of evolutionary convergence, which have led to the propulsors and body shapes in nature that exhibit strong geometric collapse over diverse scales. These body features are abstracted in the studies presented herein using low-aspect-ratio at plates and a three-dimensional body of revolution (a sphere). The highly-separated vortical wakes that develop during accelerations are systematically characterized as a function of planform shape, aspect ratio, Reynolds number, and initial boundary conditions. To this end, force measurements and time-resolved (planar) particle image velocimetry have been used throughout to quantify the instantaneous forces and vortex evolution in the wake of the bluff bodies. During rectilinear motions, the wake development for the flat plates is primarily dependent on plate aspect ratio, with edge discontinuities and curvature playing only a secondary role. Furthermore, the axisymmetric case, i.e. the circular plate, shows strong sensitivity to Reynolds number, while this sensitivity quickly diminishes with increasing aspect ratio. For rotational motions, global insensitivity to plate aspect ratio has been observed. For the sphere, it has been shown that accelerations play an important role in the mitigation of flow separation. These results - expounded upon in this dissertation - have begun to shed light on the specific vortex dynamics that may be coopted by flying and swimming species of all shapes and sizes towards efficient locomotion.

L’analyse biomécanique du sprint sur ergomètre non-motorisé : interaction entre les asymétries cinétiques et cinématiques lors d’un sprint de 40 verges

Au sprint 100 mètres et dans de nombreux sport de puissance, la phase d’accélération est un déterminant majeure de la performance. Toutefois, les asymétries cinétiques et cinématiques peuvent avoir une incidence sur la performance. L’objectif de cette étude était d’identifier la présence d’interaction entre différentes variables cinétiques et cinématiques angulaires aux membres inférieures (MI) d’un sprint de haute intensité sur un ergomètre non-motorisé avec résistance (NMR). Suite à une rencontre de familiarisation, 11 sujets ont exécuté des sprints de 40 verges. Les données cinétiques ont été obtenues par l’entremise de plateformes de force intégrées aux appuis de l’ergomètre NMR à 10 Hz et les données cinématiques ont été amassées à l’aide du système Optitrack et du logiciel Motive Tracker à 120Hz. Nous avons effectué un test de corrélation linéaire (Corrélation linéaire de Pearson) pour déterminer la relation entre les données cinétiques et cinématiques (p < 0,05). L’analyse des données a révélée (1) une corrélation positive entre la moyenne d’amplitude articulaire à la cheville et la moyenne des pics de puissance développés (W/kg) lors de la phase de maintien (r = 0,62), (2) une corrélation négative entre l’extension maximale moyenne (calculé à partir de l’angle de flexion le plus petit) à la hanche et la moyenne de pics de puissance développées en fin de poussée lors de la totalité et de la phase de maintien (r = -0,63 et r = -0,69 respectivement), et finalement (3) une corrélation négative entre la différence de dorsiflexion maximale à la cheville et la différence des pics de puissance développés aux MI lors du contact du pied au sol en phase de maintien ( r = -0,62). Les résultats obtenus dans cette étude permettront d’améliorer l’intervention des préparateurs physiques et la pratique des athlètes de sport de puissance en plus d’aider au développant de nouvelles technologies et outils d’entrainement complémentaire au sprint et particulièrement à la phase d’accélération.