流体抵抗とは

流れ抵抗は広範囲にわたる問題です。 車の高速走行時の燃料消費量は、主に地面の摩擦抵抗ではなく空気抵抗によって決まります。 スモッグが空気中に「浮遊」する理由も、流れの抵抗によるものです。 これらはすべて、空気抵抗の重要性を示しています。

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差圧抵抗と摩擦抵抗

力の観点から見ると、物体の抵抗は、その表面上の流体の直接作用です。 物体の表面に垂直な方向が流体の圧力であり、それによって生じる抵抗を差圧抵抗といいます。 物体の表面に平行なものが流体の粘性せん断力であり、それによって生じる抵抗を摩擦抵抗といいます。 この 2 つの力以外に他の力はありません。 したがって、物体の総抵抗は、差圧抵抗と摩擦抵抗の合力となります。 差圧抵抗は物体の形状と密接に関係し、摩擦抵抗は主に物体の表面積に関係します。

差圧抵抗や摩擦抵抗以外に誘導抵抗や衝撃波抵抗などがあると書いているところもありますが誤解です。 実際、誘導抵抗も衝撃波抵抗も、圧力差抵抗と摩擦抵抗（主に差圧抵抗）に起因すると考えられます。

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形状抵抗 後方抵抗

流体中を移動する物体には抵抗が生じることは古くから知られており、その抵抗は物体の形状と密接に関係しています。 しかし、流体力学の元の理論は反対の結論に達しました。 オイラーとベルヌーイの流体運動の法則に基づいて、流体の粘度が無視される場合、流体は、その中を移動するいかなる形状の物体に対しても抵抗を生じません。

抵抗は完全に粘性によって生じているように見えますが、空気の粘性は非常に小さく、それによって生じる摩擦抵抗は実際に測定される空気抵抗よりもはるかに小さいです。 この矛盾は、フランスの数学者ダランベールによって提案されたため、歴史の中で「ダランベールのパラドックス」として知られています。

プラントルが境界層理論を提唱するまで、人々は流れ抵抗の本質を本当に理解していませんでした。 空気力学抵抗の主成分は圧力差抵抗ですが、一般物体の場合、圧力差抵抗は主に境界層剥離によるものです。

初期の人（今ではそう思っている人も多いかもしれません）は、ある種の「常識」に基づいて、物体の前部分の形状で抵抗の大きさが決まり、前部分が尖っていれば抵抗は小さくなると考えていました。 。 境界層理論では、物体の背面の形状を発見することがより重要です。 物体の背面の形状によって境界層が分離される場所が決まり、したがって物体の表面の圧力分布が決まるからです。

一般的な魚や鳥は比較的完璧な流線型の体をしており、丸い頭と尖った尾を持っています。

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形状抵抗 正面抵抗

物体の後部の形状が抗力の量を決定しますが、前部の形状も重要です。 たとえば、オブジェクトの前面が正方形の場合、鋭利な角で流体が早期に分離し、慎重に設計された背面の形状が意味を失います。 現在高速道路を走行しているトラックでは、主に前部に形状の最適化が集中しており、後部はコンテナの形状によって制限されるため、工夫が少なくなっています。 遷音速で移動する物体の場合、衝撃波により追加の抵抗が発生するため、前部は非常に尖った形状に設計され、衝撃波の円錐角が小さくなり、抵抗が低減されます。

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耐衝撃波性

流入する流速が音速に近づくか超過すると、衝撃波が発生し、衝撃波耐性がさらに高まります。 本質的に、衝撃波抵抗も一種の圧力差抵抗であり、衝撃波の存在により物体の後半の圧力回復が不十分であるために引き起こされます。 粘性損失を無視すると、衝撃波がない場合、物体の後半の空気流の減速は圧力上昇 Δp1 に相当します。 衝撃波がある場合、空気流は衝撃波を通過する際に機械的エネルギーの一部を部分的に失い、同じ減速度に対応する圧力上昇 Δp2 は Δp1 より小さくなります。 したがって、衝撃波が発生すると、物体の後半部分の圧力が少し低くなり、これが衝撃波に対する抵抗力の源となります。 物体の先端を鋭角にすることでショックコーン角が小さくなり、衝撃波による損失が減り、耐衝撃波性も低下します。 船が水面を航行すると表面波が発生し波の抵抗もあるため尖った形状にし、水中を航行する潜水艦は丸みを帯びた形状にする必要があります。

衝撃波耐性を説明するためにエネルギー損失を使用することは、十分に直接的ではありません。 結局のところ、物体の表面にかかる圧力と粘性力は、抵抗の大きさを直接決定する要素です。 次に、耐衝撃波性を物体の面圧の変化で説明します。

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形状と表面品質が抗力に及ぼす影響
抵抗の低減は流体力学の永遠のテーマです。 流線形を使用すると、効果的に差圧抵抗を低減できます。これは主に、適切に設計された流線形の本体の表面に境界層の分離がなく、それによって差圧抵抗が低減されるためです。

形状に加えて、オブジェクトの表面粗さも抗力に影響します。 一般に表面が滑らかであればあるほど摩擦抵抗は小さくなりますが、対象物の表面を意図的に粗くすることで境界層を乱して剥離を抑制し、差圧抵抗を大幅に低減する場合があります。

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要約する

流体力学の習慣では、物体の空気力学的抵抗を解析する場合、力の形式に従ってそれを分割します。 物体の表面に垂直に働く圧力による抵抗を差圧抵抗といい、物体の表面に平行な摩擦力による抵抗を摩擦抵抗といいます。 物体の表面にはこれら 2 つの力以外の力は存在しないため、あらゆる種類の抵抗は圧力差抵抗または摩擦抵抗のいずれか、あるいはその両方になります。

物体の空気抵抗に影響を与える最大の要因は、流れの剥離による圧力差抵抗と衝撃波による圧力差抵抗です。

亜音速の低抵抗物体は丸い頭と尖った尾を持ち、超音速の低抵抗物体は尖った端を持っています。