抗力 抗力の成分

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/04/28 07:27 UTC 版)

抗力の成分

抗力（ないし抗力係数）を以下のような成分に分けて考えることがある。誘導抗力については、主翼において翼端のある三次元翼ないしは翼を含む構造物（固定翼機、回転翼機など）、あるいはリフティングボディのように、揚力を発生する物体について考える。

物理的要因による分類

誘導抗力（lift-induced drag、induced drag、drag due to lift）

誘導抗力発生の原理： 図は翼周りの流れ場を a は前方、b は左翼側から見ている（非粘性流れを想定）。1. 翼端渦, 2. 吹き下ろし, 3. 気流, 4. 吹き下ろしによる下向きの気流, 5. 下向きの気流により発生した揚力, 6. 気流により発生した揚力（いわゆる揚力）, 7. 誘導抗力

翼端を持つ三次元翼（つまり、一般の翼）において、揚力の発生に伴って発生する抗力。

無限翼（二次元翼）に気流が翼に当たった場合には、翼を通過した気流は当たる前の同じ方向に流れ、揚力は流れる気流に対して垂直に発生する。ところが翼端を持つ三次元翼は、翼上面はベルヌーイの定理により翼下面よりも圧力が低くなっているため、翼端では下から上へと回り込む渦（翼端渦）が発生している。この渦の持つ下向きの速度(吹き下ろし downwash)によって、気流が翼に当たった場合には、翼を通過した気流は下向きに傾いて流れる。これにより、流れる気流に垂直に対して発生する揚力は下流方向に傾くことになり、その傾いた分が誘導抗力となる。また、翼によって下向きに傾かれた気流により、翼と下向きに傾かれた気流とのなす角度の迎角が発生するため、これを誘導迎角と呼んでいる。^[3][4].

主翼がより細長く、つまりアスペクト比が大きくなる（二次元翼に近づく）につれて、翼全体に対して翼端が占める割合は小さくなり、吹き下ろしの影響も小さくなる。したがって、誘導抗力を低減することができる。亜音速の飛翔体では、十分に流線形をしている限り圧力抗力は小さく、一方で摩擦抗力の大幅な低減は難しい。そこで、誘導抗力を減らすためにアスペクト比 (AR) を大きく（翼を細長く）する努力が払われることが多い。この極端な例がルータン ボイジャーやヘリオス、あるいはグライダーや人力飛行機といった機体であり、AR = 40 近いものまで存在する。

主翼において誘導抗力は主翼の抗力の1つとなるため、主翼翼端にウィングレットを取り付けて、主翼の翼端で発生する翼端渦を抑えることで誘導抗力を減らし抗力を減少させることができる。

有害抗力（parastic drag, parasite drag）

揚力の有無には無関係に存在する抗力。干渉抗力と形状抗力とに大別される。

干渉抗力 (interference drag)

翼と胴体の結合部分などで部分的に気流が剥離することにより生ずる抗力。フィレットなどにより低減が図られる。

形状抗力（form drag, proflie drag）

物体の形状のみに依存する抗力。原因となる力の方向によって２つに分けられる。

垂直力によるもの

物体後方で圧力が低下することに起因する。とくに流れが剥離した場合に著しく増大する。

この抗力を圧力抗力と呼ぶこともある。

せん断力によるもの

物体表面に沿った力による抗力で、流れとの摩擦による抗力に等しい。境界層の状態に大きく影響され、層流であるほうが乱流であるよりも小さい。

この抗力を摩擦抗力と呼ぶこともある。

造波抗力（wave drag）

衝撃波による抗力。

力の向きによる分類

摩擦抗力

物体表面に沿った力に起因する抗力。粘性抵抗とも呼ばれる。せん断力による形状抗力に等しい。半径${\displaystyle a}$の球が粘性係数${\displaystyle \eta }$の流体中で受ける粘性抵抗はストークスの法則より、以下の式で表せる。

${\displaystyle F=6\pi a\eta V}$

圧力抗力

物体表面に垂直な力に起因する抗力。慣性抵抗とも呼ばれる。せん断力による形状抗力以外の抗力はすべて圧力抗力である。半径${\displaystyle a}$の球が密度${\displaystyle \rho _{\mathrm {0} }}$の流体中で受ける慣性抵抗は以下の式で表せる。

${\displaystyle F={1 \over 4}\pi \rho _{\mathrm {0} }a^{2}V^{2}}$