レース用ヨットの帆を分析しているときに、空力学者のチームは、奇妙な形の物体を通過する空気の流れによる下向きの力が、突然大きな上向きの揚力に変わる可能性があることを発見しました.飛行機の翼とゴルフボールの古典的ではあるが通常は異なる物理学を組み合わせることで、驚くべき逆転は、流体が通過する速度に応じてオフまたはオンになる新しいタイプの機械的スイッチを作るのに役立つかもしれません。あるいは、水中グライダーのような機械を安定させるかもしれません.
「興味深いです」と G.M. は言います。シアトルのワシントン大学の流体力学の専門家である "Bud" Homsy は、次のように述べています。 「私はそのようなものを見たことがない.」
その効果は目を見張るものがあります。縦に半分に切ったパイプなど、非対称で鈍い物体を取り、丸みを帯びた面を上にして空気の流れの中に置きます。風速が低い場合、空気はパイプの丸みを帯びた側面から上向きに偏向し、パイプを押し下げます。これにより、いわゆる負の揚力が生じます。ただし、速度がしきい値を超えて増加すると、航空機の翼のように、オブジェクトは突然上向きの大きな正の揚力を経験します。と同僚は、Physical Review Letters で印刷中の論文を報告しています。
この効果は、ボールと飛行機の翼の物理学を融合させます。ボールが前方に飛び出すと、空気が分かれてボールの周りを流れる必要があります。低速では、流れはボールの周りを完全に包み込むのではなく、ボールの最も広い部分で離れて、凧の羽ばたき尾のようにボールの後ろに広がる渦巻きと渦の航跡を作成します。その「乱流の後流」がボールを引っ張り、抗力を生み出し、前進を遅らせます。
対照的に、通常、幅が厚さの 10 倍である翼は、抗力がほとんどなく、揚力が大きくなります。これには 2 つの理由があります。翼の上面は上向きにアーチ状になっていますが、下面は比較的平らです。また、翼は、前縁が後縁よりもわずかに高くなるように角度を付けて座っています。要因の組み合わせにより、空気が翼の下よりも翼の上をより速く流れるようになります。ベルヌーイの原理と呼ばれる流体力学の基本的な概念によれば、速く動く空気は動きの遅い空気よりも圧力が低くなります。そのため、翼の下の圧力が翼の上の圧力を上回り、翼が押し上げられます。
一見したところ、研究者のハーフパイプは翼というよりボールに似ています。流速が遅いと、抗力が大きくなり、揚力が負になります。しかし、対気速度が上がると、揚力は突然反転して大きくなります。その理由を理解するには、ボールの物理学に戻る必要があります。
ボールは大きな乱流の後流を生成するため、大きな抵抗を受けます。ただし、ボールが十分に速く飛ぶと、抗力が急激に低下します。一定の速度 (ボールのサイズと空気の粘度を説明するレイノルズ数と呼ばれるパラメーターで測定) を超えると、ボール自体の表面の空気が乱れます。この乱流の薄い層が潤滑剤として働き、残りの空気がボールの周りをスムーズに流れるようにし、乱流の後流と抗力 (ドラッグ クライシスとして知られる現象) のサイズを最小限に抑えます。設計上、ゴルフ ボールのディンプルはまさにこのような乱流層を生成し、抗力を最小限に抑えます。
ドラッグ クライシスは、研究者の非対称ハーフパイプが突然持ち上がった理由でもあります。流速が臨界レイノルズ数を超えると、空気が突然物体全体に流れます。次に、アーチ型の輪郭に沿って空気が物体の下よりも物体の上を速く流れるようにし、正の揚力を生み出します。
効果を実証するために、研究者はハーフパイプを空気の代わりに流れる水で満たされたタンクに入れ、それにかかる力を測定しました。彼らが流れを急上昇させると、抗力の危機が始まり、抗力が急落し、揚力が逆転して急増しました.研究者たちは、水に小さなプラスチック ビーズを編み込み、レーザー光で追跡することで流れを視覚化し、ドラッグ クライシスが始まると、物体の航跡が縮小し、水の流れが物体の周りに滑らかに伸びることを示しました。
科学者たちは、風下を走るボートの前で膨らむスピネーカーと呼ばれる丸みを帯びた帆をモデル化したときに、その効果につまずきました。彼らはリフトの奇妙な反転に気づき、さらに調査するようになりました、とボットは言います. 「[効果] がこれまで見られなかった理由の 1 つは、ドラッグとリフトという 2 つの適用分野の中間にあるからかもしれません」と彼は言います。
フランスのパレゾーにあるエコール ポリテクニークの物理学者であるクリストフ クラネ氏は、研究者がハーフパイプを翼と見なすことは決してないだろうと述べています。対照的に、翼は常に揚力を生み出す角度に設定されていると彼は言います。クラネットはまた、そのような見落とされがちな奇妙なことが時折現れることにも言及しています。 「私はあなたが驚いていることに驚いています」と彼は言います.
この効果は、たとえば、パイプに挿入してパイプを通る流体の流れを制御できる単純な機械的スイッチを作成するのに役立つ可能性があります。ボット氏によると、おそらく最も推測に値するのは、このようなスイッチは、電気センサーや動力制御システムを必要とせずに、完全に機械的な方法で航空機や水中グライダーを制御して安定させる可能性があるということです。このようなパッシブ システムは、信頼性と安全性を高める可能性があります。 「電気や電力に頼らない非常に堅牢な制御システムを作成できるはずです。」