抗力は、摩擦力と圧力力によって流体中で移動体が受ける抵抗力です。
はじめに
境界層に関する記事では、周囲に流れがあるプレートの例を使用して、流体力学的境界層内にせん断応力が作用することを説明しました。これらは流体の減速につながります。完全に停止する場合でも壁に直接当たります。典型的な速度プロファイルは境界層内に形成されます。
図：流体境界層（速度境界層） さて、私たちは頭の中で状況を好転させます。静止したプレートの周りに流体を流す代わりに、静止した流体の中をプレートを移動させます。せん断応力のため、流体はプレートの速度を落とそうとします。関連するプロセスについては、次のセクションで詳しく説明します。
よく見ると、それが流体が流れる静止している物体であるか、物体が移動する静止している流体であるかは問題ではないことがわかります。カメラが移動する物体に固定され、物体が流体の中をどのように移動するかを記録することを想像できます。記録されたビデオを見ると、静止した物体とその周りを流体が流れる場合とまったく同じ状況になります。 2 つの視点が同一であるという事実は、たとえば風洞実験で利用されます。ここでは、静止した空気の中を移動する飛行機のモデルではなく、静止したモデルの周りを空気が移動します。
図:航空機の周囲の流れを研究するための風洞内の航空機モデル 皮膚摩擦抵抗 (せん断応力抵抗)
次に、静止流体中を一定速度で移動する上記のプレートを見てみましょう。繰り返しますが、 流体が滑りにくい状態によりプレートに直接付着しているのは事実です。 。その結果、接着剤の流体層がプレートとともに移動します。ただし、この流体層はその上の流体層にも付着します。したがって、付着した流体層の速度が低下し、それに伴ってプレート自体の速度も低下します。空気の場合、 この摩擦力は空気抵抗として知られています。 (ただし、役割を果たす別の力があります。これについては後で説明します)。
摩擦力の発生は次のようにも説明できます。付着した流体層は、分子間力によって上の流体層に接続されます。プレートが流体中を移動すると、（最初は静止していた）流体層全体が徐々に動き始めます。この流体層の加速には、一定の力が必要です。周囲の流体中をプレートが一定の速度で移動する場合、新しい流体層が何度も動き始めなければならないため、この力は継続的に加えなければなりません。加えられるこの力は、前の議論で述べた摩擦力に対応します。これは単なる別の観点です。
壁せん断応力
流体によってプレートにかかる摩擦力の場合、壁に直接かかるせん断応力が決定的になります。なぜなら、それらは最終的には流体と固体表面との間に単位面積当たりに働く接線力を示すからである。この場合は壁せん断応力についても話します。 。したがって、 摩擦力はせん断応力抵抗とも呼ばれます。 。ニュートン流体の場合、壁せん断応力 τw は流体摩擦のニュートンの法則を使用して決定できます。
\begin{整列}
&\boxed{\tau_w =\eta \cdot \left(\frac{\partial v_x}{\partial y}\right)_\text{wall}}
\end{整列}
流体の粘度 η に加えて、壁に直接存在する流れの速度勾配 ∂v/∂y|wall が明らかに非常に重要です。勾配は主に境界層で起こるプロセスによって決まります。これにより、境界層が層流であるか乱流であるかが決定的になります。下の図は、層流が不安定になり乱流になるプレートの周囲の流れを示しています。
図:層流と乱流の遷移を伴うプレート周囲の流れの経路 流れが周囲を通過する物体の皮膚摩擦抵抗 (粘性抵抗) は、流体の粘性とそれに関連する壁せん断応力によるものです。
壁せん断応力に対する流れの種類の影響
流体力学的境界層に関する記事では、渦が流体層間の運動量の伝達を増加させるため、乱流境界層では速度プロファイルがより急峻に増加することをすでに詳しく説明しました。これは特に、壁での速度勾配が層流よりも大きいことを意味します。下の図は、層流における速度プロファイルと乱流における速度プロファイルの比較を示しています。
図:層流境界層と乱流境界層の速度勾配 速度勾配が大きいため、乱流境界層ではより高い壁せん断応力が作用します。これらのより高いせん断応力は、最終的にはより高い抗力を意味します。乱流境界層があっても層状サブレイヤーであることに注意してください。 壁に直接形成されます（粘性層とも呼ばれます）。したがって、ニュートンの流体摩擦の法則は、乱流境界層の場合でも有効です。少なくとも直接壁に。
乱流境界層は壁での速度勾配が大きくなり、粘性層により壁せん断応力 (摩擦抗力) が高くなります。
たとえば、車の周りの乱流によって引き起こされる抗力の増加は、乱流を可能な限り回避し、車体を可能な限り流線型にすることで防止しようとします。
流線形のボディの場合、ほとんどすべての抗力は、流体と壁の間の摩擦力または壁せん断応力によるものです。実際、全体的な抗力に影響を与える別の現象があります。たとえば、プレートの前の流体の圧力は、プレートの後ろの圧力と必ずしも同じではありません。一般に、圧力差は存在します。これはどのようにして起こるのでしょうか?
プレートの周りの流体の流れを考えてみましょう。プレートの前では流体が停滞するため、一般に圧力が高くなります。これが、 いわゆる停滞点についても語られる理由です。 。よどみ点は、流体が表面に垂直に当たり、理論的には速度がゼロになるという事実によって特徴付けられます。
図:よどみ点とよどみ圧力 ブラウン運動により、よどみ点にある流体分子は実際にはその場で静止しているわけではありません。むしろ、遅かれ早かれ、分子はよどみ点から拡散し、周囲の流体によって再び加速されるでしょう。また、流体分子はある程度の大きさを持っていますが、よどみ点は広がりのない一点（特異点）です。したがって、流体粒子をこの時点で正確に特定して、実際に完全にゼロに減速することはできません。
エネルギーの観点から状況を見てみましょう。流体の運動エネルギーはよどみ点で圧力エネルギーに完全に変換されます (ベルヌーイの原理の記事も参照)。より正確には、流れの動圧が静圧に変換されます。結果として生じる圧力は停滞圧力とも呼ばれます。 .
よどみ点は、流体が物体に対して垂直に流れ、理論的にはゼロまで減速される流れ場内の点です。結果として生じる静圧はよどみ圧力と呼ばれます。これは、運動エネルギーが圧力エネルギーに変換された結果です。
流体は、静圧を高めることによってよどみ点で減速された後、プレートの周りに導かれます。その過程で加速し、圧力エネルギーが運動エネルギーに変換されます。その結果、静圧が再び減少し、プレートの後ろの圧力がプレートの前の圧力よりも低くなります。
したがって、プレートの前のより大きな静圧は、プレートを後方（流れの方向）に押そうとする傾向があります。これは、皮膚摩擦抵抗に加えて、さらなる種類の抵抗として顕著になります。この文脈では圧力抵抗についても話します。 。圧力抵抗は、流れが通過する物体の形状に大きく影響されます。形状は流れの速度 (運動エネルギー) に影響し、物体の周囲の静圧の分布を決定するためです。
流体が流れる物体の圧力抵抗 (形状抵抗) は、流体の速度の違いによって生じる静圧の違いの結果です。
前のセクションで説明した皮膚摩擦抵抗は最終的にはせん断応力 (せん断応力抵抗) によるものですが、圧力抵抗は表面に対して垂直に作用するため垂直応力 (垂直応力抵抗) として作用することに注意してください。したがって、摩擦抗力の場合は表面に平行な力が抗力の決定要因となり、圧力抗力の場合は表面に垂直な力が抗力の決定要因となります。
任意の形状の物体の圧力抵抗を解析的に決定するには、物体の前後の圧力だけでなく、表面全体にわたる圧力分布を考慮する必要があります。同じことが皮膚摩擦抵抗にも当てはまり、表面全体にわたる速度勾配の分布を考慮する必要があります。
外部の流れと境界層の影響
圧力抵抗は、周囲を流れる物体の表面に作用する静圧によって決まります。乱れることのない外部の流れは、境界層に静圧を加えます。したがって、プレートの垂直方向では、（静的）圧力勾配はゼロに近づきます（∂p/∂y=0）。つまり、境界層内の圧力はy方向ではほとんど変化しません。このように、境界層と外側の流れは相互に影響を及ぼし合う。
境界層内の流れが外側の流れを押しのけます。逆に、外側の流れは境界層に（静的な）圧力を加え、その流れに影響を与えます。
図:プレートに垂直な流体力学的境界層の圧力勾配 全体の抗力 (寄生抗力)
概要:流体が流れ回る物体は、2 つの原因による抗力を経験します。一方では、粘度の結果として摩擦力が作用し、他方では、異なる流速の結果として圧力力が作用します。両方のタイプの抗力、つまり皮膚摩擦抗力と圧力抗力は、最終的にいわゆる寄生抗力を形成します。 それが最終的には全体的な抵抗になります。寄生抵抗はプロファイル抵抗とも呼ばれる場合があります。 .
物体の寄生抗力 (プロファイル抗力) は、通常、皮膚摩擦抗力 (「せん断応力」) と圧力抗力 (「法線応力」) で構成されます。
図:寄生抵抗、圧力抵抗、皮膚摩擦抵抗の関係 したがって、全体的な抗力を可能な限り低く保つためには、体表面での流体の停滞を防ぐことが特に重要です。これは、可能な限り流線型のボディ形状によって実現されています。したがって、全体的な抵抗は低くなりますが、これは主に摩擦抵抗によるものです。
ボディがより流線形に形成されるほど、圧力抵抗の影響は小さくなり、皮膚摩擦抵抗の影響は大きくなります。
基本的にどのような形式のエネルギー散逸でも静圧が低下することに注意してください (ベルヌーイの定理)。したがって、摩擦力が作用している限り、圧力抵抗は決して避けることができません。これは、障害物のすぐ後ろで発生する乱流の場合に特に重要です。このような乱流は、高いエネルギーの散逸を意味し、したがって静圧の大幅な低下を意味します。このような場合、圧力抵抗は大幅に増加します。
流体力学では通常のことですが、システムのサイズとは関係なく、さまざまなタイプの抗力を記述するために、無次元の類似性パラメーターが導入されます。このようにして、たとえば風洞内の縮小モデルを使用することにより、実際のシステムに関する結論を引き出すことが可能になります。これらの無次元数値は抗力係数と呼ばれます。これについては、リンク先の記事で詳しく説明します。
