揚力と抗力の基礎と圧損との関係

1. 揚力・抗力とは

• 揚力（Lift）：流体の流れに対して垂直方向に働く力。主に翼形状や迎角によって発生。
• 抗力（Drag）：流れに対して平行方向に働く抵抗。摩擦抵抗・圧力抵抗・形状抵抗などに分けられる。

\(L = \frac{1}{2} \rho v^2 C_L A\)

\(D = \frac{1}{2} \rho v^2 C_D A\)

• ρ：流体密度
• v：流速
• A：代表面積（翼面積や投影面積）
• \(C_L, C_D\)：揚力係数・抗力係数

2. 揚力の発生原理

• ベルヌーイの定理で説明される：翼の上面は流速が速くなり圧力が低下 → 下側との圧力差で揚力が生じる。
• 迎角：迎角が大きいと揚力が増えるが、一定以上で失速（失速角）。

3. 抗力の種類

1. 摩擦抗力（摩擦抵抗）：粘性による表面摩擦。
2. 圧力抗力（形状抵抗）：流れの剥離によって背圧が低下し発生。
3. 誘導抗力：揚力を生じるときに不可避的に発生。

4. 揚力・抗力と圧損の関係

• 圧損（配管内の損失）は、流れのエネルギーが摩擦や渦によって失われる現象。
• 抗力も本質的には同じ：流れのエネルギーが物体により乱されて損失となる。
• 揚力を得るためにも必ず抗力が発生 → 「効率（揚抗比 L/D）」が設計のポイント。

5. 身近な例

• 飛行機：翼で揚力を得て飛ぶ。L/D比が高いほど燃費が良い。
• 自動車：F1カーは「ダウンフォース（下向きの揚力）」を利用して高速走行時の安定性を高める。
• 野球のボール：マグヌス効果により回転で揚力が発生 → カーブやフォークになる。

6．実際に揚力、抗力を計算するには？

実際に翼型、レイノルズ数によって、どのような揚力係数、抗力係数となるかXFLR5というソフトで計算することができます。

XFLR5の使い方については、　リンク先のサイトをご覧ください。

7. まとめ

• 揚力：流れと垂直方向の力、抗力：流れに平行な力。
• 両方とも「流体の圧力分布と粘性」に起因する。
• 圧損と同様、流れのエネルギー損失に関わる概念であり、設計では揚力と抗力のバランスが重要。

8．おすすめ記事

レイノルズ数を計算するには、下記の記事をご覧ください。

工学計算ツール集

レイノルズ数計算ツール｜層流・乱流判定を簡単にオンライン計算 管内流れの層流・乱流を、流速・流量・管径・流体を選ぶだけで簡単オンライン計算。20℃・1気圧の標準状態を基にレイノルズ数を表示。エンジニアや学生にも分かりやすいツー...