揚力
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揚力(ようりょく、英語:Lift)は、流体液体気体)中を移動もしくは流れにさらされた物体が、流体から受ける(流体力)の成分の一つで、物体の進行方向や流れが物体に向かう方向に対して垂直に働く力を指す。一方、進行方向に平行する成分は抗力と呼ぶ。

通常、物体と流体に相対速度があるときに発生する力(動的揚力)のみを指し、物体が静止していてもはたらく力である浮力(静的揚力)は含まない。

揚力の応用例として、重力と反対方向へ揚力を生じさせることで飛行機の巡航時に垂直方向の釣り合いをとる例がある。
概要流れの中にある正の迎角を持つ平板が受ける力とその揚力および抗力成分

空気や水といった流体の中に物体があり、物体とその周囲の流体との間に相対速度がある時、物体とともに移動する視点について「主流」および「主流速度」が定義できる。このとき、その物体は流体との接触面を介して周囲流体と力を及ぼし合う。すなわち物体から受ける力によって周囲の流れは変化し、同時に物体は流れから力を受ける。

物体が主流方向に受ける力を[注釈 1]抗力とよぶ。

物体が主流速度ベクトルに対して対称な形状である場合、主流に垂直な力の成分は生じないが、非対称な形状の場合は、物体は主流方向からそれた斜めの方向に力を受け、主流に垂直な力の成分を揚力とよぶ。

それ自体の形状が上下対称であっても(正の)迎角がある場合は、主流に対して非対称であり、揚力を発生する。例えば、単純な平板の形状・上下対称の翼型がある。→凧や帆

カルマン渦と揚力
物体後流にはカルマン渦と呼ばれる渦列が周期的に発生し、流体力は振動していることが多い。このため、回転なし迎角なしで正味の揚力がゼロとされる形状であっても瞬時の揚力は生じていることがある。
翼表面上の圧力
流体が物体におよぼす力は、物体表面の応力、すなわち圧力と摩擦を表面すべてで積算した量である。ただし、揚力は圧力だけで説明できると考えられており、圧力場を物体表面で積算した合力が揚力である。したがって揚力が上向きのときに物体表面の圧力分布をみると物体上側で低圧、下側で高圧の傾向となる。
速度場
翼表面圧力が上部で低圧である以上、対応する速度をみると物体の上側で高速下側で低速の分布である。このため翼型境界線で循環を見積もると有限の値をとる。また、物体に揚力が働いているとき、揚力に対する反作用として揚力と逆向きの運動が物体周囲の流体のどこかにかならず生じる。翼体の上背面から翼後端の後方にかけて顕著な下向きの流れは、主に航空機工学の分野において「ダウンウォッシュ」と呼ばれる。
翼まわりの渦
ダウンウォッシュは翼後縁が横切った矩形状領域に生じる。この矩形状の線は下降流と上昇流の境であり、せん断すなわち渦度が集中し、渦が生じる。ただし矩形の前方側は翼体によって仕切られているため翼まわりの循環が渦の代わりとなる。ダウンウォッシュは翼後縁と2つの翼端渦と出発渦とで囲まれた形となる。
ダウンフォース
「揚力」は字義どおりに重力の反対方向に働くとは限らない。航空機の場合、機体の姿勢に合わせて機体からみた上方向に働く力を揚力とする。レーシングカー等では下向き揚力をダウンフォースと呼び表すことがある。帆船の帆に働く揚力はほぼ水平方向を向いている。風車やタービンでは周方向、プロペラでは回転軸方向がおおよその揚力の向きとなる。
揚力を利用する例
揚力の利用例として、植物の種子、昆虫の翅、水性動物のヒレ、鳥類の飛行機固定翼ヘリコプター回転翼水中翼船の水中翼、船舶の帆(縦翼)と、櫂、プロペラ、ファン、タービンなどがある。
スポーツ
卓球、野球をはじめとする球技では物体の回転によって生じる揚力が利用される。マグヌス効果を参照。水泳では揚力を強調した腕の動きを取ると長時間楽に泳げる。


上記の図のように、流線の密度が疎な部分には、カルマン渦に代表される渦の形成が容易になる[要出典]、これは時間的周期性を持ち円柱断面を仮定した場合上にも下にも揚力を形成し、流体関連振動となる。この原因は渦の離脱による圧力低下が原因であり、それを非対称に設計したジューコフスキー的形状においてはカルマン渦の発生が上下非対称になるため揚力が発生する。そのため、そういう周期的圧力欠損に頼るため、小さな航空機では振動が激しくなる[要出典]。
揚力の式

物体に働く揚力は正味の動圧とそれが作用する面積に依存した量と考えられるため、一般に以下の式で表される。 L = 1 2 ρ V 2 S C L {\displaystyle L={1 \over 2}\rho V^{2}SC_{\rm {L}}}

C L {\displaystyle C_{\rm {L}}} は揚力係数(次項で解説) (Coefficient of Lift)

ρ は流体の
密度(海面高度の大気中なら 1.293 kg/m3)

V は物体と主流(翼との相対速度が一様とみなされる程度に翼から離れたところの流体要素と翼の相対速度 (Velocity))

S は物体の代表面積 、普通は翼面積(Surface)

L は、発生する揚力 (Lift)

抗力と同形式であるが抗力のSは前方投影面積とすることがある。このためCL/CDは揚抗比と一致するとは限らない。

1 2 ρ V 2 {\displaystyle {1 \over 2}\rho V^{2}} は主流速度から換算される動圧である。
揚力係数

揚力係数 C L {\displaystyle C_{\rm {L}}} は正味動圧と揚力の比(無次元数)である。物体の形状と進行方向、迎角、流体の物性、流速、レイノルズ数およびマッハ数などによって変化する。

縦帆などでは、迎角がある程度に小さいときには迎角に比例して変化する。迎角の絶対値が大きくなると、物体表面から流れが剥離して揚力係数の絶対値は小さくなり、抗力が急激に増大する。[1][注釈 2]この現象を失速と呼ぶ。

翼体の高度が小さく地面や水面の近くを飛ぶときは高高度に比べて揚力係数は大きくなる。これを地面効果という。

ある形状に対する揚力係数は、実際に揚力を測定(数値シミュレーションで求めてもよい)し、上の式に当て嵌めることで得られる。

実務上は、形状とレイノルズ数についてそれぞれ同一とみなされる場合には揚力係数も同値とすることがある。

揚抗比

揚抗比とは、抗力に対する揚力の強度の比を指す[2]。仰角に依存する。抗力最小となる仰角における揚力・揚抗比が実用上重要である。翼の性能を表す代表値で最も重要なもののひとつ。

実用の翼型の多くは、揚力が抗力の幾倍も大きく設計される(揚抗比が1よりはるかに大きい)。

これは流体力を動力として利用する際にドラッグ(抗力)を利用するよりリフト(揚力)を利用する方が高効率であることを意味する。実際のところ外輪船スクリュー船に負けるため観光用しか残っていない。風車も同じで現在実用されているものはみな揚力型である。


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