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空気力学（古代ギリシャ語のἀήρ（aḗr）「空気」とδυναμική（dunamikḗ）「力学」に由来）は、特に飛行機の翼などの固体物体の影響を受ける空気の運動を研究する学問である。[ 1 ]流体力学の分野とその下位分野である気体力学で扱われるトピックを含み、航空学における重要な研究領域である。空気力学という用語は、気体力学と同義語としてよく使われるが、違いは、「気体力学」はすべての気体の運動の研究に適用され、空気に限定されないことである。空気力学の正式な研究は、現代的な意味では18世紀に始まったが、空気抵抗などの基本的な概念の観察はそれよりずっと前に記録されていた。空気力学における初期の取り組みのほとんどは、1891年にオットー・リリエンタールによって初めて実証された、空気より重い飛行の実現に向けられていました。 [ 2 ]それ以来、数学的解析、経験的近似、風洞実験、コンピュータシミュレーションによる空気力学の利用は、空気より重い飛行やその他の多くの技術の開発のための合理的な基礎を形成してきました。空気力学における最近の研究は、圧縮性流れ、乱流、境界層に関連する問題に焦点を当てており、その性質上、ますます計算的になっています。
現代の空気力学は17世紀に始まったばかりだが、空気力学は何千年もの間、帆船や風車などで人間によって利用されてきた[ 3 ]。飛行のイメージや物語は記録された歴史を通して登場し[ 4 ] 、古代ギリシャのイカロスとダイダロスの伝説も含まれる[ 5 ]。連続体、抗力、圧力勾配の基本概念はアリストテレスとアルキメデスの著作に現れる[ 6 ]。
1726年、アイザック・ニュートン卿は空気抵抗の理論を開発した最初の人物となり[ 7 ]、初期の空気力学者の一人となった。オランダ系スイス人の数学者ダニエル・ベルヌーイは1738年に『流体力学』を発表し、非圧縮性流体の圧力、密度、流速の間の基本的な関係を記述した。これは今日ベルヌーイの原理として知られており、空気力学的揚力を計算する1つの方法を提供する。[ 8 ] 1757年、レオンハルト・オイラーは、圧縮性流体と非圧縮性流体の両方に適用できる、より一般的なオイラー方程式を発表した。オイラー方程式は1800年代前半に粘性の影響を取り入れるように拡張され、ナビエ・ストークス方程式となった。[ 9 ] [ 10 ]ナビエ・ストークス方程式は流体の流れを支配する最も一般的な方程式であるが、最も単純な形状以外の流れについては解くのが難しい。
1799年、ジョージ・ケイリー卿は、飛行の4つの空力（重量、揚力、抗力、推力）とそれらの関係を初めて特定し[ 11 ] [ 12 ]、次の世紀に空気より重い飛行を実現するための道筋を示した。1871年、フランシス・ハーバート・ウェンハムは、空力力の精密な測定を可能にする最初の風洞を建設した。抗力理論は、ジャン・ル・ロン・ダランベール[ 13 ] 、グスタフ・キルヒホフ[ 14 ]、レイリー卿[ 15 ]によって開発された。1889年、フランスの航空技師シャルル・ルナールは、持続飛行に必要な動力を合理的に予測した最初の人物となった。[ 16 ]グライダー飛行で大きな成功を収めた最初の人物であるオットー・リリエンタールは、高い揚力と低い抗力を生み出す薄く湾曲した翼型を最初に提案した人物でもありました。ライト兄弟は、これらの開発と独自の風洞で行われた研究に基づいて、1903年12月17日に最初の動力飛行機を飛ばしました。
最初の飛行の時代に、フレデリック・W・ランチェスター[ 17 ] 、マーティン・クッタ、ニコライ・ジュコフスキーは、流体の流れの循環と揚力を結びつける理論をそれぞれ独自に構築しました。クッタとジュコフスキーはその後、二次元翼理論を開発しました。ランチェスターの研究を発展させ、ルートヴィヒ・プラントルは、薄翼と揚力線理論の背後にある数学[ 18 ]を開発し、境界層の研究にも携わったとされています。
航空機の速度が上がると、設計者は音速に近い速度での空気の圧縮性に関連する課題に直面し始めました。このような条件下での気流の違いは、航空機の制御の問題、衝撃波による抗力の増加、および空力弾性フラッターによる構造的破壊の脅威につながります。流れの速度と音速の比は、超音速流の特性を最初に調査した一人であるエルンスト・マッハにちなんでマッハ数と名付けられました。マクウォーン・ランキンとピエール・アンリ・ユゴニオは、衝撃波の前後の流れの特性に関する理論を独自に開発し、ヤコブ・アッケレットは超音速翼型の揚力と抗力を計算する最初の研究を主導しました。[ 19 ]テオドール・フォン・カルマンとヒュー・ラティマー・ドライデンは、抗力が急速に増加する臨界マッハ数とマッハ1の間の流れの速度を表すために遷音速という用語を導入しました。抗力の急激な増加により、空気力学者と飛行士の間では、 1947年にベルX-1航空機によって音速の壁が破られるまで、超音速飛行が実現可能かどうかについて意見が分かれていた。
音速の壁が破られる頃には、空気力学者の亜音速および低超音速の流れに関する理解は成熟していた。冷戦は、絶えず進化する高性能航空機の設計を促した。計算流体力学は、複雑な物体の周囲の流れの特性を解明する試みとして始まり、急速に発展し、コンピュータソフトウェアを使用して航空機全体を設計し、風洞試験に続いて飛行試験でコンピュータの予測を検証できるようになった。超音速および極超音速の空気力学に関する理解は1960年代以降成熟し、空気力学者の目標は、流体の流れの挙動から、流体の流れと予測可能な相互作用をするように機体を設計することへと変化した。超音速および極超音速条件下における航空機の設計、ならびに現行の航空機および推進システムの空力効率を向上させたいという要望は、空力学における新たな研究を継続的に促進する原動力となっている。同時に、流れの乱流やナビエ・ストークス方程式の解析解の存在と一意性に関連する、基礎的な空力理論における重要な問題に関する研究も続けられている。
物体の周囲の空気の動き（しばしば流れ場と呼ばれる）を理解することで、物体に作用する力とモーメントを計算できます。多くの空気力学の問題では、関心のある力は、揚力、抗力、推力、重力といった飛行の基本力です。これらのうち、揚力と抗力は空気力学的な力、つまり固体上の空気の流れによる力です。これらの量の計算は、流れ場が連続体として振る舞うという仮定に基づいていることがよくあります。連続体の流れ場は、位置と時間の関数となる流速、圧力、密度、温度などの特性によって特徴付けられます。これらの特性は、空気力学実験で直接的または間接的に測定することも、空気の流れにおける質量、運動量、エネルギーの保存の式から始めて計算することもできます。密度、流速、および粘度という追加の特性は、流れ場を分類するために使用されます。
流れの速度は、速度領域に応じて流れを分類するために使用されます。亜音速流とは、空気速度場が常に局所音速を下回る流れ場です。遷音速流には、亜音速流の領域と、局所流速が局所音速よりも大きい領域の両方が含まれます。超音速流は、流速がどこでも音速よりも大きい流れとして定義されます。4番目の分類である極超音速流は、流速が音速よりもはるかに大きい流れを指します。極超音速流の正確な定義については、空気力学者の間で意見が分かれています。
圧縮性流れとは、流れの中の密度が変化する流れのことです。亜音速流れはしばしば非圧縮性流れとして理想化され、すなわち密度は一定であると仮定されます。遷音速流れと超音速流れは圧縮性流れであり、これらの流れ場における密度の変化を無視した計算では不正確な結果が得られます。
粘性は流れにおける摩擦力と関連しています。流れ場によっては粘性の影響が非常に小さいため、近似解では粘性の影響を安全に無視できます。このような近似は非粘性流と呼ばれます。粘性を無視できない流れは粘性流と呼ばれます。最後に、空気力学の問題は流れの環境によって分類することもできます。外部空気力学は、さまざまな形状の固体物体の周囲の流れ（たとえば、飛行機の翼の周囲）を研究するものであり、内部空気力学は、固体物体の内部通路を通る流れ（たとえば、ジェットエンジンを通る流れ）を研究するものです。
液体や固体とは異なり、気体は個々の分子から構成されており、これらの分子は気体全体の体積のごく一部しか占めていません。分子レベルでは、流れ場は多数の個々の気体分子同士の衝突、および気体分子と固体表面との衝突によって形成されます。しかし、ほとんどの空気力学の応用においては、気体の個々の分子という性質は無視され、流れ場は連続体として振る舞うと仮定されます。この仮定により、密度や流速などの流体特性を流れ場のあらゆる場所で定義することが可能になります。
連続体仮定の妥当性は、気体の密度と対象となるアプリケーションに依存します。連続体仮定が妥当であるためには、平均自由行程長が対象となるアプリケーションの長さスケールよりもはるかに小さくなければなりません。たとえば、多くの空力アプリケーションは、平均自由行程長がマイクロメートルオーダーである大気条件で飛行する航空機を扱い、機体はそれよりも桁違いに大きくなります。このような場合、航空機の長さスケールは数メートルから数十メートルに及び、平均自由行程長よりもはるかに大きくなります。このようなアプリケーションでは、連続体仮定は妥当です。連続体仮定は、非常に高い高度（たとえば300,000 フィート/90 km）を飛行する車両[ 6 ]や低軌道衛星が遭遇するような極めて低密度の流れには、あまり妥当ではありません。このような場合、統計力学は連続体空力学よりも問題を解決するより正確な方法です。クヌーセン数は、統計力学と空気力学の連続体定式化のどちらを選択するかを判断する際の指針として用いることができる。
流体連続体の仮定により、流体力学の保存則を用いて空気力学の問題を解くことができる。以下の3つの保存原理が用いられる。
これらの式はまとめてナビエ・ストークス方程式として知られていますが、一部の著者は運動量方程式のみを含むものとしてこの用語を定義しています。ナビエ・ストークス方程式には既知の解析解がなく、現代の空気力学では計算手法を用いて解かれています。高速コンピュータを用いた計算手法は歴史的に利用できず、現在ではこれらの複雑な方程式を解くための計算コストが高いため、ナビエ・ストークス方程式の簡略化が用いられてきました。オイラー方程式は粘性を無視した一連の類似した保存方程式であり、粘性の影響が小さいと予想される場合に使用できます。さらに簡略化すると、ラプラス方程式とポテンシャル流れ理論が得られます。また、ベルヌーイ方程式は、運動量保存方程式とエネルギー保存方程式の両方に対する一次元での解です。
理想気体の法則や同様の状態方程式は、これらの方程式と組み合わせて、未知の変数を解くことができる確定したシステムを形成するためによく使用されます。[ 20 ]
空気力学の問題は、流れの環境や流れの特性（流速、圧縮性、粘性など）によって分類されます。外部空気力学は、さまざまな形状の固体物体の周囲の流れを研究する分野です。飛行機の揚力と抗力の評価や、ロケットの先端に発生する衝撃波などは、外部空気力学の例です。内部空気力学は、固体物体内の通路を通る流れを研究する分野です。例えば、ジェットエンジンやエアコンの配管を通る空気の流れの研究は、内部空気力学に含まれます。
空気力学的問題は、流れの速度が音速より低いか、音速に近いか、音速より高いかによって分類することもできます。問題内のすべての速度が音速より低い場合は亜音速、音速より低い速度と高い速度の両方が存在する場合（通常は特性速度が音速に近い場合）、特性流れ速度が音速より大きい場合は超音速、流れの速度が音速よりはるかに大きい場合は極超音速と呼ばれます。空気力学者は極超音速流の正確な定義について意見が分かれていますが、大まかな定義では、マッハ数が5を超える流れを極超音速とみなしています。[ 6 ]
粘性が流れに及ぼす影響によって、3つ目の分類が生まれます。問題によっては、粘性の影響が非常に小さい場合があり、その場合は粘性を無視できるとみなすことができます。このような問題の近似は、非粘性流と呼ばれます。粘性を無視できない流れは、粘性流と呼ばれます。
非圧縮性流体とは、密度が時間的にも空間的にも一定である流れのことです。実際の流体はすべて圧縮性ですが、密度変化の影響が計算結果にわずかな変化しか与えない場合、流れは非圧縮性であると近似されることがよくあります。これは、流速が音速よりもかなり低い場合に当てはまります。圧縮性の影響は、音速に近いかそれ以上の速度でより顕著になります。マッハ数は、非圧縮性を仮定できるかどうかを判断するために使用され、そうでない場合は圧縮性の影響を考慮する必要があります。
亜音速（または低速）空気力学は、流れのあらゆる場所で音速よりもはるかに低い速度で流れる流体の運動を記述します。亜音速流にはいくつかの種類がありますが、流れが非粘性、非圧縮性、非回転性である場合に特別なケースが発生します。このケースはポテンシャル流と呼ばれ、流れを記述する微分方程式が流体力学の方程式の簡略化されたバージョンとなるため、空気力学者は迅速かつ容易なさまざまな解を利用できるようになります。[ 21 ]
亜音速問題を解く際、空気力学者が決定すべき事項の一つは、圧縮性の影響を考慮に入れるかどうかである。圧縮性とは、流れにおける密度の変化量を表すものである。圧縮性が解に与える影響が小さい場合、密度は一定であると仮定することができる。この場合、問題は非圧縮性の低速空気力学問題となる。密度が変化することを許容する場合、流れは圧縮性であると呼ばれる。空気中では、流れのマッハ数が0.3（華氏60度（摂氏16度）で毎秒約335フィート（102メートル）、または毎時 228マイル（366キロメートル））を超えない場合、圧縮性の影響は通常無視される。マッハ0.3を超えると、問題の流れは圧縮性空気力学を用いて記述する必要がある。
空気力学の理論によれば、流れの密度が流線に沿って変化する場合、その流れは圧縮性であるとみなされます。これは、非圧縮性の流れとは異なり、密度の変化が考慮されることを意味します。一般に、これは流れの一部または全体のマッハ数が0.3を超える場合に該当します。マッハ0.3という値はやや恣意的ですが、この値より低いマッハ数のガス流では密度の変化が5%未満であるため、この値が用いられています。さらに、この最大5%の密度変化はよどみ点（物体上で流れの速度がゼロになる点）で発生し、物体の残りの部分では密度の変化は著しく小さくなります。遷音速、超音速、極超音速の流れはすべて圧縮性の流れです。
遷音速とは、局所音速（一般的にマッハ0.8～1.2）のすぐ下とすぐ上の流速範囲を指します。これは、航空機上の気流の一部が超音速になる臨界マッハ数と、気流全体が超音速になるより高い速度（通常はマッハ1.2付近）との間の速度範囲として定義されます。これらの速度の間では、気流の一部は超音速ですが、一部は超音速ではありません。
超音速空力問題とは、音速を超える流速に関わる問題のことである。コンコルドの巡航時の揚力を計算することは、超音速空力問題の一例と言える。
超音速流は亜音速流とは全く異なる挙動を示します。流体は圧力差に反応し、圧力変化は流体が周囲の環境に反応するように「指示」する手段となります。したがって、音は実際には流体中を伝播する微小な圧力差であるため、その流体中の音速は、流れの中で「情報」が伝わる最速の速度と考えることができます。この違いは、流体が物体に衝突する場合に最も顕著に現れます。物体の前方では、物体との衝突によって流体が静止するため、流体は停滞圧を蓄積します。亜音速で流れる流体では、この圧力変動は上流に伝播し、物体の前方の流れのパターンを変化させ、流体が物体の存在を「認識」して動きを調整し、物体の周囲を流れているように見えることがあります。しかし、超音速流では、圧力変動は上流に伝播しません。このように、流体が最終的に物体に到達すると、物体に衝突し、温度、密度、圧力、マッハ数といった特性が、衝撃波と呼ばれる極めて激しく不可逆的な変化を強いられます。衝撃波の存在は、高速流速（レイノルズ数参照）流体の圧縮効果と相まって、超音速と亜音速の空力特性を分ける決定的な違いとなっています。
空気力学において、極超音速とは、音速を極めて超えた速度のことである。1970年代には、この用語は一般的にマッハ5（音速の5倍）以上の速度を指すようになった。極超音速領域は、超音速領域の一部である。極超音速流は、衝撃波の後方における高温流、粘性相互作用、および気体の化学的解離によって特徴づけられる。
非圧縮性流体と圧縮性流体の流れは、境界層や乱流など、多くの関連現象を生み出す。
境界層の概念は、空気力学における多くの問題において重要である。空気中の粘性や流体摩擦は、この薄い境界層内でのみ重要であると近似される。この仮定により、空気力学の記述が数学的にずっと扱いやすくなる。
空気力学において、乱流とは流れにおける無秩序な性質変化を特徴とする現象である。これには、運動量の拡散が小さいこと、運動量の対流が大きいこと、そして圧力と流速が空間的にも時間的にも急速に変化することなどが含まれる。乱流でない流れは層流と呼ばれる。
空気力学は、車両設計の重要な要素であり、主な目標が車両の抗力係数を低減することである乗用車やトラック、そして抗力を低減することに加えて全体的なダウンフォースのレベルを高めることも目標であるレーシングカーなどが含まれます。[ 21 ]空気力学は、帆船に作用する力やモーメントの予測にも重要です。ハードドライブヘッドなどの機械部品の設計にも使用されます。構造エンジニアは、大型建築物、橋、風力タービンの設計で風荷重を計算する際に、空気力学、特に空力弾性を利用します。
内部通路の空気力学は、暖房・換気システム、ガス配管、自動車エンジンなどにおいて重要であり、詳細な流れのパターンはエンジンの性能に大きく影響する。
都市空気力学は、屋外空間の快適性を向上させたり、都市汚染の影響を軽減するために都市の微気候を作り出したりする都市計画家や設計者によって研究されています。環境空気力学の分野では、大気循環と飛行力学が生態系に及ぼす影響について研究しています。空気力学方程式は、数値天気予報に用いられています。
空気力学が極めて重要なスポーツには、サッカー、卓球、クリケット、野球、ゴルフなどがあり、これらのスポーツではほとんどの選手が「マグナス効果」を利用してボールの軌道を制御することができる。
1773年生まれのサー・ジョージ・ケイリーは、航空の父と呼ばれることもある。この分野の先駆者である彼は、飛行の4つの空力力（重量、揚力、抗力、推力）とその関係を初めて特定した。また、人間を乗せたグライダーを初めて成功裏に製作した人物でもある。ケイリーは、現代の飛行機の多くの概念と要素を説明し、揚力と推力の概念を工学用語で理解し説明した最初の人物である。
一般空気力学
亜音速空力
遷音速空力学
超音速空力
{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）極超音速空力
空気力学の歴史
工学に関連する空気力学
地上車両
固定翼航空機
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ミサイル
模型飛行機
空気力学の関連分野
空気熱力学
空力弾性
境界層
乱流