Loading article…
流体力学において、圧力中心とは、物体に作用する単一の力が、物体に作用する圧力場の総和を表すことができる物体上の点のことです。圧力中心に作用する総力ベクトルは、物体の表面全体にわたる圧力ベクトル場の面積分です。結果として生じる力と圧力中心の位置は、元の圧力場と同等の力とモーメント（トルク）を物体に及ぼします。
圧力場は、静的流体力学と動的流体力学の両方で発生します。圧力中心、圧力中心の基準点、および関連する力ベクトルを指定することで、基準点から目的の新しい点への移動によって、任意の点の周りに発生するモーメントを計算できます。圧力中心は物体上に位置するのが一般的ですが、流体の流れでは、圧力場が物体に及ぼすモーメントの大きさによって、圧力中心が物体の外側に位置する可能性があります。[ 1 ]
ダムにかかる水の力は静水圧であるため、水深に比例して変化します。したがって、ダムにかかる総力は、水深の関数として、圧力にダムの幅を乗じたものの積分となります。圧力の中心は、三角形の圧力場の重心に位置します。水面の一番上から。ダムにかかる静水圧と、ある点を中心とした転倒モーメントは、総力と、注目点に対する圧力中心の位置から計算できます。
圧力中心は、帆船の設計において、帆上の空気力が集中する位置を表すために用いられる。
帆の空気力学的圧力中心と船体の流体力学的圧力中心（横抵抗中心とも呼ばれる）との関係によって、風に対する船の挙動が決まります。この挙動は「舵角」と呼ばれ、風上舵角と風下舵角のどちらかになります。舵角がわずかに大きい状態は、舵の「感覚」と、強い突風時に船がわずかに風上に向かう傾向があり、ある程度帆が自然にフェザリングされるという点の両方から、一部の船乗りにとって望ましい状態だと考えられています。しかし、他の船乗りはこれに同意せず、ニュートラルな舵角を好みます。
風上側であろうと風下側であろうと、「舵角」の根本的な原因は、帆の圧力中心と船体の横抵抗中心との関係にある。圧力中心が横抵抗中心より後方にある場合、つまり風上側舵の場合、船は風上に向かって旋回しようとする傾向がある。
状況が逆転し、圧力中心が船体の横抵抗中心より前方にある場合、「リー」舵が発生し、これは危険ではないにしても一般的に望ましくないと考えられています。どちらの舵も大きすぎると、舵取り役は舵を偏向させてそれを打ち消す必要があり、中立または最小限の舵を持つ船舶が経験する以上の余分な抵抗が発生するため、良くありません。[ 2 ]
安定した形状は、セーリングだけでなく、航空機の設計においても望ましい。そのため、航空機の設計では圧力中心という用語が用いられるようになった。帆と同様に、剛性のある非対称翼型は揚力だけでなくモーメント（トルク）も発生させる。航空機の圧力中心とは、すべての空力圧力場をモーメントのない単一の力ベクトルで表すことができる点である。[ 3 ] [ 4 ] 同様の考え方として、空力中心というものがあり、これは翼型上で空力によって生じるピッチングモーメントが迎角に対して一定となる点である。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]
空力中心は、すべての飛行機械の縦方向の静的安定性の解析において重要な役割を果たします。航空機のピッチ角と迎角が乱された場合（例えば、ウィンドシア／垂直突風によって）、パイロットやオートパイロットが操縦翼面の偏向を変更することなく、航空機が元のトリムされたピッチ角と迎角に戻ることが望ましいです。航空機がパイロットやオートパイロットからの入力なしにトリムされた姿勢に戻るためには、正の縦方向の静的安定性が必要です。[ 8 ]
ミサイルは通常、特定の機動面や方向を持たないため、対称翼型を持つ。対称翼型の圧力中心は迎角が小さい場合比較的一定であるため、ミサイル技術者は通常、安定性および制御解析のために機体全体の圧力中心について言及する。ミサイル解析では、圧力中心は通常、トリム迎角からの迎角の変化による追加圧力場の中心として定義される。[ 9 ]
誘導されないロケットの場合、トリム位置は通常、迎角がゼロであり、圧力中心は、非常に小さな迎角によって生じる機体全体の合流場の圧力中心として定義されます（つまり、圧力中心は迎角がゼロに近づくときの極限です）。ミサイルの正の安定性のためには、上記のように定義された機体全体の圧力中心は、機体の重心よりも機首から遠い位置にある必要があります。迎角が低いミサイルでは、圧力中心への寄与は機首、翼、およびフィンによって支配されます。各コンポーネントの迎角に関する正規化された法線力係数の微分に圧力中心の位置を乗じることで、全体の圧力中心を表す重心を計算できます。追加された流場の圧力中心は重心の後ろにあり、追加の力は追加された迎角の方向に「向いて」います。これにより、機体をトリム位置に戻すモーメントが発生します。
フィンを動かして迎角を調整できる誘導ミサイルでは、圧力中心は、フィンが偏向していない状態での迎角における流れ場の圧力中心です。これは、迎角のわずかな変化（上記で定義）に対する圧力中心です。静的安定性が正であるためには、この圧力中心の定義により、圧力中心は重心よりも機首から遠い位置にある必要があります。これにより、迎角の増加によって生じる力の増加が、ミサイルをトリム位置に戻す復元モーメントの増加につながることが保証されます。ミサイル解析において、正の静的余裕とは、機体全体がトリム位置からのあらゆる迎角に対して復元モーメントを起こすことを意味します。
対称翼型の圧力中心は、通常、翼型の前縁から翼弦長の約 25% の後方に位置します。（これは「1/4 弦点」と呼ばれます。）対称翼型の場合、迎角と揚力係数が変化しても、圧力中心は移動しません。[ 10 ]失速迎角より低い迎角では、圧力中心は 1/4 弦点付近にとどまります。航空機の制御特性における圧力中心の役割は、ミサイルの場合とは異なります。
キャンバー翼型では、圧力中心は固定位置を占めません。[ 11 ] 従来のキャンバー翼型では、最大揚力係数（大きな迎角）では圧力中心は翼弦の1/4点より少し後ろにありますが、揚力係数が減少するにつれて（迎角が減少するにつれて）、圧力中心は後方に移動します。[ 12 ] 揚力係数がゼロの場合、翼型は揚力を発生しませんが、従来のキャンバー翼型は機首下げピッチングモーメントを発生させるため、圧力中心の位置は翼型の後方無限遠になります。
反り返ったキャンバーを持つ翼型の場合、最大揚力係数（大きな迎角）では圧力中心は翼弦の1/4点よりわずかに前方に位置しますが、揚力係数が減少する（迎角が減少する）につれて圧力中心は前方に移動します。揚力係数がゼロの場合、翼型は揚力を発生しませんが、反り返ったキャンバーを持つ翼型は機首上げのピッチングモーメントを発生させるため、圧力中心の位置は翼型の前方無限遠点になります。反り返ったキャンバーを持つ翼型におけるこの圧力中心の移動方向には、安定化効果があります。
揚力係数の変化に伴って圧力中心が移動するため、航空機の縦方向の静的安定性を数学的に解析する際に圧力中心を用いるのは困難です。そのため、数学的解析を行う際には、空力中心を用いる方がはるかに簡単です。空力中心は翼型上の固定位置にあり、通常は翼弦の1/4点付近に位置します。
空力中心は、縦方向の安定性の概念的な出発点です。水平尾翼は安定性をさらに高めるため、重心が空力中心からわずかに後方に位置しても、航空機は中立安定性に達しません。航空機が中立安定性を示す重心の位置を中立点と呼びます。
