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翼は、空気または他の流体中を移動する際に揚力を生み出すフィンの一種です。したがって、翼は流線型の断面を持ち、空気力の影響を受け、翼型として機能します。翼の空気力学的効率は、揚抗比として表されます。特定の速度と迎え角で翼が生成する揚力は、翼の総抗力よりも 1 桁から 2桁大きくなります。揚抗比が高いと、十分な揚力で翼を空中に推進するために 必要な推力が大幅に小さくなります。
水中で使用される揚力構造には、水中翼のようなさまざまな翼があります。流体力学は、空気力学ではなく、支配的な科学です。 水中翼は、水上飛行機、帆船、潜水艦などで使用されています。
語源と用法
何世紀にもわたり、「翼」という言葉は、古ノルド語のvængr [1]に由来し、主に鳥類の先端の肢（建築物の通路も含む）を指していました。しかし、近年では、この言葉の意味は、昆虫、コウモリ、翼竜、ブーメラン、一部の帆船、牽引力を高めるために下向きの力を生み出すレーシングカーの 逆翼などの揚力を生み出す付属器官も含むように広がりました。
空気力学
航空機の翼の設計と解析は、流体力学の一分野である空気力学の主要な応用分野の一つである。原理的には、流体力学のナビエ・ストークス方程式を解くことで、あらゆる移動物体の周囲の気流の特性を求めることができる。しかし、単純な形状を除いて、これらの方程式を解くのは非常に難しいことで知られており、より単純な方程式が使用される。[2]
翼が揚力を生み出すには、適切な迎え角に向けられている必要があります。適切な迎え角に向けられると、翼は空気の流れを翼を通過するときに下向きに曲げます。翼は空気に方向を変える力を加えるため、空気も翼に同じ力と反対の力を加えなければなりません。[3] [4] [5] [6]
断面形状
エアフォイル（英: airfoil ）は、翼、ブレード（プロペラ、ローター、タービンのブレード）、または帆（断面で見られる）の形状である。亜音速飛行では、非対称断面の翼が標準である。対称断面の翼は、正の迎え角を使用して空気を下方に偏向させることで揚力を生成することもできる。対称翼は、同じ翼面積のキャンバー翼よりも失速速度が速いが[7] 、航空機が直立しているか逆さまになっているかに関係なく実用的な性能を発揮するため、曲技飛行機で使用されている[8]。別の例としては、帆が薄い膜で、片側と反対側の経路長に差がない帆船が挙げられる。[9]
音速に近い飛行速度（遷音速飛行）では、音速に近い気流に伴う抗力の急激な増加を最小限に抑えるために、複雑な非対称形状の翼型が使用されます。[10]このような翼型は超臨界翼型と呼ばれ、上部が平らで、下部が湾曲しています。[11]
デザインの特徴
航空機の翼には次のような特徴があります。
- 丸みを帯びた先端断面
- 鋭い後縁断面
- スラット、スロット、エクステンションなどの最先端のデバイス
- フラップやフラッペロン（フラップとエルロンの組み合わせ）などの後縁装置
- 翼端渦による抗力の増加と揚力の低下を防ぐウィングレット
- 上反角、つまり水平に対する正の翼角は、ロール軸の周りの螺旋安定性を高めますが、下反角、つまり水平に対する負の翼角は、螺旋安定性を低下させます。
航空機の翼には、パイロットが飛行中の動作特性を変えるために翼の形状と表面積を変更するために使用するフラップやスラットなどのさまざまな装置が装備されています。
- エルロン（通常は翼端付近）は、航空機をその長軸を中心に時計回りまたは反時計回りにロールさせる。
- 着陸したばかりでまだ動いている航空機の揚力を妨げ、追加の牽引力を与えるために上面にあるスポイラー。
- 渦発生器は、特に操縦翼面上での低速および高迎え角時の流れの分離を軽減します。[12]
- 境界層の剥離がロール方向に広がるのを防ぎ、流れを翼に付着させたままにする翼フェンス。
- 折りたたみ式の翼により、航空母艦の格納庫デッキの限られたスペースに、より多くの航空機を保管することが可能になる。
- 可変後退翼または「スイング翼」は、低速飛行（離着陸など）時には翼を広げ、高速飛行（超音速飛行を含む）時には後退翼を可能にするもので、F-111アードバーク、F-14トムキャット、パナビアトルネード、ミグ23、ミグ27、Tu-160、B-1Bランサー戦闘機などに使用されている。
- 飛行特性を向上させるストレーキ
- 翼と一体化する可能性のあるチャイン
- 高揚力装置である前縁ドループフラップ
- フェアリングは、滑らかな輪郭を作り、抗力を減らすことを主な機能とする構造です。たとえば、フラップトラックフェアリングなどです。
翼には他の小さな独立した表面がある場合があります。
アプリケーションとバリエーション
固定翼航空機のほかに、翼の形状の用途には以下が含まれます。
- ハンググライダーは、完全に柔軟な翼（パラグライダー、滑空パラシュート）、柔軟な翼（フレームセイル翼）、硬質翼までさまざまな翼を使用します。
- 凧は、揚力を得て安定性を維持するためにさまざまな表面を使用します。[13]
- 飛行模型飛行機
- ヘリコプターは、可変ピッチ角の回転翼を使用して方向性のある力を提供します。[14]
- プロペラは、そのブレードが推進力を生み出す揚力を発生させます。
- NASAの スペースシャトルは、滑走路への降下中に滑空するためだけに翼を使用します。このタイプの航空機はスペースプレーンと呼ばれます。[15]
- 一部のレーシングカー、特にF1カーでは、高速走行時により大きな牽引力を得るために逆さまの翼（または翼型）を使用しています。 [16]
- 柔軟な布の 帆を垂直の翼として使用し、水面を移動するために、帆の膨らみと方向を変えます。
- 水中翼船は、硬い翼状の構造を使用して船舶を水面から持ち上げ、抵抗を減らして速度を上げます。
自然の中で
自然界では、昆虫、翼竜、恐竜（鳥類、コウモリ科）、哺乳類（コウモリ）は移動手段として翼を進化させてきた。様々な種類のペンギンや、ウミスズメ、ウミガラス、ミズナギドリ、ケワタガモ、コガモ、潜水ウズラなどの飛べる、飛べない水鳥は、翼を使って水中を進む熱心な水泳者でもある。[17]
- 自然界における翼の形
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降下時に自動回転を引き起こす有翼樹の種子 -
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飛んでいるコウモリ -
ガガンボ。後ろの羽がドラムスティック状の棍棒に縮小している。
張力構造
1948年、フランシス・ロガロは、膨張した支柱または剛性の支柱で支えられた凧のような張力翼を発明し、航空機に新たな可能性をもたらしました。 [18]その頃、ドミナ・ジャルベールは、柔軟なスパーのないラムエア翼型の厚い翼を発明しました。これら2つの新しい翼の分野は、それ以来広く研究され、航空機の新しい分野に応用され、特に個人用レクリエーション航空の状況を変えてきました。[19]
参照
- 自然界
- 航空
- 航空機
- ブレードの堅牢性
- ファンウィングとフレットナー飛行機（実験的な翼の種類）
- 飛行力学（固定翼航空機）
- 凧の種類
- 羽ばたき飛行機– 羽ばたき翼の飛行機（研究用プロトタイプ、簡単なおもちゃや模型）
- オットー・リリエンタール
- 翼の構成
- 翼根
- ウイングスーツ飛行
- セーリング
参考文献
- ^ 「オンライン語源辞典」 Etymonline.com . 2012年4月25日閲覧。
- ^ 「ナビエ・ストークス方程式」グレン研究センター2012-04-16 . 2012-04-25閲覧。
- ^ Halliday, David; Resnick, Robert. Fundamentals of Physics (第 3 版). John Wiley & Sons . p. 378.
...翼の効果は、気流に下向きの速度成分を与えることです。偏向した空気塊の反作用力は、翼に作用して、翼に等しく反対方向の上向きの成分を与える必要があります。
- ^ 「物体が形作られ、移動され、または傾けられて流れの正味の偏向または方向転換が生じると、局所的な速度の大きさ、方向、またはその両方が変化する。速度の変化により物体に正味の力が生成される」「流れの方向転換による揚力」グレン研究センター2011-06-29閲覧。
- ^ 「空気力学的揚力の原因は、翼による空気の下向きの加速です...」Weltner, Klaus; Ingelman-Sundberg, Martin. 「飛行物理学 - レビュー」ゲーテ大学フランクフルト。 2011-07-19 にオリジナルからアーカイブ。
- ^ 「誤った揚力理論」グレン研究センター。
- ^ Laitone, EV (1997). 「レイノルズ数70000以下の翼の風洞試験」。流体実験。23 ( 405): 405–409。doi :10.1007/s003480050128。S2CID 122755021 。
- ^ 「アクロバット飛行と曲技飛行とは何か？」連邦航空局。 2022年10月26日閲覧。
- ^ 「...垂直の翼にすぎない帆を考えてみましょう（ヨットを推進するための横方向の力を生成します）。...よどみ点と後縁の間の距離は、両側でほぼ同じであることは明らかです。これは、マストがない場合にまったく当てはまります。また、マストの存在は揚力の生成にはまったく影響しません。したがって、揚力の生成には、上面と下面の周囲に異なる距離は必要ありません。」 Holger Babinsky How do Wings Work? Physics Education 2003 年 11 月、PDF
- ^ ジョン・D・アンダーソン・ジュニア著『Introduction to Flight』第4版、271ページ。
- ^ 「超臨界翼は上面が平らで『逆さま』のように見える」NASAドライデン飛行研究センター。
- ^ Hahne, David E.; Jordan, Frank L. Jr. (1991). 自然層流翼を備えたビジネスジェット翼の半スパンフルスケールテスト。アメリカ航空宇宙局、科学技術情報局。p. 5 – Google ブックス経由。
- ^ 「凧揚げの物理学 - 空気力学的揚力」RealWorldPhysicsProblems.com . real-world-physics-problems.com . 2022年1月28日閲覧。
- ^ ロペス、ハーム・フレデリック・アルトゥイシウス。「ヘリコプター物理学」（PDF）。ColoradoCollege.edu 。コロラド大学物理学部。 2022年1月28日閲覧。
- ^ 「ロケットの空気力学」。Sciencelearn.org.nz。ニュージーランド政府ビジネス・イノベーション・雇用省。 2022年1月28日閲覧。
- ^ Zoechling, Moritz (2015年1月20日). 「F1レースカーの空力特性」. APlusPhysics.com . A Plus Physics . 2022年1月28日閲覧。
- ^ 「水泳」スタンフォード大学。 2012年4月25日閲覧。
- ^ 「ロガロ・ウィング - NASAが語る物語」History.nasa.gov 。 2012年12月23日閲覧。
- ^ホプキンス、エレン 、ブレッドソー、グレン (2001)。ゴールデンナイツ：アメリカ陸軍パラシュートチーム。キャップストーン。pp. 21。ISBN 9780736807753。
ドミナ・ジャルバートのラムエアウィング。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、 Wingsに関連するメディアがあります。
- 翼の仕組み - ホルガー・バビンスキー 物理教育 2003
- 飛行機の飛行原理：揚力の物理的説明
- 飛行の科学を解明する - NPR のトーク・オブ・ザ・ネイション・サイエンス・フライデーのオーディオ セグメント
- NASAの説明とシミュレーション
- スタイロホークの翼の飛行
- どのように飛ぶか見てみましょう