揚力
ポテンシャル流ではよどみ点の位置を予測できない。翼後ろ側のよどみ点が翼後端に固定されるという条件(クッタ条件)を課すことで揚力を計算できる。クッタ条件は粘性の効果のひとつと考えられる。
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。
物体が主流速度ベクトルに対して非対称な形状である時、物体は主流方向からそれた斜めの方向に力を受ける。そのときの力の主流に垂直な成分が揚力である。主流方向成分は抗力とよばれる。
単純な平板の形状・上下対称の翼型であっても(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。→凧や帆
揚力の解説の中には、反作用に言及が無いものや圧力分布に言及が無いといった簡易なものがある。
なかには反作用と圧力分布の一方を否定するものがあるが、圧力差こそが反作用であり、当に誤解である。下記の参考文献にもそのようにも解釈できるものが含まれている。
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。
流速が音速よりはるかに低速の流れは非圧縮とみなされる。非圧縮場では、空気が翼体の通過によって押されるとき押された空気はつぶれることができず代わりに周辺の流路が狭まって流速が増す。流体要素の速度増減は圧力減増と対応し流速の高い部分は圧力は低い。これはベルヌーイ定理と呼ばれる。現実の流体要素でいうと、流路の狭まりに対し要素の流路への進行方向前側が先に進入するため要素が前後に引き伸ばされて圧力が下がる。
物体が空気中を移動すると物体前方で余剰となった空気は物体の上下を回り込んで物体背面側へと移動する。揚力ゼロの物体の場合は上下で回り込む量が同程度であるのに対し、揚力の大きい物体では上側でのみ回り込む(クッタ条件)。このとき物体の上側で流路が狭まり流速が増し、圧力が下がる。
揚力とは翼体の上側より下側が高圧となる圧力差である。これは非圧縮流の場合には速度変化を伴い、この積算量は循環と呼ばれる。揚力が生じているとき周囲の空気にはどこかで必ず逆向きの運動(ダウンウォッシュ)が起きる。ダウンウォッシュの周囲には渦が発生しうる。これらはいずれも揚力が生じているときの周囲の現象であり、揚力の発生機構ではない。発生機構としては、なぜ流体が翼面に沿って動くのか、後方よどみ点はなぜ物体の後縁にトラップされるのか(クッタ条件)といった点を省略せずに説明する必要がある。