揚力
粘性あり、すなわち境界層を考慮する場合には、翼と触れている流体要素は表面に付着し翼に対し停まっている(ノンスリップ)ため、表面速度から揚力を導くことはできない。境界層の外の速度場から計算する必要がある。これは翼型に境界層厚さを加味するということでもある。
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、鳥類の翼、凧、飛行機の固定翼、ヘリコプターの回転翼、水中翼船の水中翼、船舶の帆(縦翼)と舵、櫂、プロペラ、ファン、タービンなどがある。
翼型とは翼の断面形状のこと。詳しくは「翼型」を参照。
基本的には、前端側が丸く後端側が尖ったいわゆる「涙滴形」やそれを湾曲させひずませた形状である。航空機の場合は翼内部ボリュームを大きくすることも要求され、翼型設計に影響する。
運用時の迎え角が一定でないことを前提に、前縁部近傍は剥離を防ぐために丸く、曲率を小さくする。翼下面の流れが後端部で翼から離れるために後端は曲率を大きく、尖らせる。
翼断面の図としてよく見られる形状とは、右図上のような形状である。上面側のほうが翼が膨らんでおり、下面側はやや平らになっている。
初期の飛行機は、右下図のような湾曲した形状が用いられた。このような形状では翼下面気流は前縁部を避けた後にさらに後端部をよけることになり、抗力は大きい。(1960年代以降広く採用されているスーパークリティカル翼は、低抗力と湾曲とを両立させている。)
超音速用途では前端も尖らせた形状が普通である。
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。
翼や縦帆などでは、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。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。
揚抗比とは、抗力に対する揚力の強度の比を指す。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を利用するよりリフト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は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。飛行機は翼にて抗力で消費する推力以上の揚力を得ている。ヨットや帆船も揚力を利用したほうが優れる。
一般の航空機では必要な揚力は決まっているため、揚抗比の改善とは抗力すなわちロスを減らすことであり、動力低出力化や省燃費と同義である。
流れが音速未満の場合には、翼端の影響を減らす、すなわちスパン方向に極力長くすることが望ましい。旅客機もそうであるが特に人力飛行機の翼は細長い(アスペクト比が大きい)。これはロスを減らすためである。超音速では、造波抵抗を防ぐ三角翼などが適し、更に高速ではリフティングボディのような、翼を持たず胴体で揚力を発生する形状が研究されている。
超音速機のほうが揚力の一般向けの説明は容易である。(流体力学の知識が無いとき、空気が翼体に押されたときに空気がつぶれることを想像するため。)
薄板状の物体を迎角をつけて、空気中を音速を上回る速度で移動させる。物体下面(前面)では空気が翼により押しのけられるときにつぶれて高圧となる。背面側では逆に翼面に引っ張られた空気が希薄となり低圧となる。これにより迎角に依存した上向きの力が生じる。
実用上は前縁が鋭利であることが望ましい。実際の翼は菱がたの断面形状などが用いられる。
簡易的な説明として「飛び石説」と呼ばれる揚力解釈がある。