揚力発生のメカニズム The mechanism of lift generation that I think.
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１、私の考える揚力発生のメカニズム
＊まず下図のような楕円形断面の２次元物体が空気中を移動するときの様子を考えてみます。左方向へ移動する物体を、便宜上左から空気の流れを受ける物体の図にします。
流体中の物体には二つの原理で力が作用します。
「原理１」
空気中を移動する物体の前面に空気が圧縮されてできる高気圧域 a（赤色）と、後面に空気が引き伸ばされてできる低気圧域 b（青色）の気圧差が力Fを発生します。
「原理２」
物体の前面の高気圧域 aから後面の低気圧域 bへの流れは移動速度よりも高速となり、速い流れ cが面に沿って曲げられる反力で上向きの力 Fcと、流れ d による下向きの力 Fdが発生しますが、上下方向成分は相殺され、残った横方向成分は前向きの力となります。
・したがってこの物体には上下方向の力は作用せず、抗力（Fの横方向成分ーFc,Fdの横方向成分＋粘性抵抗）のみが作用することになります。
＊次に「物体」を迎角を持った翼の断面に置き変えます。
「原理１」
翼の前面（ほとんど下面）で空気が圧縮されてできる高気圧域 a（赤色）と、後面（ほとんど上面）で空気が引き伸ばされてできる低気圧域 ｂ（青色）の気圧差で力Fが発生します。
「原理２」
翼前面の高気圧域 aから後面の低気圧域 bへの流れｃは移動速度よりも高速となり、速い流れ cが面に沿って曲げられる反力で Fcと、流れ d による Fdが発生します。Fc、Fdの上下方向成分は揚力となり、横方向成分は前向きの力になります。
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「原理２」の詳細
「原理２」で発生する力は流れが曲げられる瞬間中心からの遠心力の合計と考えられますので、遠心力の式
から、「原理２」による揚力と抗力は、速度の２乗に比例する項を含むと思われます。
（注：「原理２」のメカニズムは上図の様に推測しますが、空気の質量ｍ、流れの角速度ω と瞬間中心位置迄の距離ｒは大きく変動し、これらの特定は私にはできません。よって「速度の２乗に比例」の表現は暫定です。）
翼の形状は概略、板状であることから、
a：揚力については「原理１」が支配的になりますが、「原理２」では上向きの力が生じます。よって実際は以降の計算値より少し大きいと考えます。
ｂ：抗力についても「原理１」が支配的になりますが、「原理２」では前向きの力が生じます。よって実際は以降の計算値より少し小さいと考えます。 2021年1月19日追記
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・したがって飛行機が水平飛行している場合、この翼には揚力は、F、 F c、Fｄ の上下方向成分の合計となり、抗力は、F、Fc、Fdの水平方向成分、粘性抵抗の合計となります。
記号、a〜d、F、Fc、Fdはそれぞれ二つの図で意味合いが対応します。
この時、
① 物体前後の気圧変化の大きさは移動速度に比例し、移動速度が音速の時、流れに正対する面で１気圧
の変化となる。（at 15℃ 1atm.）
・時速100km/hなら、100/1225×１atm=0.0816×1000=81.6grf/㎠ 変化する。
② 翼表面の気圧変化は音速で解消されるが、移動を続ければ気圧差は翼の表面に発生し続ける。
③翼前方で流れが上下に分かれる点は翼の投影高さの中心線上にある。
＜注＞
・「コアンダ効果と作用反作用説」は「原理２」の翼上面についてだけを解説しているのです。
・「循環とベルヌーイの定理説」は存在しない「循環ありき」の解説なのです。
・そして双方の説は空気を非圧縮性とみなしてしまい、「原理１」を見逃してしまっているのです。
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＊空気中を移動する物体には「原理１」と「原理２」の二つの基本的な原理が作用し、物体の形状によって、それぞれの原理が強く作用します。
・翼の様な板状の物体では「原理１」が支配的となり、「原理２」の影響は非常に小さい。
・「原理２」の影響が最大となる形状は円形断面の物体てあり、以下の事象に見られる。
① ボールに回転がなければ表面に沿って回り込む流れの位置が不規則に変化し、作用する力が上下左右に変化して進行方向が不規則に変化する。（バレーボール競技のサーブ）
② ボールに回転があれば一方向に回り込む流れが多くなり、一方向に力が作用する（マグナス効果）。
野球のピッチャーは①、②の両方を投げるのです。
・「コアンダ効果は」面に沿って流れることを言い、力を受けることに言及していません。流体中の回転体は一方向に流れを曲げてその反力の受けます。「マグナス効果」と呼ばれます。「コアンダ効果」と「マグナス効果」の違いをしっかりと理解しなくてなりません。
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２、翼周りの流れ
翼周りの流れをもう少し詳しく検討してみます。
「原理１」で、飛行する翼の後方（上面）には低気圧域が発生し、前方（ほとんど下面）には高気圧域ができます。
その高気圧域から低気圧域への「回り込み」だけをイメージしたのが、下図です。
赤色一点鎖線は、翼の飛行方向への投影形状の上下の中心を示します。
解りやすくするために、高圧域、低圧域と空間のように表現しましたが、実際は次々と気圧差は音速で解消されて行き、気圧差は翼の表面に次々と発生し続けます。
「飛行による空気の流れ」と「回り込み」の流れを合わせてイメージしたのが下図です。流れが合計されるのではなく、あくまでも翼周りに発生する気圧差に導かれて空気は流れているのです。
・翼の上面の流れは「原理１」が作り出す気圧最低点（投影形状の上下の中心）へ向けて流速を増し、そこを通過すると減速しながら進み、後端では飛行速度とほぼ同程度になります。
・翼の下面の流れは減速しながら気圧最高点に達し、そこを通過すると加速して翼の後端では飛行速度とほぼ同程度になり、上面の流れと合流します。
＊これが翼の上面の速度が下面より速いと言うメカニズムです。
・翼の前方では、翼を進行方向へ投影した時の上下の中心線上（赤色一点鎖線上）で空気は上下流に分かれます。 翼に接して流れが曲がるとき「原理２」が作用します。
・前側の淀み点は気圧最高点から速度の増加にともない前方に移動し、後側の淀み点は動き出した瞬間から、気圧最低点から後端へ移動すると考えます。
・気圧最高点と気圧最低点の位置は飛行速度が変わっても（音速以下なら）移動しないと考えます。
＊以上の考え方により、
① 翼の上面の気圧は下面の気圧より低い
② 翼の上面の空気の流れは下面の流れより速い
③ 翼の前側の淀み点の位置
④ 翼の前・下方からの吹上流の存在
等、翼周りの全ての流れと事象の説明がつきます。
＊空気の流れ（方向＆速度）は常に気圧差に導かれ、その動きは非常に素速い。 この道理は翼周りにもそのまま当てはまるのです。
３、「私見」と「コアンダ効果と作用反作用説」との違い
・箇条書きですが以下のようです。
１）・私見：空気は非常に圧縮性の高い気体です。
・コアンダ効果と作用反作用説（以下コアンダ説）：空気は非圧縮性の気体とみなす。
２）・私見：気圧差は疎密波（音）が伝わる伝播速度（音速）で解消されます。
・コアンダ説：気圧差は音速で解消される、としながら、非圧縮性（音は伝わらない）
とみなすなど矛盾点が見られます。
３）・私見：コアンダ効果で空気が回り込む方向への加速度を a として、F=ma が遠心力
として翼に作用する。
・コアンダ説：コアンダ効果で空気が下向きにダウンウォッシュとして放出されるが、
流れが下向きに曲げられる時、鉛直下向き方向への加速度を a として、空気を下へ
曲げる力F=ma の反力が揚力となる。
この説では、モデル Q の場合には前半分と後半分で上下方向の力は相殺されてしまい、モデル L では上向きの力は存在しないことになり、両モデルで実際に発生する揚力を説明できません。
モデルQ
モデルL
４） ・私見：翼を一方向へ一周する循環などは存在せず、気圧最高点から最低点への単純な回り込みが存在する。
・コアンダ説：翼を一周する循環が存在する。
しかし、「循環とベルヌーイ定理説」での循環とは違い、翼の下面でベクトル方向が急変する。その循環がなぜ起こるのか、翼の下面でベクトル方向がなぜ急変するのかの明確な説明がないのは残念。
５）・私見：翼の下面（前面）には「原理１」で高圧域が発生して翼上面と同等の大きさの翼を押し上げる力が働く。
・コアンダ説：下面はほとんど揚力発生に寄与していない。
６）・私見：翼の上面の流れが速いのは、４）に示したように高い気圧域から低い気圧域への加速された流れだからである。
・コ説：コアンダ効果では流れを加速しないので、翼上面で気圧が低いところへ向けてベルヌーイ効果で流速が増す、と説明しながら、一方で循環の存在も説明している。
つまり翼上面で流れが加速されることと、気圧の低いところができるメカニズムの説明が曖昧である。
以上
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