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翼を打ち上げて空に浮かぶ鳥の飛行を研究する場合でも、煙突から大気中にガスが上昇する場合でも、重力に逆らって物体がどのように上昇するかを研究して、これらの「飛行」の方法をよりよく知ることができます。 」
空中を飛ぶ航空機機器とドローンの場合、ライト兄弟が飛行機を発明して以来、飛行は重力を克服し、これらの物体に対する空気の力を考慮することに依存しています。揚力を計算することで、これらの空中物体に必要な力を知ることができます。
揚力方程式
空中を飛行する物体は、自分自身に作用する空気の力に対処する必要があります。オブジェクトが空中を前方に移動するとき、抗力は運動の流れに平行に作用する力の一部です。対照的に、揚力は、物体に対する空気または別の気体または流体の流れに垂直な力の一部です。
ロケットや飛行機などの人工航空機は、次の揚力式を使用します。 L =（CL ρv2 A）/ 2 揚力用 L、揚力係数 CL、オブジェクト周辺の材料の密度 ρ （「ロー」）、速度 v と翼の領域 A。揚力係数は、空気の粘性と圧縮率、流れに対する物体の角度など、空中物体に対するさまざまな力の効果を合計したもので、揚力の計算式をより簡単にします。
科学者とエンジニアは通常決定します CL 実験的に揚力の値を測定し、それらを物体の速度、翼幅の面積、物体が浸っている液体または気体材料の密度と比較することにより、揚力と（ρv2 A）/ 2 あなたはあなたに掛けることができる線またはデータポイントのセットを与えます CL 揚力式で揚力を決定します。
より高度な計算方法では、揚力係数のより正確な値を決定できますが、揚力係数を決定する理論的な方法があります。揚力式のこの部分を理解するために、揚力式の導出と、揚力を経験している物体にかかるこれらの空中力の結果として揚力係数がどのように計算されるかを見ることができます。
リフト方程式の導出
空中を飛ぶ物体に影響を与える無数の力を考慮して、揚力係数を定義できます CL なので CL = L /（qS） 揚力用 L、 表面積 S および流体動圧 q、通常はパスカルで測定されます。流体動圧をその式に変換できます q = ρu2取得する/ 2 CL = 2L /ρu2S その中で ρ は流体密度であり、 あなたは 流速です。この方程式から、それを再配置して揚力方程式を導き出すことができます L = CL ρu2S / 2。
この動的な流体圧力と空気または流体と接触する表面積の両方は、空中物体の形状にも大きく依存します。飛行機などの円柱として近似される可能性のあるオブジェクトの場合、力はオブジェクトの本体から外側に広がる必要があります。表面積は、円柱体の円周にオブジェクトの高さまたは長さを掛けたものになり、 S = C x h.
表面積は、厚さ、面積を長さで割った積、 t 、オブジェクトの厚さと高さまたは長さを乗算すると、表面積が得られます。この場合 S = t x h.
表面積のこれらの変数間の比により、それらがどのように異なるかをグラフ化または実験的に測定して、円筒の周囲の力または材料の厚さに依存する力の影響を調べることができます。揚力係数を使用して空中物体を測定および調査する他の方法が存在します。
リフト係数の他の用途
揚力曲線係数を近似する他の多くの方法があります。揚力係数は、航空機の飛行に影響を与えるさまざまな要素で構成される必要があるため、この係数を使用して、飛行機が地面に対して取る角度を測定することもできます。この角度は迎え角（AOA）として知られており、 α （「アルファ」）、リフト係数を書き直すことができます CL = CL0 + CLαα.
この尺度で CL AOAαによる追加の依存関係がある場合、方程式を次のように書き換えることができます。 α=（CL + CL0）/ CLα そして、単一の特定のAOAの揚力を実験的に決定した後、一般的な揚力係数Cを計算できます。L。次に、さまざまなAOAを測定して、どの値の CL0 そして CLα この方程式は、揚力係数がAOAで線形に変化することを前提としているため、より正確な係数方程式がよりよく適合する場合があります。
揚力と揚力係数に関するAOAをよりよく理解するために、エンジニアはAOAが飛行機の飛行方法をどのように変えるかを研究しました。 AOAに対して揚力係数をグラフ化すると、勾配の正の値を計算できます。これは、2次元揚力曲線の勾配として知られています。しかし、調査によると、AOAの何らかの価値の後、 CL 値が減少します。
この最大AOAは失速点として知られており、対応する失速速度と最大 CL 値。航空機の材料の厚さと曲率に関する研究により、空中物体の形状と材料がわかっている場合にこれらの値を計算する方法が示されています。
方程式とリフト係数の計算
NASAには、揚力方程式が航空機の飛行にどのように影響するかを示すオンラインアプレットがあります。これは揚力係数計算機に基づいており、これを使用して、速度、空中物体が地面に対して取る角度、および物体が航空機の周囲の物質に対して持つ表面積のさまざまな値を設定できます。このアプレットでは、1900年代以降に設計されたデザインがどのように進化したかを示すために、歴史的な航空機を使用することもできます。
シミュレーションでは、翼の領域の変化による空中物体の重量の変化は考慮されません。どんな効果があるかを判断するには、表面積のさまざまな値を測定して揚力に作用させ、これらの表面積が引き起こす揚力の変化を計算します。また、重力W、質量m、および重力加速度定数g（9.8 m / sによる重量にW = mgを使用して、異なる質量が持つ重力を計算することもできます。2).
また、シミュレーションに沿ったさまざまなポイントで速度を表示するために空中のオブジェクトの周囲に向けることができる「プローブ」を使用することもできます。シミュレーションは、航空機が平板を使用して高速で汚れた計算として近似されるという制限もあります。これを使用して、揚力方程式の解を近似できます。