飛行機が空中に留まる理由を誰も説明できない
アインシュタインは、非圧縮性で摩擦のないものを想定した説明を続けました。流体-つまり、理想的な流体。ベルヌーイの名前については言及せずに、彼はベルヌーイの原理と一致する説明をし、速度が遅いほど流体圧力が高くなり、逆もまた同様であると述べました。これらの圧力差を利用するために、アインシュタインは上部にバルジを備えた翼型を提案しました。これにより、形状によってバルジの上の気流速度が増加し、そこでも圧力が減少します。
アインシュタインは、おそらく彼の理想は-流体解析は、実際の流体の流れにも同様に適用されます。 1917年、アインシュタインは彼の理論に基づいて翼型を設計しました。この翼型は、伸びる猫のこぶのある背中に似ているため、後に猫の背中の翼として知られるようになりました。彼はそのデザインをベルリンの航空機メーカーLVG（Luftverkehrsgesellschaft）に持ち込み、その周りに新しい飛行機械を製造しました。テストパイロットは、航空機が「妊娠中のアヒル」のように空中をぐるぐる回っていたと報告しました。それからずっと後の1954年、アインシュタイン自身が航空学への遠足を「若々しい愚か者」と呼んだ。それにもかかわらず、宇宙の最小成分と最大成分の両方に浸透する根本的に新しい理論を私たちに与えた個人は、揚力の理解や実用的な翼型の設計に積極的に貢献することができませんでした。
に向けて揚力の完全な理論
航空機設計への現代的な科学的アプローチは、計算流体力学（CFD）シミュレーションの領域と、実際の空気の実際の粘度を完全に考慮した、いわゆるナビエ-ストークス方程式です。 。これらの方程式の解とCFDシミュレーションの出力により、今日の高度な航空機設計の基礎となる圧力分布予測、気流パターン、および定量的結果が得られます。それでも、それら自体は揚力の物理的、定性的な説明を提供しません。
しかし、近年、主要な空気力学者のダグ・マクリーンは、純粋な数学的形式を超えて、物理的原因を把握しようとしました-実生活のすべての症状の上昇を説明する因果関係。ボーイング民間航空機でエンジニアとしてプロとしてのキャリアのほとんどを過ごし、CFDコード開発を専門としていたマクリーンは、2012年のテキスト「空気力学を理解する：実際の物理学からの議論」で新しいアイデアを発表しました。
この本が500ページを超えるかなり密度の高いテクニカル分析に対応していることを考えると、「非技術者がアクセスできる翼の揚力の基本的な説明」というタイトルのセクション（7.3.3）が含まれているのは驚くべきことです。これらの16ページを作成することは、主題のマスターであるマクリーンにとって容易ではありませんでした;実際、それは「おそらく本の中で書くのが最も難しい部分でした」と著者は言います。 「数え切れないほど多くの修正が見られました。完全に満足することはありませんでした。」
マクリーンの揚力の複雑な説明は、すべての通常の空気力学の基本的な仮定から始まります。翼の周りの空気は「翼の輪郭に沿って変形する連続材料。」その変形は、翼の上下両方の流体の流れの深い帯の形で存在します。マクリーンは、「翼は、いわゆる圧力場の広い領域の圧力に影響を与えます。揚力が発生すると、常に低圧の拡散雲が翼の上に形成され、高圧の拡散雲が通常下に形成されます。 。これらの雲が翼に接触する場所では、翼に揚力を及ぼす圧力差が構成されます。」
翼が空気を押し下げ、その結果、空気の流れが下向きになります。ベルヌーイの原理に従って、翼の上の空気が加速されます。さらに、翼の下には高圧の領域があり、翼の上には低圧の領域があります。これは、マクリーンの揚力の説明には、気流の下方への回転、気流の速度の増加、低圧の領域と高圧の領域の4つの必要な要素があることを意味します。
しかしそれはマクリーンの説明の最も斬新で特徴的な側面であるこれらの4つの要素間の相互関係。 「それらは相互の因果関係で互いに支え合っており、他のものがなければ存在しません。圧力差は翼に揚力を及ぼしますが、流れの下方への回転と変化は流速は圧力差を維持します。マクリーンの説明の5番目の要素である他の4つの間の相互関係を構成するのはこの相互関係です。相互の創造と因果関係の同時作用によって、これらの4つの要素が集合的に存在し、持続するかのようです。
この相乗効果には魔法のヒントがあるようです。マクリーンが説明するプロセスは、4人のアクティブなエージェントがお互いのブートストラップを引き上げて、集合的に空中にいることに似ているようです。または、彼が認めているように、それは「循環的な因果関係」の場合です。相互作用の各要素が他のすべての要素を維持および強化することはどのように可能ですか？そして、この相互の、相互の、動的な相互作用の原因は何ですか？マクリーンの答え：ニュートンの第2運動法則。
ニュートンの第2法則は述べています。ニュートンの第2法則は、圧力差が流体の小包に正味の力を加えるとき、速度の変化を引き起こさなければならないことを私たちに教えています。、または流体の小包の加速度は、それに加えられる力に比例します。または小包の動きの方向（または両方）」とマクリーンは説明します。しかし、相互に、圧力差は小包の加速に依存し、そのために存在します。
ここでは何の役にも立たないのではないですか？マクリーンはノーと言います：もし翼が静止していたら、相互に強化する活動のこのクラスターのどの部分も存在しなかったでしょう。しかし、翼が空中を移動し、各区画が他のすべての区画に影響を与えるという事実は、これらの相互依存要素を存在させ、飛行中それらを維持します。
揚力の相反性をオンにする
「UnderstandingAerodynamics」の出版後すぐに、マクリーンは、翼の圧力が周囲から変化する原因を説得力を持って説明しなかったため、空力揚力のすべての要素を完全に説明していないことに気付きました。そのため、2018年11月に、マクリーンは物理学の教師に2部構成の記事を公開し、空力揚力の「包括的な物理的説明」を提案しました。
この記事はマクリーンの以前の議論を大部分言い換えていますが、また、圧力場が不均一になる原因のより良い説明を追加し、それが行う物理的形状を想定しようとします。特に、彼の新しい議論は、流れ場レベルでの相互作用を導入し、不均一な圧力場が結果として生じるようにします。加えられた力のうち、エアフォイルによって空気に加えられた下向きの力。
マクリーンのセクション7.3.3と彼のフォローアップ記事が、揚力の完全で正しい説明を提供することに成功したかどうかは、解釈の余地があります。空力揚力の明確で単純で満足のいく説明を作成するのが難しい理由があります。1つには、流体の流れは、固体の物体、特に流体の動きよりも複雑で理解しにくいものです。翼の前縁で分離し、上部と下部に沿って異なる物理的力を受ける流れ。リフトに関する論争の中には、事実そのものではなく、それらの事実をどのように解釈するかに関するものがあり、実験では決定できない問題が含まれる可能性があります。
それでも、現時点ではほんのわずかです。説明が必要な未解決事項。ご存知のように、揚力は翼の上部と下部の圧力差の結果です。翼の下部で何が起こるかについては、すでに許容できる説明があります。対向する空気が翼を垂直方向（揚力を生成）と水平方向（抗力を生成）の両方で押します。上向きの押し上げは、翼の下のより高い圧力の形で存在し、このより高い圧力は、単純なニュートンの作用と反作用の結果です。
ただし、翼の上部では状況がまったく異なります。そこには、空力揚力の一部でもある低圧の領域が存在します。しかし、ベルヌーイの原理もニュートンの第3法則もそれを説明していない場合、どうなるでしょうか。流線から、翼の上の空気が翼の下向きの曲率に密着していることがわかります。しかし、なぜ翼の上面を横切って移動する空気の小包は、その下向きの曲率に従わなければならないのでしょうか。なぜ彼らはそれから離れてまっすぐ飛ぶことができないのですか？
マサチューセッツ工科大学の流体力学の教授であり、Flight Vehicle Aerodynamicsの著者であるマーク・ドレラは答えを提供します。翼の上面に接して飛んだ場合、文字通りその下に真空が発生します」と彼は説明します。「この真空は、ほとんどが真空を満たすまで、つまり翼が再び翼に接するまで、小包を吸い込みます。 。これは、小包を翼の形状に沿って移動させる物理的なメカニズムです。わずかな部分的な真空が残っており、小包を湾曲した経路に維持します。」
これらの空気小包を上の隣接する小包から引き離したり引き下げたりすることで、翼の上に低圧の領域が作成されます。しかし、別の効果もこのアクションに伴います。翼の上の気流速度が速くなります。 「リフティングウィングの減圧は、エアパーセルが上流から近づくにつれて「水平方向に引っ張られる」ため、ウィングの上に到着するまでに速度が速くなります」とドレラ氏は言います。
しかし、いつものように、非技術的なレベルでリフトを説明することになると、別の専門家が別の答えを得るでしょう。ケンブリッジの空気力学者バビンスキーは、「尊敬する同僚のマーク・ドレラに反対するのは嫌いですが、真空の生成が説明であるとすれば、それでも流れが表面から分離することがある理由を説明するのは難しいです。しかし、彼は正しいです。他のすべて。問題は、迅速で簡単な説明がないことです。」
ドレラ自身は、彼の説明がいくつかの点で不十分であると認めています。「1つの明らかな問題は、普遍的に受け入れられる説明がないことです。 」と彼は言います。それで、それは私たちをどこに残しますか？事実上、私たちが始めたところです。「これに対する簡単なワンライナーの答えはありません」と述べたジョンD.アンダーソンと一緒に。