摩擦抗力

何を言っている？

流れが表面をなでるときに、進む向きと逆へ引きずる力です。英語では skin friction と呼びます。NASA Glenn は、壁のすぐ隣の分子が表面に貼りつくので、速さは壁でゼロ、離れると外の速さに戻る薄い層ができると説明します。壁の粗さ、空気の粘りと流れの勢いの比（レイノルズ数）、そして境界層がどんな状態かで、摩擦の大きさが決まります。

読み方の目安

同じ面でも、流れが整ったままなら小さく、乱れると大きくなります。JAXA の解説は、乱流を摩擦抵抗の大きな状態、層流を小さな状態と位置づけます。Wang ら（2022）は、渦の動きを追う解析で、層流から乱流への移り変わりの始まりで摩擦が増える主な原因を、壁のそばで横向きの渦が引き伸ばされることだと結論づけました。

どこで使われているか

旅客機の翼では、機体表面の流れが乱流になるのを抑えて層流を保つ低抵抗の翼（層流翼）が研究されています。管の中では、ポリマーや界面活性剤の薄い水溶液が、条件が整えば勢いの強い乱流の摩擦をニュートン流体より大きく減らします（トムズ効果）。パイプライン輸送でポンプの動力を節約できる技術だと、東京理科大学の塚原研究室は紹介しています。

はまりどころ

翼の形しだいで、層流は保ちにくくなります。JAXA の解説では、後退角の大きな翼は横流れ不安定が前縁付近で強まり、すぐ乱流へ移ります。粗さにも敏感で、前縁のなめらかさが強く求められます。この解説は、機体表面を清潔に保つ塗料の研究開発や、粗さの製造指標づくりも行うとしています。摩擦を減らしても、抗力には形状抗力のような別の分もあります。

出典

1. 公的機関・英語 NASA Glenn Research Center（Nancy Hall編）（2023） Drag
2. 公的機関・英語 NASA Glenn Research Center（Nancy Hall編）（2024） Boundary Layer
3. 論文・英語 Mengze Wang, Gregory L. Eyink, Tamer A. Zaki（2022） Origin of Enhanced Skin Friction at the Onset of Boundary-Layer Transition
4. 公的機関 徳川直子（JAXA 航空技術部門）（2021） 自然層流翼、航空機を低抵抗化
5. 公的機関 東京理科大学 塚原研究室（jsme-fed.org の研究室紹介）（2023） 東京理科大学 創域理工学部 機械航空宇宙工学科 塚原研究室

解説動画: 07-2 流体力学 境界層とはく離／物理・数学を一から学びなおす-デルタ先生

抗力の二つの成分: 抗力は摩擦のぶんと圧力抗力に分かれる。動画の大半は圧力抗力と剥離の話だが、最後に、剥離が起きにくい流線形の物体では摩擦のほうが大きくなる場合が結構ある、と釘を刺す。摩擦は面に対して面内方向にかかる力の合計。

境界層という遅い層: 壁のすぐ近くでは粘りの影響で流速が落ちる。この遅い領域を境界層と呼び、主流の速さの99%以下という線で切ることが多い。その外側は粘りを無視してよいポテンシャル流れ領域。摩擦がどこで効くかは、この層の中の話になる。

レイノルズ数で変わる: レイノルズ数は慣性力と粘りの力の比。流れが速いほど、また粘りが小さいほど剥がれる点は前へ来る。粘りは上の粒子を引っ張って一緒に流れようと誘う役なので、それが弱いと上の層が勝手に飛んでいく、と説明する。数が大きいほど境界層は薄い。

乱流だと剥離が遅い: 壁沿いは層流と乱流の順に変わり、間に遷移領域が挟まる。乱流では流体が混ざって速さが均され、剥がれる点が後ろへずれる。層流のように全員そろって剥がれず、斜め下へ入り面に沿い直す粒子が出るから。その利用例がゴルフボールのディンプル。

サメ肌に溝がある訳: 摩擦が表面の凹凸で決まるならつるつるが最善に思える。だが魚の肌はざらついている。細かい溝のある表面は流れを整え、乱れた流体が壁へ当たり散らかるのを抑えるので、かえって摩擦が減る。競泳の抵抗を減らす話として一時期話題になった通り、つるつる一択ではない。