圧力抗力

どんな現象？

物の前と後ろで押される力が釣り合わず、その差が後ろ向きの力として残る抵抗です。板を風に正面から立てると強く、同じ面積でも細長い形にすると小さくなります。身のまわりの物では受ける抵抗の大半がこちらで、表面のこすれによる分はごく一部にとどまります。

なぜ起きるか

流れは物の後ろへ回り込む途中で、圧力が上がる坂を登りきれずに面から離れてしまいます。離れたあとは渦の混ざったゆるい領域になり、圧力がもとまで戻りません。前は高い圧力に押されているのに、後ろが押し返してくれない。その差の分だけ物は後ろへ引かれます。減らす鍵は先の尖り方より、後ろをどう閉じるかです。

どこで見られるか

箱型のトラックの後部、風にあおられた傘、自転車で上体を起こしたときの急な重さ。仕組みの側は剥離と後流がくわしく、表面のこすれで生まれる分は摩擦抗力として別に数えます。速さの二乗で増えるので、速度が二倍なら四倍の重さになります。向かい風の日に自転車が急に進まなくなるのは、この増え方のせいです。

勘違いしやすいところ

つるつるに磨けば必ず減る、とは限りません。滑らかだと早く面から離れてしまい、後ろのゆるい領域が広がって、かえって増える場合があります。ゴルフボールのくぼみはそこを突いた工夫ですが、効くのは丸い物で速さが合ったときだけで、いつでも得になる話ではありません。この取り違えは流線形なら必ず抵抗が小さいという思い込みにまとめてあります。

解説動画（海外・英語）: Understanding Aerodynamic Drag／The Efficient Engineer

抗力は二つの応力の合計: 物体の表面に働く力は二つに分かれる。面に沿って擦る壁面せん断応力は流体の粘性から生まれ、面に垂直に押すのが圧力の応力。前者が生む分を摩擦抗力、後者が生む分を圧力抗力（形状抗力）と呼ぶ。球のような太くて丸い物体では後者が支配的で、正体は物体の前と後ろの圧力差そのものだ。

剥離が起きた瞬間に跳ね上がる: 球の上面では流れははじめ加速し、流れ方向に圧力が下がっていく（順圧力勾配）。ある点から先は減速して圧力が上がりはじめ、こちらが逆圧力勾配。圧力の上がり方が大きいと壁ぎわの流れは向きを変え、向かってくる流体に阻まれて面から離れる。境界層がはがれると後ろに後流ができ、そこが低圧の剥離域になって抵抗が大きく増える。

80度から120度へ: なめらかな球が層流と乱流のうち層流のままなら、剥離はおよそ80度で起きる。境界層が乱流だと層どうしがよく混ざって運動量が運ばれ、より強い逆圧力勾配に耐えられるので、剥離はおよそ120度まで遅れる。ゴルフボールのディンプルも翼に突き出したボルテックスジェネレーターも、この遅らせ方を狙った仕掛けだ。

減らすと増える、綱引き: 平板を流れに正対させると剥離だらけで圧力抗力は大きいが、せん断応力が抗力の向きに揃わないので摩擦抗力はほぼゼロ。90度回して流れに沿わせると逆になる。乱流は壁ぎわの速度勾配を急にするぶん摩擦抗力を増やす。合計がいちばん小さい形は、いちばん流線形な形とはかぎらない。

数字で語られていること: 翼と尾翼で層流を保てれば全抗力を10〜15%減らせると見積もられているが実現は難しい。サメ肌の微細な溝を真似た被覆なら全抗力が2%下がるという研究もある。レイノルズ数が1より小さい領域では剥離が起きず、球の抗力係数は24をレイノルズ数で割った値になる。これがストークスの法則で、終端速度から液体の粘度を測る装置に使われる。