流体
飛行機の翼
翼の曲率や等しい通過時間ではなく、この規定された流れ場が、より速い上側の流れと圧力差を生みます。
飛行機の翼 — インタラクティブな流体シミュレーション。翼の曲率や等しい通過時間ではなく、この規定された流れ場が、より速い上側の流れと圧力差を生みます。 ブラウザで使える無料の仮想物理実験室。SI 単位のライブ測定とガイド付きチュートリアルを備えています。
流れによる揚力
この理想化された流れモデルは、翼全体にわたる圧力差を上方揚力に結び付けます。
所定の流れ場では、翼の上では空気が速くなり、圧力が低くなります。これは、揚力に対する圧力差の寄与を示しています。空気の流体要素が一緒に到着する必要があるとは想定していません。
- P + ½ρv² = 一定
- 揚力 ∝ ΔP · 面積
捜査概要
ラボを開く前に質問を計画する
このブリーフは事前レンダリングされたページを反映しています。探究の問い、競合する予測、変数の役割、支配する法則、設定、分析と発展の問いを、この順序で表示します。
運転に関する質問
翼型の曲がった上面では、下面より空気が速く流れる。ベルヌーイの原理によれば、どちらの面の圧力が低いか？それは翼に何を意味するか？
検討する予測
- 上面の圧力が低くなり、正味の上向きの力（揚力）が生じる。
- 下面の圧力が低くなり、翼を下へ押す。
- 両面の圧力は等しいため、正味の力はない。
可変的な役割
設定するもの：
- 下面側の経路面積 A₁ (m²)
- 上面側の経路面積 A₂ (m²)
- 入口の空気速度 v₁ (m/s)
測定するもの：
- 上面の速度 v₂ (m/s)
- 圧力差 ΔP（上面 − 下面） (kPa)
実験の進め方
- fluid-wing プリセットを開き、「リセット」を押す。空気は翼型の断面上を流れる。上面側の経路は下面より狭いため、上面で空気は速くなる。
- 上面の速さと圧力差の表示を有効にする。
- 各試行の下面と上面の断面積、および入口の空気速度を設定し、上面の速さと圧力差を記録する。
支配方程式
連続の式 — A₁·v₁ = A₂·v₂
非圧縮性流体では、流線に沿って流量（面積 × 速さ）が保存される：A₁v₁ = A₂v₂。翼型の上面の狭い経路によって、そこを流れる空気は速くなる。
ベルヌーイの式（空気） — P₁ + ½ρv₁² = P₂ + ½ρv₂²
水平な流線に沿って P + ½ρv² は一定である。翼の上面を速く流れる空気は、下を遅く流れる空気より低い圧力をもち、この圧力差が揚力に寄与する。
印刷用ワークシートで生徒が求めるもの
- 1回の試行について、連続の式から v₂ = A₁v₁/A₂ を計算し、空気密度 1.225 kg/m³ を用いて ΔP = P_上面 − P_下面 = ½ρ_air(v₁² − v₂²) を計算する。両方を表示値と比較する — 上面を流れる速い空気はそこで圧力が低くなるため ΔP は負になり、これが翼を持ち上げている。
- 同程度の速度では、ここでの圧力差は fluid-venturi 実験より Pa 単位でかなり小さい。ベルヌーイの式の密度値を使って理由を説明する。
実験以外での活用
- このモデル（連続の式とベルヌーイ）は翼が揚力を生む仕組みの一部を説明するが、実際の空気力学的揚力は迎え角にも大きく依存し、翼の上下の空気の粒子が後縁に同時に到達する必要はない。揚力について単純な「等しい通過時間」の説明が誤解を招く理由は何か？
- 高高度では空気密度が下がる。ΔP = ½ρ_air(v₁² − v₂²) を使って、海面と同じ揚力を生むために翼が薄い高高度の空気中をより速く動く必要がある理由を説明する。
- AP Physics 1 — Unit 8: Fluids
- General High School Physics — Fluids & pressure
- NGSS High School Physics — Forces and Newton's second law
- 翼の揚力へようこそ
- 再生
- 圧力差
- インスペクターを開く
- 完了です！
インタラクティブなシミュレーションを開いてシーンを構築し、再生ボタンを押し、リアルタイム測定とガイド付きチュートリアルで探索しましょう。