航空機の飛行原理、つまり航空機の揚力がどこから生まれるのかという点について、 多くの書籍では「ベルヌーイの定理」に基づき、 気流が翼の前縁で上下の2つに分けられ、上部の気流は下部よりも速度が速いため、 上部の気圧は下部より低くなり、この上下表面の圧力差が揚力を生むと説明されています。

しかし、なぜ「上部の気流が下部より速い」という点が成立するのか、私は長い間納得できませんでした。 例えば、多くの説では、気流は翼の前縁で分割され最終的に後縁で合流すると言いますが、 翼の上下表面の形状は非対称であり、下部は平らで上部は隆起しているため、 上部を流れる気流の移動距離が長くなり、流速が自然と速くなるとされます。

しかし、この説は誤りです。なぜなら、紙飛行機や逆飛行する戦闘機の現象を説明できないからです。 NASAはこの説を「Longer path」または「Equal transit」理論と呼び、 公式サイトの<a href=“https://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/wrong1. target="_blank”>Incorrect theory #1 “Longer path” or “Equal transit” Theoryで解説しています。

また、「ベルヌーイの定理」に関連しない別の誤解として、揚力は翼の下面に対する空気の反作用力から生じるというものがあります。 これについてもNASAは<a href=“https://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/wrong2. target="_blank”>Incorrect theory #2, “Skipping stone” theoryで紹介しています。

では、最初の疑問に戻りますが、なぜ「上部の気流が下部より速い」のでしょうか？ その説明として、航空機の揚力はクッタ・ジュコーフスキーの条件（Kutta―Joukowsky’s law）と**旋回（Vortex）**に関係しているというものがあります。

航空機が静止状態から加速して滑走路を走り始めた瞬間、翼の上下の気流速度は同じです。 そのため、下方の気流が後縁に到達した時点で、上方の気流はまだ後縁に到達しておらず、後方よどみ点は翼型の上方の点にあります。 下方の気流は、鋭い後縁を回り込んで上方の気流と合流しなければなりません。 上下の気流が合流した後、翼の後方へ流れていきますが、気流の乱れが見て取れます。

流体の粘性、すなわちコアンダ効果により、流体は本来の流れる方向を離れて、凸状の物体表面に沿って流れる傾向があります。 下方の気流が後縁を回り込む際、低圧の**旋回（Vortex）が形成され、 後縁に大きな逆圧力勾配が生じます。 やがて、この旋回（Vortex）**は来流によって押し流されます。これを「起始渦」と呼びます。

機体が前方へ進むにつれて、先ほどの起始渦によって生じたエネルギーが翼上部の気流に影響を与えます。 つまり、翼上部の気流を後方へ引っ張る効果が生まれます。

機体がさらに前進し、起始渦はその場に留まり、機体から切り離されます。

ヘルムホルツの渦定理によると、理想非圧縮性流体がポテンシャル力を受ける場合、 翼型の周りには起始渦と強度が等しく、方向が反対の渦が存在します。これを「循環」または「翼循環」と呼びます。 循環は翼型の下面前縁から上面前縁へ向かって流れるため、 循環と来流が重なることで、後方よどみ点は最終的に翼の後縁へ移動し、クッタ条件を満たします。 「揚力を発生させる実際の翼では、気流は常に後縁で合流する。 そうでなければ、翼の後縁に気流速度が無限大になる点が生じてしまう。 この条件を満たして初めて、翼は換力を発生することができる。」

この翼上の循環があれば、なぜ上下で速度が異なるかを説明できます。 上の図にある翼上のこれらの渦こそが、航空機が空中を飛行できる理由です！

しかし、現実にはこの循環は肉眼では見えず、計測機器で記録するのも非常に困難です。 来流の速度に比べて、循環は非常に弱いためです。そこで、翼端渦を通じてその存在を証明することになります。 翼幅が有限であるため、翼上の循環は翼端から後方へ向かって流れ出します。左側は時計回り、右側は反時計回りに回転して翼端渦を形成します。 NASAによる翼端渦の実験動画はYouTubeで見つかります。

C-5が作り出す翼端渦の強さが非常に強いことがわかります。

別のNASAによる翼端渦の解説です。

さらに興味深いのは、風洞内でのデモンストレーションです。迎角に応じて翼上の気流が変化する様子や、 先ほどの後方よどみ点、高迎角時の気流の乱れによる揚力の低下などを確認できます。

＃高迎角時による気流の乱れについては、YouTubeに素晴らしい参考動画があります。

翼に貼られた多くの小さなストリーム（ヤーン）により、**失速**時の気流の変化が一目瞭然です。翼根の気流が外側よりも先に**失速**する様子もよくわかります。

起始渦については、YouTubeにこのようなシミュレーション動画があります。

起始渦と翼端渦は**滑走路**上にしばらく留まるため、後続で離陸する航空機に影響を及ぼします。 そのため、空港運営では前後の航空機の離陸時間を制御し、約2分の間隔を空けています。

参考资料 https://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/wrong1.html http://firstflight.open.ac.uk/pages/aerodynamics/how_planes_fly/vortex.php http://jein.jp/jifs/scientific-topics/887-topic49.html http://baike.baidu.com/view/3831899.htm wikipedia:起动涡