造波抵抗

造波抵抗（Wave Drag）についての概要

造波抵抗とは、水面を移動する物体に働く抵抗力の一つであり、特に船舶の設計や航行において重要な要素です。この抵抗は、英国の流体力学者ウィリアム・フルードによって体系的に分析され、フルード数という無次元数の概念によって理解されます。ここでは、主に船舶を例に取り、その概念と影響を詳しく見ていきます。

造波抵抗の分類

船舶の航行中に受ける抵抗には、主に以下の三つのタイプがあります：
1. 造波抵抗
2. 粘性圧力抵抗
3. 粘性摩擦抵抗

これらの中で、船が低速で移動している際には、主に粘性摩擦抵抗が抵抗の主体となりますが、速度が上昇するにつれ造波抵抗が重要な役割を果たすようになります。

各抵抗の詳細

• - 粘性摩擦抵抗は、船体と周囲の水の間の摩擦によって生じます。この抵抗は、船体表面の状態や形状、水の流れに大きく依存します。
• - 粘性圧力抵抗は、船の後部に発生する圧力差によって生じるものであり、流体が船体の形状に依存して渦を形成することで発生します。
• - 造波抵抗は、船舶が航行する際に水面に波を作り出すことでエネルギーが失われることに起因します。この抵抗は船の速度の二乗に比例して増加します。

造波抵抗係数

造波抵抗を取り扱う際は、それを無次元化した造波抵抗係数 (Cw) が使用されます。この係数は以下の数式で表されます。

$$ C_{w} = rac{R_{w}}{(rac{
ho S V^{2}}{2})} $$

ここで、$R_{w}$は造波抵抗、$
ho$は水の密度、$S$は船体の浸水表面積、$V$は船の速度を示します。船の場合、フルード数に応じて造波抵抗係数が一義的に決まります。特にフルード数が0.5を超えると、この係数は最大値から減少していくことが知られています。

航空力学における応用

造波抵抗の概念は水上だけにとどまらず、航空力学にも応用されています。特に、航空機が音速に近づく際の抵抗について考えると、圧縮された空気によって衝撃波が発生し、これが造波抵抗を引き起こします。この現象は、航空機が音速に達する際に急激に増大し、他の問題（境界層剥離等）とともに「音の壁」または「音速の壁」と呼ばれます。この場合、速度の無次元数としてフルード数の代わりにマッハ数が用いられます。

造波抵抗は船舶工学や航空力学の分野で極めて重要であり、これを理解することは、より高性能な船舶や航空機の設計につながるのです。

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