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クッタ=ジュコフスキーの定理

1902
  • Martin Kutta
  • Nikolai Zhukovsky (Joukowski)
クッタ・ジュコウスキーの定理と揚力発生を実証する風洞内の翼型。.

(画像はイメージです)

The Kutta-Joukowski theorem quantifies the lift force generated by an airfoil. It states that the lift per unit span ([latex]L'[/latex]) is directly proportional to the fluid density ([latex]\rho[/latex]), the free-stream velocity ([latex]V[/latex]), and the circulation ([latex]\Gamma[/latex]) around the body: [latex]L’ = \rho V \Gamma[/latex]. This links the abstract concept of circulation to the physical force of lift.

The Kutta-Joukowski theorem provides the essential mathematical link between the abstract concept of circulation and the physical force of lift. Circulation ([latex]\Gamma[/latex]) is a measure of the macroscopic rotation of a fluid in a given area. For an airfoil, circulation is generated because the air travels faster over the top surface than the bottom. This velocity difference, integrated around a closed loop enclosing the airfoil, results in a net non-zero circulation.

この定理は、揚力を発生させるには循環が必要であることを簡潔に示しています。これは、初期の空力理論における大きな問題を解決しました。しかし、この定理自体は、特定の形状の翼型がどのようにして必要な量の循環を発生させるかを説明していません。ここでクッタ条件が登場します。マーティン・クッタによって提唱されたこの条件は、鋭い後縁を持つ翼型の場合、流れは後縁から滑らかに流れ出なければならないことを示しています。鋭い縁を回り込むことはできません。この物理的条件により、特定の翼型の形状、迎角、および対気速度に対して、循環量([latex]Gamma[/latex])が一意に決定されます。クッタ・ジュコフスキーの定理とクッタ条件を組み合わせることで、翼設計の基礎となる2次元翼型の揚力を理論的に計算することができます。

The theorem also perfectly explains the Magnus effect, where a spinning object moving through a fluid experiences a force perpendicular to its motion. The spinning surface drags the fluid around with it due to viscosity, creating circulation. This circulation, combined with the forward velocity, generates a lift force according to the theorem, causing the object to curve.

UNESCO Nomenclature: 2210
機械工学

タイプ

定理

混乱

基礎

使用法

広く普及している

前駆物質

  • ヘルムホルツの渦に関する定理
  • ケルビン卿の循環定理
  • ポテンシャル流理論
  • リーマンらが開発した等角写像技術

アプリケーション

  • 翼型にかかる揚力の理論計算
  • 回転するボールに及ぼすマグナス効果の説明(例:野球、ゴルフ、テニス)
  • 船舶推進用フレットナーローターの設計
  • 先進的なプロペラおよびタービンブレード形状の開発
  • 渦によって発生する揚力を理解する

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

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関連キーワード:クッタ・ジュコフスキー、揚力、循環、翼型、マグナス効果、クッタ条件、流体力学、ポテンシャル流れ。

歴史的背景

クッタ=ジュコフスキーの定理

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(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

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