ここ地球上では、空気抵抗（別名「ドラッグ」）を当然のことと考えがちです。私たちは、ボールを投げたり、航空機を発射したり、宇宙船の軌道を外したり、銃から弾丸を発射したりすると、大気中を移動する動作によって自然に速度が低下すると想定しています。しかし、これの理由は何ですか？物体が自由落下中または飛行中のどちらであっても、空気はどのようにして物体を減速させることができますか？
私たちの飛行機旅行への依存、宇宙探査への熱意、スポーツへの愛着、物を空中に浮かせること（私たち自身を含む）、空気抵抗を理解することは、物理学を理解するための鍵であり、多くの科学分野の不可欠な部分です。流体力学として知られている分野の一部として、それは空気力学、流体力学、天体物理学、および核物理学（いくつか例を挙げると）の分野に適用されます。
定義：
定義により、空気抵抗は、オブジェクトが空気を通過するときのオブジェクトの相対運動に対抗する力を表します。これらの抗力は、対向する流速と反対に作用するため、オブジェクトの速度が低下します。他の抵抗力とは異なり、抗力は速度に直接依存します。これは、それが運動の方向と反対に作用する正味の空気力の成分だからです。
別の言い方をすれば、空気抵抗はオブジェクトの前面と空気分子の衝突の結果であると言うことです。したがって、空気抵抗の大きさに直接影響する最も一般的な2つの要素は、オブジェクトの速度とオブジェクトの断面積です。エルゴ、速度と断面積の両方が増加すると、空気抵抗の量が増加します。
空気力学と飛行の観点から、抗力とは、推力と反対に作用する力と、それに垂直に働く力（つまり、揚力）の両方を指します。宇宙力学では、大気の抗力は状況に応じて正と負の両方の力になります。これは、離陸時の燃料と効率の両方の浪費であり、宇宙船が軌道から地球に戻るときの燃料節約でもあります。
空気抵抗の計算：
空気抵抗は通常、「ドラッグ方程式」を使用して計算されます。これは、比較的速い速度で流体またはガスを移動するオブジェクトが経験する力を決定します。これは数学的に次のように表すことができます。
この方程式では、 FD 抗力を表し、 p 流体の密度です v 音に対するオブジェクトの速度です。 あ は断面積であり、CD 抗力係数です。結果は、いわゆる「二次抗力」です。これが決定したら、抗力を克服するために必要なパワーの量を計算することは、数学的に次のように表現できる同様のプロセスを含みます。
ここに、 Pd抗力を克服するために必要な力であり、 Fd は抗力、vは速度、 p 流体の密度です v 音に対するオブジェクトの速度です。 あ は断面積であり、CD 抗力係数です。示されているように、必要な動力は速度の3乗であるので、時速80キロを走行するのに10馬力を要する場合、時速160キロを走行するには80馬力がかかります。つまり、速度を2倍にするには、8倍の電力を必要とします。
空気抵抗の種類：
空気力学には、主に3つのタイプの抗力があります。揚力誘導、寄生、および波です。それぞれが、オブジェクトを上空にとどまる能力と、それをそこに維持するために必要な電力と燃料に影響を与えます。 3次元の揚力体（翼または胴体）に揚力が発生した結果として、揚力による（または単に誘発された）抗力が発生します。渦の抗力と揚力による粘性抗力の2つの主要コンポーネントがあります。
渦は、体の上面と下面で圧力が変化する空気の乱流混合から生じます。これらはリフトを作成するために必要です。揚力が増加すると、揚力による抗力も増加します。航空機の場合、これは、迎え角と揚力係数が失速点まで増加するにつれて、揚力による抗力も増加することを意味します。
対照的に、寄生抗力は、流体を介して固体オブジェクトを移動することによって引き起こされます。このタイプのドラッグは、「フォームドラッグ」と「スキンフリクションドラッグ」を含む複数のコンポーネントで構成されています。航空では、揚力を維持するために高い迎え角が必要となるため、誘導抗力は低速で大きくなる傾向があります。速度が上がるとこの抗力は大幅に減少しますが、流体が突出物体の周りを速く流れて摩擦が増えるため、寄生抗力が増加します。組み合わされた全体的な抗力曲線は、いくつかの対気速度では最小であり、その最適効率またはその近くになります。
波の抗力（圧縮性抗力）は、圧縮性流体を高速で移動する物体の存在によって作成されます。空気力学では、波の抗力は飛行の速度レジームに応じて複数のコンポーネントで構成されます。遷音速飛行–マッハ0.5以上の速度でマッハ1.0（別名音速）未満の速度で–波の抗力は局所的な超音速流の結果です。
超音速の流れは、音速をはるかに下回って移動する物体で発生します。物体上を加速するときに、物体上の空気の局所速度が増加するためです。要するに、遷音速で飛行している航空機は、結果として波の抗力を受けることがよくあります。これは、航空機の速度がマッハ1.0の遮音壁に近づくにつれて、超音速物体になる前に増加します。
超音速飛行では、波の抗力は、体の前縁と後縁で形成された斜めの衝撃波の結果です。非常に超音速の流れでは、代わりに弓波が形成されます。超音速では、波の抗力は通常、超音速揚力依存の波抗力と超音速の体積依存の波抗力の2つのコンポーネントに分かれます。
航空摩擦と宇宙探査に関しては、空気摩擦が飛行で果たす役割を理解し、そのメカニズムを理解し、それを克服するために必要な種類の力を知ることがすべて重要です。私たちの太陽系や他の星系全体で他の惑星を探索するときになると、これらすべてを知ることも重要になります！
スペースマガジンでは、空気抵抗と飛行に関する記事を多数執筆しています。終端速度とは何か、飛行機はどのように飛行するのか、摩擦係数とは何か、重力の力とは何かに関する記事は次のとおりです。
NASAの航空機プログラムに関する詳細情報が必要な場合は、空気力学の初心者向けガイドをご覧ください。ドラッグ方程式へのリンクはこちらです。
天文学キャストの関連するエピソードも数多く収録しています。ここで聞いてください、エピソード102：重力。
