形は違うが前方投影面積がほとんど同じ物体の空気抵抗

質問

ロードバイクに乗っててふと気になったので質問します。
大雑把な質問なので大雑把に教えていただけると幸いです。
たとえば

←進行方向　フロント　凸凸凸　リア　
の物体と
←進行方向　フロント　凸＿凸　リアの物体では

前方投影面積と長さは同じなんでしょうが
空気抵抗という点からはどれほど違いがあるものでしょうか？
直感的には下のほうが全体の空気抵抗が少ない気がしますが
なぜかがよくわかりません。
というのもロードバイクに乗っているとフレームにいろいろつけたりするので
それらがどう空気抵抗に反映されているのか気になり質問しました。
数式をつかわず、なんとなく、大体、ぼんやりとで結構です。
この二つの例で空気抵抗が違うであろう理由を教えてください

回答No.1

noname#215107 · ベストアンサー

投影面積の「変化率」が小さいほうが抗力が少なくなります。

例えば、流線型の物体を、前方から一定間隔で順に輪切りにしていくと、初めは面積が小さく、緩やかに面積が大きくなり、中ほどで面積が最大になり、最後は再び面積が小さくなりますよね。

この面積の変化が急だと、空気抵抗が増す原因となります。

日本ではもうすぐ全て引退となりますが、ジャンボジェットB７４７の形を知っていますか？
http://www13.ocn.ne.jp/~miriken/Aircraft/Other/UN_002.htm
頭の部分の胴体が非常に太くて、翼のあたりでは細くなっていますよね。

もし、頭付近と翼付近の胴体の太さが同じだとしたら、全面投影面積が翼のあたりで急激に大きくなってしまいます。
これを避けるため、頭の部分である程度太くしておいて、翼付近で急に断面積が大きくならないようにしています。

従って単純に考えるとこのほうが、空気抵抗が少なくなります。
＞フロント　凸凸凸　リア　

しかし、バイクの場合は、人が乗るので、人も入れた断面積を考慮する必要があるかもしれません。

お礼

まことに丁寧な回答ありがとうございます
私のような物知らずにもすんなりと理解できました。
これからは投影面積の変化率を緩やかに～を意識して積載するもののレイアウトやポジションを考えていこうと思います。
本当にありがとうございました。

回答No.2

ORUKA1951

＞直感的には下のほうが全体の空気抵抗が少ない気がしますが
　それが体験に基づくものだとしたら、大変すばらしいです。そのとおり
凸＿凸型、ひょうたん型のほうが抵抗はずっと少なくなます。
　ゴルフボールや軟式野球のボールにディンプルがあるのも、同様な理由です。
一様な気流の中に
↓↓↓↓↓↓↓↓
　 △ 　　 ▽
の物体を置くとき、両方とも表面積も正面からの投影形も同じですが、右の▽の
ほうが抵抗が少ないです。
物体の後方に気流の剥離による減圧部が発生するため後方に引かれるためです。

↓↓↓↓↓↓↓↓
　△　　　△
　□　　　｜
　▽　　　▽
の場合は、後方の▽も前方に引かれますが、それだけではなく、粘性のある流体
中の物体は、その表面積が大きいほうが粘性抵抗が大きいので、右のほ うが抵
抗が大きいように見えますが、実際は右のほうが抵抗は小さくなります。
　それは、
↓↓↓↓↓↓↓↓↓
↓ △ ↓　↓ △　↓
↓ □ ↓　 ○｜○↓
↓ ▽ ↓　↓ ▽　↓
　と表面から気流が剥離するために、粘性抵抗がなくなるからです。○は渦と考
えてください。気流が全体としては、はがれず形に追随してくれます。

　水の中を高速で泳ぐイルカの皮膚が柔らかいのも、ゴルフボールがとても遠く
に飛ぶのもそのためです。
ディンプルのないゴルフボールは飛びません。

お礼

大変わかりやすい回答ありがとうございました。
物理の教養があったほうがこの世界をより面白く体感、理解できる
ということをあなたの回答で知ることができました。
机にすわって物理の勉強をしたのははるか昔のことですが
またすこし、勉強し直してみようと思います
ありがとうございました。