厳密な導出
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/03/28 06:33 UTC 版)
「クッタ・ジュコーフスキーの定理」の記事における「厳密な導出」の解説
先に要点をまとめると、 揚力を物体表面上の圧力場の積算に書き表す。 ベルヌーイ則にしたがい圧力を速度平方に直す。ブラジウス式が得られる。 速度場を級数で一般化。遠方速度Uと物体表面速度uの和となる 速度平方 UU+Uu+uu の周回積分によりUUとuuが消え、Uuの積算が残る。これはUΓに等しい。 以上は、特定の条件下について複素解析により証明可能である。 複素解析による証明対象となる回転円筒の回転軸がZ軸に一致するものとし、任意のXY断面を考えて、ここに働く z軸単位長当たりの力 (以降は単に力と呼ぶ)を F {\displaystyle \mathbf {F} \,} とする。粘性無視でき圧力のみ作用する場合に次のように表される。 F = − ∮ C p n d s {\displaystyle \mathbf {F} =-\oint _{C}p\mathbf {n} \,ds} ここで C はXY面における円筒の境界線、 p {\displaystyle p} は 静圧、 n {\displaystyle \mathbf {n} \,} は 円筒面上の外向き単位法線、ds は断面上境界線の微小円弧要素長とする。ここで ϕ {\displaystyle \phi } をx軸と微少要素のなす角度とすると、上述の力は成分ごとにつぎのようにあらわされる。 F x = − ∮ C p sin ϕ d s , F y = ∮ C p cos ϕ d s . {\displaystyle F_{x}=-\oint _{C}p\sin \phi \,ds\quad ,\qquad F_{y}=\oint _{C}p\cos \phi \,ds.} ここで対象のXを実数軸、Yを虚数軸として複素平面に持ち込む。 前述の力は次のように表される。 ϕ {\displaystyle \phi } はX軸すなわち実数軸に対する角度であるから複素平面上の偏角として読み替えられる。 F = F x + i F y = − ∮ C p ( sin ϕ − i cos ϕ ) d s . {\displaystyle F=F_{x}+iF_{y}=-\oint _{C}p(\sin \phi -i\cos \phi )\,ds.} 複素ポテンシャルの定義に合わせて F y {\displaystyle F_{y}} を正負反転する。ここでは F {\displaystyle F} の複素共役で表す。 F ¯ = − ∮ C p ( sin ϕ + i cos ϕ ) d s = − i ∮ C p ( cos ϕ − i sin ϕ ) d s = − i ∮ C p e − i ϕ d s . {\displaystyle {\bar {F}}=-\oint _{C}p(\sin \phi +i\cos \phi )\,ds=-i\oint _{C}p(\cos \phi -i\sin \phi )\,ds=-i\oint _{C}pe^{-i\phi }\,ds.} 面要素長 ds に対応する複素要素は d z = d x + i d y = d s ( cos ϕ + i sin ϕ ) = d s e i ϕ ⇒ d z ¯ = e − i ϕ d s . {\displaystyle dz=dx+idy=ds(\cos \phi +i\sin \phi )=ds\,e^{i\phi }\qquad \Rightarrow \qquad d{\bar {z}}=e^{-i\phi }ds.} まとめるとつぎの式が得られる。 F ¯ = − i ∮ C p d z ¯ . {\displaystyle {\bar {F}}=-i\oint _{C}p\,d{\bar {z}}.} ここでベルヌーイ則を適用し、圧力を速度式に置き換える。ここでは外力なしが前提である。空気の密度 ρ {\displaystyle \rho } および圧力 p {\displaystyle p} と速度 v = v x + i v y {\displaystyle v=v_{x}+iv_{y}} は次の関係にある。 p = p 0 − ρ | v | 2 2 . {\displaystyle p=p_{0}-{\frac {\rho |v|^{2}}{2}}.} これにより力 F {\displaystyle F} は、 F ¯ = − i p 0 ∮ C d z ¯ + i ρ 2 ∮ C | v | 2 d z ¯ = i ρ 2 ∮ C | v | 2 d z ¯ . {\displaystyle {\bar {F}}=-ip_{0}\oint _{C}d{\bar {z}}+i{\frac {\rho }{2}}\oint _{C}|v|^{2}\,d{\bar {z}}={\frac {i\rho }{2}}\oint _{C}|v|^{2}\,d{\bar {z}}.} となる。 複素ポテンシャル w = f ( z ) {\displaystyle w=f(z)} を導入する。 速度成分との関係は w ′ = v x − i v y = v ¯ {\displaystyle w'=v_{x}-iv_{y}={\bar {v}}} ここでアポストロフィは複素変数 z での微分演算を示す。 ここで速度は境界 C に対し接線方向であるため、 v = ± | v | e i ϕ . {\displaystyle v=\pm |v|e^{i\phi }.} したがって v 2 d z ¯ = | v | 2 d z , {\displaystyle v^{2}d{\bar {z}}=|v|^{2}dz,\,} これにより次のブラジウス式と呼ばれる式が導かれる。 F ¯ = i ρ 2 ∮ C w ′ 2 d z , {\displaystyle {\bar {F}}={\frac {i\rho }{2}}\oint _{C}w'^{2}\,dz,} ジューコフスキー式に至るために、この積分量を評価する。wはC上およびCより外側で正則でありwの導関数ｗ’も同じく正則でまたローラン級数で表されてよい。複素ポテンシャル w {\displaystyle w} の導関数は次のとおり、z=0周りのローラン級数で表される: w ′ ( z ) = a 0 + a 1 z + a 2 z 2 + … . {\displaystyle w'(z)=a_{0}+{\frac {a_{1}}{z}}+{\frac {a_{2}}{z^{2}}}+\dots .} w'の速度場がC上で接線方向のみであることから、a0とa1の項のみ残して他は消える。（係数を求めるためのC上の積分操作でゼロとなる。[要確認]） a 0 {\displaystyle a_{0}\,} は無限遠方速度と対応することから： a 0 = v x ∞ − i v y ∞ {\displaystyle a_{0}=v_{x\infty }-iv_{y\infty }\,} . a 1 {\displaystyle a_{1}\,} についてみるとローラン級数の定義より a 1 = 1 2 π i ∮ C w ′ d z {\displaystyle a_{1}={\frac {1}{2\pi i}}\oint _{C}w'\,dz} であるが、w'の積分は定義どおり循環値Γであるから a 1 = Γ 2 π i {\displaystyle a_{1}={\frac {\Gamma }{2\pi i}}} となる。 a 0 {\displaystyle a_{0}\,} および a 1 {\displaystyle a_{1}\,} を元の級数に戻すと w ′ ( z ) = a 0 + a 1 z = a 0 = v x ∞ − i v y ∞ + Γ 2 π i z {\displaystyle w'(z)=a_{0}+{\frac {a_{1}}{z}}=a_{0}=v_{x\infty }-iv_{y\infty }+{\frac {\Gamma }{2\pi iz}}} 平方をとると w ′ 2 ( z ) = a 0 2 + a 0 Γ π i z − Γ 2 4 π 2 z 2 . {\displaystyle w'^{2}(z)=a_{0}^{2}+{\frac {a_{0}\Gamma }{\pi iz}}-{\frac {\Gamma ^{2}}{4\pi ^{2}z^{2}}}.} これを前述のブラジウス式に戻す。C上の周回積分により第2項だけ残して他は消える。 F ¯ = i ρ 2 [ 2 π i a 0 Γ π i ] = i ρ a 0 Γ = i ρ Γ ( v x ∞ − i v y ∞ ) = ρ Γ v y ∞ + i ρ Γ v x ∞ = F x − i F y . {\displaystyle {\bar {F}}={\frac {i\rho }{2}}\left[2\pi i{\frac {a_{0}\Gamma }{\pi i}}\right]=i\rho a_{0}\Gamma =i\rho \Gamma (v_{x\infty }-iv_{y\infty })=\rho \Gamma v_{y\infty }+i\rho \Gamma v_{x\infty }=F_{x}-iF_{y}.} これにてクッタ・ジューコフスキー式: F x = ρ Γ v y ∞ , F y = − ρ Γ v x ∞ . {\displaystyle F_{x}=\rho \Gamma v_{y\infty },\quad \qquad F_{y}=-\rho \Gamma v_{x\infty }.} が得られる。
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