物理学では、境界層とは何ですか？

境界層は、流体が固定表面を通過するときに発生します。 通常、速度が妨げられない流体の流れの99％未満の流体の領域として定義されます。 言い換えると、静止している表面によって1％以上減速されるのは、移動する流体のゾーンです。 境界層は、流れを異なる動作を示す2つの領域に分割することにより、流体力学をよりよく理解するために定義されています。 境界層の内側と外側の領域も、さまざまな方法で摩擦を生成します。

空力研究の初期の問題は、流体の流れを支配すると考えられている複雑なナビエ・ストークス方程式を解くことでした。 ナビエ・ストークス方程式の解が不明な場合が多くあります。 ただし、流体の流れには、層流と乱流の2つの一般的な動作モードがあることがわかりました。 層流は、蜂蜜から落ちるボールのような滑らかで予測可能な流れです。 乱流は、消火ホースから出てくるようなランダムで激しいものです。

境界層は、これら2つの流体の流れを分離します。 境界層の内側では、流れは主に層流です。 この領域では、流れの挙動は粘性応力によって支配されます。 粘性応力は、通過する物体の速度に直接比例します。 蜂蜜のような粘性の高い液体は、それを素早く移動する物体に大きな摩擦を与えます。 層流は、流体が不規則に平行に流れることによって特徴付けられます。

境界層の外側では、流体の流れは主に乱流です。 乱流は、液体であろうと気体であろうと、同様の挙動を示します。 粒子の速度と方向の無秩序な変動は、現在の知識では正確な予測を不可能にします。 乱流における摩擦の効果も層流とは異なります。 一般に、摩擦は乱流レジメンの流体速度に比例しません。

ゴルフボールにディンプルがある理由は、空気の境界層に関係しています。 パッティング中などの低速度では、完全に球形のゴルフボールは、空気摩擦に関してあまり問題になりません。 ただし、高速飛行中は、球形のゴルフボールはディンプルボールよりも境界層が大きくなります。つまり、層流でより多くの空気が流れます。 この層流は、実際には乱流よりも大きな空気摩擦を引き起こします。 ディンプル付きゴルフボールは、球形のボールよりも遠くに飛ぶことができます。これは、境界層が小さく、空気摩擦が少ないためです。