風で回転している風車と、止まっている風車、どちらが風の力を受けるの？

質問

風を当てると回転する風車と、回転しないように固定した風車は、どちらが風の抵抗が大きいでしょうか？
同じ強さの風が吹いたら、どちらがたくさんの空気にあたるのでしょうか？
教えてくださーい。

回答No.11

hakmt

だいぶ昔の質問のようですが、解決していないようなので書き込みます。
回転/非回転ではどちらとも言えませんが、発電している/発電していない で考えれば、
「発電中の風車は、発電していない風車(空転も含めて)よりも大きな抵抗を受けます」
発電中の風車の後方では、流速が下がり、かつ流れが広がります。全体としては、発電でエネルギーを取り出された分だけ気流の運動エネルギーが上流よりも減少。運動量も上流より減ります。運動量の減少分は風車が受け取り、抵抗となります。
正確な理解には、プロペラ運動量理論または風車の運動量理論が必要です。
強風時に風車を止めるのは、荷重を下げるため。

回答No.10

green20005

物理屋のはしくれですが、ANo.9について。

＞ベルヌーイの定理は非圧縮性の流体について成り立つ法則です。つまり液体です。

こう信じてる人が多いことは困ったことですね。僕が検索してみたら、非圧縮に限定した解(ρV^2)/2+P+ρgh=一定がベルヌーイの式であるとした解説が多い。驚きました。非圧縮に限るのは高校物理レベルでしょう。一般の高校では積分を教えないので、∫(1/ρ)dPの説明ができないのでしょう。積分した結果だけがベルヌーイの定理なのではありません。

＞空気は全く圧縮性ですから、ベルヌーイの定理は使えません
＞飛行機の揚力など気流でベルヌーイの定理をうんぬんするのは、極めて初歩的な間違いです。

それこそが間違いなので正しい知識を学ぶのがよろしいかと。学部生でもこの程度のことを学んでますので。
http://www.sit.ac.jp/user/kobayasi/Part2Review.pdf

回答No.9

moby_dick

ベルヌーイの定理について、一つ非科学的な誤解があるのでコメントします。

ベルヌーイの定理は非圧縮性の流体について成り立つ法則です。
つまり液体です。
空気は全く圧縮性ですから、ベルヌーイの定理は使えません、関係ありません。
飛行機の揚力など気流でベルヌーイの定理をうんぬんするのは、極めて初歩的な間違いです。

回答No.8

Teleskope

No5でなくNo6でした。

回答No.7

Teleskope

No.3,4です。No5の解説「静止している方が風に当たる量は大きくなります」は、分子のランダム運動の衝突と風を混同してますね。
正しくは；固定されてる風車の方が あたる風が少ないです。

　下記は過去の同様な質問ですが、やはり「直進粒子の衝突」に基づく解説が見られます。
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=736478&rev=1

　日本で一時期こんなことがありました。アメリカのサイエンス記事で「飛行機がなぜ浮くのかを ニュートンの運動量の変化で説明する記事」がありました。その概要は「斜めの板に銃弾が当たると反作用で板は上向きの力を受け、弾丸の進路は板に沿って下に曲がる」という、「飛行機が浮くことをベルヌーイの定理を使わないで感覚に訴える小学生向けの説明」です。　ところが日本では、まるで新理論であるかのような（誤読を誘う）紹介をされたので、それに釣られてか「従来のベルヌーイの定理での説明は古い」から始まって「ベルヌーイでの説明は間違っていた」と、まるで相間（相対性理論は間違ってる論者）のような熱病のような主張が一部で流行しました。
　運動量 mV の時間的変化は力ですから揚力が説明できて当然ですが、m と V がそれぞれいくつなのか（風当たりはどうなのか）はベルヌーイの定理もないと説明できません。ベルヌーイの定理はエネルギ保存則そのものです。運動量保存則がエネルギ保存則の代用にはなりませんね。

参考URL：

http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=736478&rev=1

回答No.6

kentarou2333

一つ目の答えでは、みなさんの回答されている通り、静止している方が抵抗が大きいです。

これは、回転しているということは風に流されているということだと考えてもらえると分かりやすいと思います。

例えば、固定した羽と、風に流されている羽はどちらかが抵抗が少ないでしょうか？
風に流されている方が抵抗が少ないですよね。

風車も風に（方向は垂直方向に固定されていますが）流されて回りますので、回転しているほうが抵抗は少なくなります。

また、風より早く進んでいる羽も抵抗を受けてしまいますよね。
同じように、風車も早く回りすぎても抵抗を受けてしまいます。

「風車の部分を通る風の量」は以前に書かれている方の通りなのですが、
質問者の聞かれている「風車に当たる風の量」は、ちょっと異なります。

風車に当たる風の量（空気の分子の個数）というのは、抵抗（気圧）に比例します。

そのため、静止している方が抵抗が大きい（＝気圧が高い）ために、
静止している方が、風に当たる量は大きくなります。

回答No.5

First_Noel

＃１，＃２です．
反省・・・

１番目の御質問で

＞「回転しないように固定した風車」の方が風の力を大きく受けます．

であるからこそ，ベルヌーイの定理より，
２番目の御質問は，＃４さまおっしゃる通りだと思います．

ベルヌーイの定理（位置エネルギーを考慮しない場合）：
（静圧）＋（運動エネルギー）＝一定

すみませんでした．

回答No.4

Teleskope

（No3は受ける力の話で、これは通る風量の話です。）

>>　同じ強さの風が吹いたら、どちらがたくさんの空気にあたるのでしょうか？ <<

　たぶんご質問は、風車の説明によくある「訳が分からない話」のことだと思います。

　先に参考サイトの絵をご覧ください、左上にある wind turbin（風車）の気流の絵です。
　気流は風車が邪魔で減速 つまりある程度せき止められるので 『 圧力が微妙に上がる 』のです。これが渋滞情報になって、上流の流れは優雅なラインを描いて邪魔者をよけて通ります。　（ 圧力の高い所には入って行きづらい という単純な現象です。） その結果が絵のような流れなのです。

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　　　　　　　　　／┃
　　　　　　　 ／　 ┃
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上流　　　　　　　風　　　　下流
　⇒　　　　　　　 車　　　　　⇒
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　　　　　　　　　　　　＼
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　翼を通る流れを上流にさかのぼると狭いですね、　翼を通らなかった流れからはエネルギをいただけないです。上流の狭い範囲からしか もらえない。
　で、
動かない翼ほど気流を邪魔するから圧力が上がる、ゆえによけて通るのが増えて、風車まで来てくれる空気が 少ない。　通る風量は 固定されてる風車の方が少ないです。

参考URL：

http://aerodyn.org/Rotors/modes.html

回答No.3

Teleskope

普通、回転翼の取り付け角度は斜めですが、その場合は固定されてる方が大きいです。
　理由；
止まってる状態の翼は、自分は全く動かず 向かってくる風を曲げます。その曲げに比例した回転力と抗力（後ろに押される力）を受けます。
　しかし回ってると、
斜めの翼に当たった風が曲がるのと反対側に回るのだから、風の曲がりは その分少なくなります。曲げが少なければ受ける力も小さい、です。　例えて言えば、人混みの中を通り抜けるとき 相手を押してどかせれば自分はあまり曲がらなくて済む、ということ。固定された翼は相撲取りです。

　物理カテ的に難しく言うと、これは「運動量保存の法則」の一例ですね。

　それなら台風のときは自由に回しておいた方が 受ける力が小さくて助かるのでしょうか？ｗ

　参考までに；
風からもらうエネルギは、受ける力の大きさだけでなく、回転の速度との掛け算で決まります。だからビッタリ止まってるのも駄目、あまり回りすぎも駄目です。

回答No.2

First_Noel

間違えました．．．

後半部分を下記のように訂正致します．

-----

風車を通過する空気の質量流量Ｑは，空気の密度ρ，風速ｖ，受ける面積Ａとして，

Ｑ＝ρｖＡ

となります．

最初の御質問では，「羽根の感じる風速ｖ」が異なることがキーとなります．

次の御質問では，風車の風を受ける部分の面積Ａは一定であることがキーです．
ｖが同じならＦも同じとなります．

この２つの御質問は視点を何処に置くかが異なっている点がポイントです．