飛行の原理
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翼は飛行のシンボルです。その翼を支えるのは空気です。 翼の周りを流れる空気の作用が、空中に浮かぶ力を翼に与えます。 目では見えない翼と空気のメカニズムを探ります。 |
紙飛行機のはなし目次
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はばたかない翼
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鳥のように翼をはばたかせ、空へ舞い上がるというアイディアは、 イカロスの時代からあります。 人々は長いあいだ、はばたき機の製作に情熱を注ぎましたが、 ひとつも成功しませんでした。 しなやかで複雑な、はばたき運動の再現はとても難しく、 空中で自重を支えるための動力源がイカロスのように人力では、 明らかにパワー不足だったからです。 19世紀初頭、イギリスのケイリー卿は、 翼を広げて空を舞う鳥と、風を受けて昇る凧からヒントを得て、 凧を翼として利用した模型飛行機を作りました。 彼のアイディアは、(1) まず模型を前方へ投げて風を作る、 (2) 凧の翼が風を受けて上に昇る、という2段階の動作によって、 空中に浮かぶ力を得ようとするものでした。 翼が上方へ引き上げる力を「揚力」と呼びます。 飛行機が前方へ進む力は「推力」です。 ケイリー卿の、揚力と推力を別々に作るアイディアは、 はばたきの長い呪縛から人々を開放しました。 こうして、現在の飛行機開発が始まったのです。
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風をとらえる
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高速で飛び去る飛行機の映像は流れてしまいます。 もう一度、今度は通過する飛行機を目で追ってみましょう。 すると、飛行機の映像はピタリと静止し、 動かない地上の風景が後方へ流れます。 もし、空気を見ることができるなら、 地上の風景が後方へ流れたのと同様に、 空気も後方へ流れて見えるはずです。 それは、見かけ上は静止している飛行機の前方から後方へ、 空気が流れることを意味します。 飛行機が推力によって高速で前方へ移動することで、 その翼は相対的な空気の流れをつかんでいるのです。 かのケイリー卿は、模型飛行機を前方へ投げることで、 相対的な風をつかみました。 推力がもたらす相対的な風は、翼の力学の出発点です。 この翼の周りを流れる空気の作用によって、 空中に浮かぶ力が翼に生じるからです。
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風のなかの翼
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翼の断面形は、上面の緩やかなカーブと下面の平らなラインで構成されます。 翼の上面はカーブした分だけ、下面より長いことが特徴です。 風の流れを観察すると、翼の前方で上面と下面へと2つに分かれた風は、 同じ時間をかけて翼の表面を通過し、後方で同時に合流します。 翼上面はカーブした分、下面より長いのですから、翼上面を流れる風は、 より長い距離を速いスピードで流れなければなりません。 「水や空気のような流体は、流速が速くなるにしたがって圧力が低くなる」 という「ベルヌーイの定理」として知られる空気の性質によって、 翼上面を高速で流れる風の圧力は低下します。こうして生じた圧力の差は、 圧力の高い下方から圧力の低い上方へと翼を引き上げます。 これが揚力を生み出すしくみです。
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風に翼を起てる
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風の流れを下向きに変えるように翼を起てると、 翼の下面には翼を上方へ押し上げる風圧が加わります。 この風圧は、風の流れを下向きに変えることに対して生じる、 上向きの反作用の力です。凧も同じ方法で空中に昇ります。 さらに、翼が迎角を持つと、翼の上面と下面の圧力差は拡大します。 翼上面を流れる風の経路は、翼を起てた分だけ大きなカーブとなり、 翼上面と下面を流れる風の速度のちがいが顕著になるからです。 「迎角」とは、風の流れに対して翼を起てる角度です。 風に対して迎角を持った翼は、風の向きを変えることの反作用と、 翼の上面と下面で拡大した圧力差との2つの効果によって、 揚力を増加させます。
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風を失った翼
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翼が揚力を生み出すとき、風は翼の周りをスムーズに流れています。 翼が風に対して迎角をとるときにも、 風は翼の上面にスムーズにまわりこんで大きな揚力をもたらします。 なめらかな風は、翼の揚力の発生に不可欠な存在です。 しかし、風のなめらかさにも限度があります。 翼の迎角が大きすぎると、風は翼の周りをスムーズに流れることができません。 翼の上面では流れがはがれ、風が渦巻く乱流となります。 この現象が「失速」です。 翼の上面でスムーズな風の流れが途切れると、 もはや翼上面と下面での圧力の差は生じません。 つまり、揚力を生み出すしくみが消滅してしまうのです。 失速によって揚力を失った飛行機は、急激に高度を失います。
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Hideyuki Kikuchi (gotha@ops.dti.ne.jp)