飛行機がどのように飛ぶかについて話しましょう

飛行機はどうやって空中に留まるのでしょうか? 飛行中にこの疑問について考えたことがあるかどうかにかかわらず、これは魅力的で複雑なテーマです。ここでは、飛行機の飛行に関係する物理学を簡単に紹介するとともに、このテーマを取り巻く誤解についても少し触れます。

まず、航空機（ボーイングやエアバスの輸送機などの民間航空機）が空を安定して飛行しているところを想像してください。その飛行には、互いに反対方向に働く力の微妙なバランスが関係しています。「翼は揚力を生み出し、揚力は航空機の重量に対抗します」とケンブリッジ大学の空気力学教授ホルガー・バビンスキーは言います。

「その揚力（または上向きの力）は飛行機の重量と同等かそれ以上でなければなりません。それが飛行機を空中に浮かせる力なのです」と、パデュー大学航空宇宙学部の学部長ウィリアム・クロスリー氏は言う。

一方、航空機のエンジンは、周囲の空気の摩擦によって受ける抗力に対抗するために必要な推力を与えている。「前方に飛行しているときは、少なくとも抗力に匹敵するだけの推力が必要です。加速しているときは抗力よりも高い推力になることもありますし、減速しているときは抗力よりも低い推力になることもあります。しかし、安定した水平飛行では、推力は抗力に等しいのです」とクロスリー氏は指摘する。

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そもそも飛行機の翼が揚力を生み出す仕組みを理解するのは、もう少し複雑です。「メディアは概して、いつも手っ取り早く簡単な説明を求めています」とバビンスキー氏は振り返ります。「それが私たちを窮地に追い込んだのだと思います」。よくある間違った説明の 1 つは、翼の湾曲した上部を流れる空気は、下部を流れる空気よりも長い距離を移動する必要があるため、下部の空気と歩調を合わせようと速度が上がるというものです。まるで、翼の上部を流れる空気と下部を流れる空気の 2 つの粒子が魔法のようにつながっている必要があるかのように。NASA にはこの考えを「誤った翼型理論」と名付けた専用 Web ページもあります。

では、どのように考えるのが正しいのでしょうか?

手を貸す

このテーマについて考え始めるための非常に簡単な方法は、車の助手席に乗っているところを想像することです。手のひらを下にして親指を前に向け、手が地面とほぼ平行になるように、風に向かって腕を横に伸ばします。(実際にこれを行う場合は注意してください。) 次に、風が手の甲を捉えるように、手を前方で少し上向きに傾けます。手を上向きに傾けるこのプロセスは、翼の迎え角と呼ばれる重要な概念に近似しています。

「揚力ははっきりと感じられます」とバビンスキー氏は言う。この単純なシナリオでは、空気が手の底に当たって下向きに偏向し、ニュートン力学の意味で（第 3 法則を参照）、手は上向きに押し上げられる。

曲線に沿って進む

しかし、翼は当然ながら手のような形ではなく、考慮すべき要素が他にもあります。翼に関して覚えておくべき 2 つの重要な点は、翼の前部 (前縁) が湾曲していることと、翼の断面を見ると全体的に翼型と呼ばれる形状になっていることです。

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翼の湾曲した前縁が重要なのは、気流が「曲面をたどる」傾向があるからだとバビンスキー氏は言う。彼はこの概念を実証するために、ヘアドライヤーをバケツの丸い縁に向けるのが好きだと言う。気流はバケツの曲面に付着して方向を変え、バケツに遮られた反対側のろうそくの火を消す可能性もある。同じ考えを実証しているように見える、魅力的な古いビデオがこちら。「気流が曲面に付着すると、付着したままでいようとするが、永久に付着したままではない」と彼は指摘する。

翼の場合、車の窓から手を出すときのように、翼がやや上向きに傾いていると、空気が丸い前縁にぶつかります。「上面では、空気がくっついて曲がり、実際にその入射角、迎え角に非常にうまく従います」と、彼は言います。

プレッシャーをかけすぎない

最終的に何が起こるかというと、翼の上部を移動する空気が曲面と接触して向きを変え、あるいは下向きに流れます。低圧領域が形成され、空気もより速く移動します。一方、空気は、車の窓から手を出したときに風が当たるように、翼の下側に当たり、高圧領域を形成します。こうして、翼の上部には低圧領域が、下部には高圧領域ができます。「この 2 つの圧力の差が揚力を生み出します」とバビンスキー氏は言います。

このビデオでは、一般的なプロセスがよく説明されています。

バビンスキー氏は、翼の上の低圧部分の方が翼の下の高圧部分よりも多くの仕事を行っていると指摘する。翼は上面と下面の両方で空気の流れを下向きに曲げていると考えることができる。翼の下面では、流れの曲げは「上面の流れの曲げよりも実際には小さい」と同氏は指摘する。「ほとんどの翼型では、非常に大まかな経験則で言えば、揚力の 3 分の 2 が上面で発生し、場合によってはそれ以上になる」とバビンスキー氏は言う。

最後にもう一度、すべてをまとめてもらえますか?

もちろんです！NASA エイムズ研究センターの航空宇宙エンジニア、グロリア・ヤマウチはこう言います。「飛行機が空を飛んでいると、空気が翼に近づき、翼の前縁で方向転換します」と彼女は言います。（「方向転換」とは、道路を猛スピードで走る車が空気を迂回させるように方向転換するという意味です。）「空気の速度は、翼の表面の上と下を通過するときに変化します。」

「一般的に、翼の上部の速度は翼の下の速度よりも大きいです」と彼女は続けます。「つまり、翼の上部の圧力は翼の下の圧力よりも低く、その圧力の差によって上向きの揚力が発生します。」

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このストーリーは更新されました。元々は 2022 年 7 月に公開されました。