[公開日] 2024 年 3 月 18 日午前 8 時 30 分 (東部夏時間)
[質問] ベンソン、10 歳、ミシガン州ロックフォード、アメリカ合衆国
[答えてくれる先生] Craig Merrett
クレイグ・メレット博士
アメリカ合衆国、クラークソン大学
機械航空宇宙工学教授
飛行機の飛行は、20 世紀の最も重要な技術的成果の 1 つです。 飛行機の発明 により、人々は船や列車で数週間かけて移動していた地球の一方の側からもう一方の側まで 1 日未満で移動できるようになりました。
飛行機が飛ぶ理由を正確に理解することは、飛行機、ロケット、人工衛星、ヘリコプター、宇宙カプセルを研究し設計する 私のような航空宇宙技術者 にとって継続的な課題です。
私たちの仕事は、コンピューター シミュレーションや実験などの科学と数学のツールやアイデアを使用して、空や宇宙での飛行が安全で信頼できるものであることを確認することです。
そのような仕事があるため、飛行機に乗るのが 最も安全な旅行方法 であり、車、バス、列車、船よりも安全です。 しかし、航空宇宙技術者は驚くほど洗練された航空機を設計していますが、飛行の物理学についてはまだ完全には理解されていない詳細がいくつかあることを知って、あなたは驚くかもしれません。
力があなたとともにありますように
航空宇宙技術者が飛行機の設計時に考慮する力は、重量 (weight)、推力 (thrust)、抗力 (drag)、揚力 (lift) の 4 つの力です。 エンジニアはこれらの力を利用して、飛行機の形状や翼のサイズを設計し、飛行機が何人の乗客を運ぶことができるかを把握します。
たとえば、飛行機が離陸するときは、推力が抗力より大きく、揚力が重量より大きくなければなりません。 飛行機の離陸を見ていると、翼の後ろのフラップを使って翼の形が変わるのがわかります。 フラップは揚力を増加させるのに役立ちますが、抗力も増加させるため、より多くの推力を生み出すには強力なエンジンが必要です。
飛行機が十分に高く、目的地に向かって巡航しているときは、揚力で重量とのバランスをとり、推力で抗力とのバランスをとる必要があります。 そのため、パイロットはフラップを内側に引き込んで、エンジンの出力を抑えることができます。
そうは言っても、「力」が何を意味するかを定義しましょう。 ニュートンの第 二 法則 によれば、力は質量と加速度の積、つまり F = ma です。
誰もが毎日遭遇する力は、私たちを地面に留まらせる重力です。 診療所で体重を測るとき、医師は実際にあなたの体が体重計に加える力の量を測定しています。 体重がポンド (lb*) で示されている場合、それは力の尺度になります。(注１*)
飛行機が飛行している間、重力によって飛行機は下に引っ張られます。 その力が飛行機の重さです。
しかし、エンジンは 推力と呼ばれる力を生み出す ため、飛行機を前進させます。 エンジンは質量 (mass) のある空気を吸い込み、その空気をすぐにエンジン後部から押し出します。そのため、質量と加速度が掛け合わされます。
ニュートンの第三法則 によれば、あらゆる行動に対して、同等かつ反対の反応が起こります。 空気がエンジンの後部から勢いよく噴出すると、飛行機を前方に押す反力 (reaction force) が発生します。これを推力 (thrust) といいます。
飛行機が空を飛ぶとき、飛行機の形状により空気が邪魔にならないように押し出されます。 繰り返しますが、ニュートンの第 3 法則により、この空気は押し戻され、抗力 (drag) が生じます。
泳ぐときに抗力に似た体験ができます。 プールを漕いで進むと、腕と足で推進力が得られます。 パドリングをやめると、質量があるため前進し続けますが、速度は低下します。 速度が低下するのは、水が体を押し返しているためです。これが抗力です。
揚力を理解する
揚力 (lift) は、重量、推力、抗力などの他の力よりも複雑です。 それは飛行機の翼によって作られ、翼の形状は非常に重要です。 その形状は翼形 (airfoil) として知られています。 基本的には翼の上部と下部が湾曲していることを意味しますが、湾曲の形状は互いに異なる場合があります。
空気が翼の周りを流れると圧力が発生し、その力が広い範囲に広がります。 翼形部の上部では、下部の圧力に比べて低い圧力が発生します。 別の見方をすると、空気は翼の下よりも翼の上を速く移動します。
揚力を理解する には、なぜ上部と下部で圧力と速度が異なるのかを理解することが重要です。 揚力についての理解を深めれば、エンジニアはより燃料効率の高い飛行機を設計し、乗客により快適な飛行を提供できるようになります。
難問
翼の周囲で空気が異なる速度で移動する理由は依然として謎に包まれており、科学者たちはこの疑問を現在も調査中です。
航空宇宙技術者は、風洞実験と飛行中の両方で翼にかかる圧力を測定しました。 私たちは さまざまな翼のモデルを作成して、それらがうまく飛ぶかどうかを予測できます。 また、翼の形状を変更して揚力を変更し、長距離を飛行したり、非常に速く飛行したりする飛行機を作成することもできます。
揚力がなぜ起こるのかはまだ完全にはわかっていませんが、航空宇宙エンジニアは、翼の上部と下部で異なる速度を再現する数式を使って作業しています。 これらの方程式は、循環 (circulation) として知られるプロセスを説明します。
循環は、航空宇宙エンジニアに、なぜそれが起こるのか完全に理解できていなくても、翼の周りで何が起こるかをモデル化する方法を提供します。 言い換えれば、数学と科学を活用することで、飛行機がなぜ動くのかというプロセスを完全に理解していなくても、安全で効率的な飛行機を作ることができるのです。
最終的に、航空宇宙技術者が翼のどちら側にあるかによって空気の流れの速度が異なる理由を解明できれば、燃料の使用量と汚染の少ない飛行機を設計できるようになります。
この記事は、クリエイティブコモンズライセンス(CCL)の下で The Conversation と各著作者からの承認に基づき再発行されています。日本語訳は archive4kids の翻訳責任で行われています。オリジナルの記事を読めます。original article.
[編集者注]
(注１*) lb ポンド：アメリカ合衆国を中心に使用されているヤード・ポンド法の質量の単位 1 lb = 0.453592 kg (約450グラム)
