トンボの翅のメカニズムの翼への応用 11 班安本雄貴１．はじめに渦が発生し、この部分で圧力が低下し、その部分に現在、地球温暖化など様々な環境問題が発生しておいて上向きの力が発生する。つまり、これが翅をいる。その地球温暖化の原因の一つとして航空機に上へと持ち上げる揚力となる。本実験ではこの凹凸よる CO2 の排出が挙げられる。もし航空機の性能形状による揚力向上に注目し、飛行機に応用可能でが向上すれば、より少ない燃料で遠くへ飛ばすことあるかどうかを検討する。が可能である。本実験では航空機の翼形状に着目し、飛行性能向上を考えていく。また、翼形状を考える３．実験モデルと実験方法ので航空機の代わりに模型飛行機を使用して考え平らな現行の翼と凹凸形状をするトンボの翅をる。応用した翼の２つのモデルを用意して風洞実験を模型飛行機を遠くへ飛ばすためには、飛行機の性行った。２つのモデルの表面形状のみを比較するた能を上げる必要がある。特に翼は飛行機を飛ばすために、翼の表面が紙製でその他が木製の模型飛行機めに必要不可欠であり、揚力を発生させる部分であを２機準備し、図２のようにそれぞれの翼を製作しるため飛行機の性能に大きく影響する。その揚力をた。なお、凹凸形状の翼は、翼に使用する和紙を一生み出しやすい翼の形状を考えたいと思う。そこで度くしゃくしゃに丸めてから翼表面に接着した。こトンボの翅の形状に注目し新たな翼形状を考えるれによって翼表面はトンボの翅の形状のように凹ことにする。凸をもった形状となった。本研究では揚力の違いを調べるため、模型飛行機の翼部分のみを用いて図３２．理論のように風洞実験を行った。すなわち力覚センサートンボの翅は一見は表面形状が平面であるように２つの実験モデルを固定し、それぞれを模型飛行に見えるが実際は図１のように表面に凹凸を有す機の平均的な飛行速度である風速 3 m/s から 9 m/s る複雑な形状をしている 1)。この特殊な形状には揚の範囲で実験を行った。力を発生させる作用がある。流体中で渦が発生するとその部分の気圧がという性質がある。本来、航空４．実験結果と考察機などに使用されている翼の表面は平な形状をし風洞実験の結果を表１および図４~６に示す。図ている。この形状だと翼の表面に沿って気流は流れ４~６は×印を通常の翼、丸印を凹凸形状の翼としていく。しかしトンボの翅のような凹凸形状においている。図６の揚抗比は揚力(N)を抗力(N)で割ってては図１のように凹凸の谷の部分で気流に計算されるものであり、揚抗比が大きい値を示すほど揚力が発生しやすいので飛びやすいと言える。またレイノルズ数は相対速度(m/s)に代表長さ(m)を図 1 トンボの翅の表面を通過する気流の様子図 2 実験モデル (上)現行の翼 (下)凹凸形状の翼図３風洞実験の様子表 1 風洞実験で得られた揚力と抗力風速通常の翼(N) 凹凸形状の翼(N) (m/s) L 抗力 D 揚力 L 抗力 D 揚力 3 0.0002 -0.0591 0.0025 0.0094 4 0.001 -0.0237 0.0047 0.0544 5 0.0014 0.014 0.0075 0.0858 6 0.0017 0.0707 0.0116 0.1405 7 0.0023 0.1037 0.0157 0.1888 8 0.0044 0.1561 0.0221 0.2554 9 0.0083 0.2228 0.0283 0.32 図５抗力—風速グラフ図６揚抗比—レイノルズ数グラフ図４揚力—風速グラフ掛け、それを動粘性係数で割ったものである。本実状を応用した翼を用いることで、より遠くへ飛ばす験では相対速度とは風洞実験での風速のことを指ために揚力を増加できることがわかった。しかし、し、代表長さは 0.11 m とした。動粘性係数は 1.8 速い速度で飛行する旅客機や戦闘機では抗力が大 ×10-5 として計算を行った。図４から揚力は全てのきくなり、逆効果となり遠くへ飛べなくなる。風速において凹凸形状をした翼が、通常の翼を上回将来、技術はさらに進化していくであろう。今現った。従って、凹凸形状を翼に取り入れればより遠在でも高速で飛行中に翼で発生する抗力を少しでくに飛びやすいと言える。また図５より抗力も関しも減らすために翼の位置を変更できる可変型の翼ても凹凸形状の翼が全ての風速で高い値を示したをした戦闘機などがある。今後、自由自在に変形でが、風速が増すにつれて凹凸形状の翼の方が急激にきる形状記憶合金のような新しい金属が開発され、大きくなっていることがわかる。つまり、低速にお航空機の翼に使用できるようになったとしたら、本いては凹凸形状の翼は平らな翼に比べ揚力が大き研究で明らかとなった凹凸形状の翼は十分に応用く発生するため、より遠くへ飛ぶが、凹凸形状の翼可能であると考えられる。すなわち、航空機などがは速度が上がるにつれて抗力が増していくことが離着陸する際には翼の表面を凹凸形状にしてより分かるため、高速においては抗力が揚力以上に大き低速で離着陸が可能になり、巡航中には従来通りにく作用することになる。しかし、この実験において表面を平らな形状にすることで従来通りの飛行速は図６のように揚抗比は常に凹凸形状の翼のほう度での飛行が可能である。これが今回の研究を通しが高いので、紙飛行機や模型飛行機にトンボの翅をて得られた、航空機の理想である。応用させると遠くに飛ばせると言える。参考文献 5 . おわりに 1) 国立科学博物館, ミルシル, No.2, pp.16-17, 本研究では、紙飛行機や模型飛行機にトンボの形 2011