飛行の仕組みと発展 所属： 物理 ゼミ ２年６組４番 大島 直樹 第１章 はじめに 第１節 テーマ設定の理由 小さいときから飛行機が大好きで、なぜ、あんな大きな鉄のかたまりが空を飛ぶことが できるのか疑問に思い、飛行の仕組みについて調べてみたいと思ったから。また、技術の 進歩が著しい現代社会において、ドラえもんの中に出てくるタケコプターのようにもっと 気軽に空を飛べる時代がくるのではないかと思い、簡単に空を飛べる方法を考えてみたい と思ったから。 第２節 研究のねらい 飛行の仕組みについて調べるとともに、これからの可能性を考える。 第３節 研究の見通し 飛行の仕組みについて理解し、それを活用して飛ぶ方法を考える。 第４節 研究の内容と方法 第１項 研究の内容 飛行の仕組みについて調べる。 公式の利用 飛行の未来を考える 第２項 研究の方法 本やインターネットなどで調べる。 第２章 研究の展開 第１節 飛行機が空を飛ぶわけ 飛行機には主に４つの力が働いている。それは「揚力」「推力」「抗力」「重力」だ。 揚力とは飛行機を地面から上昇させ空中に支える力のことで、翼と 深いかかわりを持っ ている。 また、推力はエンジンなどで飛行機を前に進める力、抗力は飛行機を後ろに押しもどそ うとする力、重力は飛行機を地上に向かって引っ張る力のことである。 1 揚力は重力と、推力は抗力と対になっている。飛行機が水平飛行しているときは、機 体にかかる揚力と推力は等しく、推力と抗力も等しくなっている。 ４つの力の関係を簡単にあらわしたものが次の図である。 第２節 機体を浮かせる「揚力」の仕組み 空気より重いものを宙に浮かせるためには、重力に勝つ必要がある。 飛行機は「揚力」を利用して飛んでいる。 翼を１枚の板で考えてみる。１枚の板を風の流れに対して垂直に立てかけてしまうと、 風の力をまともに受けてしまう。しかし、これを風の流れに対して平行にすると 、風の影 響はほとんど受けない。 そこで、板の前方を風に向かって少し持ち上げて斜めにすると、上向きに浮き上がろう とする。これが「揚力」である。 ＜揚力の仕組み＞ １、正面から風が来る。 ↓翼の上側 ↓翼の下側 ２、流れが速くなる。 ２、流れが遅くなる。 ３、圧力低下 ３、圧力上昇 結果、、、、、 ➡両側で生じた圧力の差によって揚力が発生し、機体が上昇。 2 この時、斜めにした板（翼）と空気の流れる方向の作る角度を「迎え角」といい、迎 え角が大きいほど揚力も大きくなる。 したがって、飛行機は離陸時に勢いよく加速することで空気の流れをよくし、さらに機 首を上げて翼の迎え角を大きくすることによって離陸に必要な揚力を得ているのである。 第３節 翼と揚力の関係 主翼の大きさは飛行機の速度と関係している。速く飛べば飛ぶほど揚力の大きさは大き くなり、遅く飛べば飛ぶほど揚力の大きさは小さくなる。翼が受ける揚力の算出方式を表 す「アスペクト比」 （＝翼幅＝翼弦長）というものがあるのだが、それが大きいほど揚力が 大きくなる。つまり、速度が速くて、翼が大きいものがいいのだ。 第４節 揚力の公式 運動量の時間変化は質量流量と流速の積になるので、揚力のモデル式は、揚力係数 を用いて、以下のように表されるのが一般的である。 は揚力係数 ρ は流体の密度（海面高度の大気中なら 1.2250 kg/m 3 ） V は物体と流体の相対速度 S は物体の代表面積 L は、発生する揚力 よって揚力は、物体の相似比の二乗と流体の密度と流速の二乗の積に比例する。 係数が異 なるだけで抗力と同形式である。 揚力係数 揚力係数 は、揚力を動圧（ ）と代表面積で無次元化したもので、物体の形状、 迎角、流体の物性、マッハ数、レイノルズ数などによって変化する。 迎角の絶対値が小さいとき、揚力係数はほぼ迎角に比例する。 迎角の絶対値が大きくなると、物体表面から流れが剥離して揚力係数は急激に小さ くなる。この現象を失速と呼ぶ。 空気中の揚力係数は、地面や水面の近くでは、離れた高さより大きくなる。それを 地面効果という。 3 第５節 飛行の可能性 私はもっと気軽に空を飛べないであろうかと考えてきた。そこで、以上のことを参考に 空を飛ぶ方法を考えてみる。これは、あくまでも気軽に空を飛びたいという私の願いから 可能性として生み出されたものである。 （１）装置 まずは、どのように飛ぶかを考えてみた。下の画像は某アニメのあるシーンなのだが、 このキャラクターが背中につけているようなものに翼をつけたものを考えていきたい。 （２）条件 ヒト…６５㎏ 装置…１５㎏ 流体密度…1.2250 kg/m 3 （海面高度の大気中とする） 揚力係数…０．５（迎え角１０度の場合０．５～１．０） 翼の面積…１０㎡ 重力加速度…９．８ｍ/ｓ＾2 とする。 （３）速度 飛行する（水平飛行）ためには、重力＝揚力である必要がある。 （２）の条件を揚力の公式に当てはめて計算すると ｍｇ＝1/2*密度＊速度＾２*翼面積*揚力 （６５+１５）*９．８＝０．５*1.2250*V*V *１０*０．５ より 4 V＾2＝２５６ V＝１６ １６m/s=５８km/h （４）まとめ （１）～（３）より、背中に背負えるようなものに１０㎡の翼とジェットエンジン（装 置全体で１５㎏）を装着し、どこか高いところからスタートし、迎え角１０度を保ち５８ km/h の速さで進めば、空を飛べると考える。 第３章 第１節 終わりに 考察・まとめ 飛 行機 が 飛ぶ 仕 組み は翼 の 傾き によ っ て上 下面 で 生じ る圧 力 の差 によ っ て揚 力が 生 ま れるからである。 また、翼が大きければ大きいほど揚力も大きくなる。 第２節 感想・今後の展開 広く、深く飛行の仕組みについて理解できたわけではないが、基本的な仕組みを理解す ることはできた。飛行の仕組みについて理解し、自分なりに人間が簡単に飛べる方法を考 えてみるというのが目的であったわけだが、あくまでもひとつの考えであるとしても、少 しでも飛ぶことへの可能性が見いだせたと思う。 将来は航空関係の仕事に就けたらと考えているので、大学生になったらもっともっと深く 追究し、新たな可能性を見いだせていけたらと思う。 参考・出典 ameblo.jp ishizumi01.blog28.fc2.com Wikipedia「揚力」 gensun.org 中村浩美著「イラスト図解 飛行機」日東書院２０１０年１月１日 5
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