飛行機はなぜ飛べるのでしょうか？謎はまだ翼の上に残っている

「とても速いので、飛んでしまいそうです。」非常に速く動いている物体を説明するときに、よく似た表現が使われますが、実際には、その物体は飛べない物体です。どれだけ速く動いても飛ぶことはありません。

離陸時の飛行機の速度は、離陸時の風速や飛行機の積載量など、多くの要因に関係しています。一定の値ではありませんが、大まかに言えば、一般的な民間航空機の離陸速度は時速250キロメートルから290キロメートルの間であるのに対し、戦闘機の離陸速度は時速350キロメートル程度です。加速が航空機の離陸プロセスの重要な部分であることは間違いありませんが、それが最も重要な要素ではありません。そうでなければ、高速鉄道はずっと前に離陸していたでしょう。中国が独自に設計・製造した「復興」電車を例に挙げてみましょう。最高速度は時速400キロメートルに達し、飛行機の離陸時の速度よりも速いが、それでも軌道上に安定して留まる。

物体が飛ぶためには揚力を得る必要がありますが、揚力は速度によって直接得られるものではありません。特殊な構造と速度が連動して初めて、物体を飛ばす力を生み出すことができます。

飛行機、高速鉄道、自動車の構造上の違いは何ですか?最大の違いは、飛行機には 2 つの翼があることです。 1903年にライト兄弟が飛行機を発明して以来、飛行機の外観はさまざまな変化を遂げてきました。今では、さまざまな外観や構造を持つ飛行機が次々と登場しています。しかし、飛行機である以上、欠かせないものが一つあります。それは「翼」です。民間航空機の満載重量は数百トンに達することがあります。数百トンもある巨大な飛行機が、たった二枚の翼を取り付けるだけで飛べるのでしょうか？それは本当です。

翼はどのようにして航空機に揚力を与えるのでしょうか?これはベルヌーイの定理という原則から始まらなければなりません。

ベルヌーイの原理は、1726 年にダニエル ベルヌーイによって提唱されました。簡単に言えば、粘度が無視できる理想的な水の流れや空気の流れでは、流体の流量が小さいほど圧力が大きくなり、逆もまた同様です。ベルヌーイの定理に関して、私たちの日常生活で最も一般的な例は地下鉄を待つことです。多くの人がホームで地下鉄の到着を待って一緒に立っていると、前後の空気が遮断される「人間の壁」が形成されます。このとき、地下鉄は駅に到着し、前方の空気の流れが高速であるため、圧力は小さくなりますが、後方の空気の流れの速度はまだ非常に遅いため、圧力は非常に高くなります。そうすれば、私たちは前進する力を感じるでしょう。この力は、前面と背面の圧力差によって発生します。多くの場合、後ろにいる人がわざと前に出てきて衝突を引き起こしていると誤解してしまいます。

歴史上、ある国でベルヌーイの定理により多くの人が地下鉄の線路に落ちるという安全事故がありました。

飛行機の翼にもベルヌーイの定理が利用されています。よく観察すると、飛行機の外観がどんなに変わっていても、その翼には同じような特徴があることに気がつきます。つまり、翼の断面の前端は丸くて鈍く、後端は鋭くなっているのです。上から下に向かって見ると、翼の上部は持ち上がっているように見えますが、翼の下部は基本的に平らです。この設計の理由は、翼の上と下の空気の流れの流量に差を持たせるためです。

飛行機が滑走路を走り始めると、翼の上側の気流速度と翼の下側の気流速度が異なり、上側の気流速度は速く、下側の気流速度は遅くなります。

航空機の速度が増加すると、翼の上と下の気流の流速差がますます大きくなり、つまり、航空機の上部の圧力はますます小さくなり、一方で下部の圧力は相対的に大きくなるため、揚力が発生します。速度が増加するにつれて、揚力は徐々に増加し、揚力が航空機自身の重力よりも大きくなると、航空機は飛行できるようになります。航空機が得る揚力の量は、航空機の移動速度と航空機の翼のサイズという 2 つの要素に密接に関係しています。翼が大きいほど、得られる揚力も大きくなるため、私たちが目にする輸送機は、通常、非常に見事な「翼」を備えています。

離陸後、航空機はできるだけ早く対流圏を通過し、巡航高度6,000～12,000メートルに到達します。ここの空気の流れは主に水平方向なので、「成層圏」と呼ばれます。

飛行機が成層圏を飛行しているときは、基本的に気流の影響を受けず、比較的安定しているので、このときに客室乗務員がサービス提供を開始します。飛行機が離陸したり着陸したりするときには、対流圏を通過しようとするため乱気流が発生しやすくなります。この時間にも関わらず機内で歩き回っていると安全上の事故を起こしやすいため、通常はこの時間には座席に座ってシートベルトを締めるように指示されます。飛行機の揚力はガスの流速の差によって生じるため、飛行機が地球を離れて宇宙へ飛ぶことは不可能です。イギリスの企業が開発したスペースプレーンは、外見と名前だけが飛行機ですが、亀が魚ではないのと同じように、実際には飛行機ではありません。

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