moonrose1962の日記

数式による堅苦しい物理学的な説明ではなく直感的に理解できるような説明を考えてみました。力学的な説明はしていません。ベルヌーイの定理とか出てきませんのでご安心を。

■そもそもなぜ浮かないのか

ダルマ落としを考えてみてください。ダルマを飛行機と考えます。下に積み木があるので飛行機は落ちませんよね。飛行機やヘリコプターが浮いているのもそれと同じで下にあるのが積み木か空気かの違いだけです。積み木と空気の違いは積み木は固体ですが空気はサラサラとした流体です。空気は積み木と違って下に留まっておらず逃げていってしまいます。積み木が左右にずれて逃げていくイメージです。重力があると機体の下の空気が上に流れ込んでしまうため落ちるのです。

■浮かせるための工夫

下が空気の場合は何らかの工夫をしないと浮きません。流れ込みさえ食い止めれば下に積み木があるのと同じになり落ちないのですから、例えば飛行機の下に板を置きその周辺を気密に壁で囲んでしまえば空気は閉じ込められ（弾性で少し下に沈みますが）浮きます。でもこれは何の実用性もありません。そこで飛行機は前に進むことで下の空気が上に流れ込むのを防いでいるのです。流れ込んでくる前に、前に進んじゃおうということです。前に進むことで相対的に翼の上面と下面に空気の流れを作り下から上に空気が流れ込むのを防ぐのです。翼という板で上下をスパッと仕切っているイメージです。流れ込みを防ぎきれていれば下には積み木があるのと同じになります。

ところで「流れ込む前に」ということは流れ込むまでに少し時間がかかるということですがそれが粘性というものです。

水飴に鉄球を落としてもすぐには沈みませんよね。ゆっくり沈みます。水飴はドロドロしていて（＝粘性が高い）鉄球の下の水飴が上に流れ込むのに時間がかかるのです。水は水飴ほどではないけど少しはドロドロしているし空気もほんの僅かですがドロドロしており前進することで流れ込みを防げるのです。

前に進むスピードが遅く流れ込みを防げなかったときを失速と呼びます。失速時は翼面から気流が「剥がれる」という表現がよく使われますがこれは下面の空気が上面に流れ込んでいるということです。水に浮かべた板が沈んで上面に浸水するイメージです。

またこの説明によれば空気が全くドロドロがない完全なサラサラ状態（＝粘性がなく流れ込むまでの時間がゼロ）のものと仮定した場合はどんなに速く進んでも飛行機は飛べないことになります。逆に積み木を流体と考えるなら流れ込むまでの時間が無限大で前進する速度はゼロでよいことになります。

かつては翼断面の流線型の上面と下面のカーブの違いにより気圧差を生じることで揚力を得ると説明されていましたが、ただの平板でも飛べることから最近はこの説明は間違いではないかと言われています。

高度を変更するためにはカーブ差や仰角を取ったりが必要ですが一定の高さで浮き続けるには平板で構わないのです。実際の航空機が流線型の翼を採用しているのは気流を乱さないためです。高度変更などを考慮し効率よく飛ぶためには結局あのような形になるのです。

■気流を乱さない
実際の航空機の翼は流線型で後縁が尖っていてなるべく気流を乱さない工夫がされています。理想的な安定飛行では剥がれがなく（＝流れ込みがない＝沈んでいない）真っ直ぐに流れて飛び去った後も乱れがありません。乱れがなければ（空気の流れは相対的なものなので）地上から見たとき空気は何の動きもないことになります。つまり積み木がずれず動かなかったことになり、落ちずに安定して浮いていたということになるのです。

■他の航空機も

ヘリコプターも同じで下に空気を吹き続けて上への流れ込みを防ぐことで浮いています。上に流れ込んでくる空気と下に吹きつける空気を同じにして相殺して（＝下に積み木があるような状態を維持して）浮いているのです。最近は周辺の空気を超音波で動けなくして流れ込みを防ぎ浮遊する技術も研究されています。

粘性が直感的にわかりやすいのでこのような説明ができるのですが粘性そのものを説明するのは難しそうですね。

飛行機ははなぜ浮いていられるのか。下に空気があるから。浮いているのではなく空気の上に乗っかっているだけ。

【補足】前に進むことで浮いていられる理由
をもうちょっとわかりやすく説明すると、