なぜ飛行機や鳥は空を飛ぶことができるのか?簡単に解説!

2018年9月10日身の回りの科学

現在、私たちは驚くべきスピードで世界を旅行することができます。

海を越えアメリカ、中国、ヨーロッパ、などなど。

どこへでも行くことができます。

しかし、ひと昔前は島国の日本を出るには船を使うしかありませんでした。

船で世界を旅するのにはすさまじい時間が必要です。

現在はどうでしょう?

なんと韓国であれば3時間もかからずに行けてしまいます。

凄いことですよね!

このように船を使わずに海外へと行けるようになったのは、もちろん、そうです。

『飛行機』が登場したからですよね!

飛行機が身近な存在になったことで、私たちは北海道や沖縄などの国内だけではなく、海外にも気軽に行けてしまいます。

そんな飛行機は1903年のライト兄弟による有人飛行成功以来、現代にいたるまですさまじい進化を遂げてきました。

今回はそんな飛行機に関する初歩的な疑問です。

きっと皆さんも疑問に思っているのではないでしょうか?

この鉄の塊はいったいどうやって私たちを空へと導いてくれているのでしょうか?

つまり、どうやって飛行機は空を飛んでいるのでしょうか?

1.揚力

飛行機がなぜ飛んでいるのか?

という疑問に答えるにはまず、『揚力』という言葉を理解しなければいけません。

揚力とはなにか?

揚力とは空気や水が流れているところに物体を置いたとき、垂直にかかる上向きの力のことです。

つまり、流れの中で物体が上へ上へと上がっていく力のことを言います。

具体的に言えば、飛行機が風の中を進んでいる時に、上へとかかる力のことをいいます。

つまり、飛行機は揚力があるので空へと上がることができるのです。

また、この流れの中で前への力を推進力、後ろへの力を抗力、下への力を重力と呼んでいます。

推進力があるから前に進むし、抗力が大きければ逆の方向に行ってしまいます。

もちろん揚力よりも重力が大きければ物は下へと落下してしまいますよね。

では、飛行機はなぜ、重力よりも大きな揚力を得ることができるのでしょうか?

2.飛行機が空を飛べるのはなぜ?

飛行機の翼を思い出してください。

 翼をぶった切ったらこんな形をしているはずです。

ちなみに進行方向は←左側です。

左に向かって進んでいくと考えてください。

では、これを踏まえて飛行機を発進させることにしましょう!

エンジンが点火され、どんどん前へと進んでいきます。

しかしまだ浮かんでいません。

最初は滑走路を車輪で走っているだけですよね!

この時の翼の様子を見てみましょう!

左に向かって空気をぶった切りながら飛行機は進んでいるので、もちろん気流は左から右へと流れていきます。

翼に沿うように気流が流れていきます。

この時、翼の下側と上側の気流は後ろの部分で出会い頭に渦を発生させます。

この渦は『出発渦』と呼ばれています。

滑走路には飛行機が飛び立つことで渦が発生します。

恐らく出発する時にできる渦だから出発渦なのでしょう。

翼の後端が尖っていることで速度と圧力に差が生じることで、上下の気流が出会ったときに渦が発生するのです。

つまり空気をぶった切りながら進むと尖った翼の後ろに渦が発生するということです。

そしてもう一つ翼には重要な渦が発生しています!

それが『束縛渦』です!

この渦は出発渦を打ち消すために出発流とは逆回転で、翼の周りを時計回りで回るように発生します。

このように飛行機が動き始めることで、翼には束縛渦と、出発渦が発生するということですね!

スピードが上がるにつれてこの渦のスピードも上がります。

ここであることに気づいた方がいるかもしれません。

束縛渦に注目してください!

翼の上側は同じ方向に向いているけど、翼の下側を回る渦の方向は気流と反対方向じゃないですか?

そうです!

まさしくここが重要なポイントとなってきます。

この束縛渦の影響で、上側はどんどん気流の速度は増していきます。

同じ方向へ向かうのでそうなりますよね!

しかし、反対に下側の気流の速度は渦の影響で上側に比べ遅くなってしまうのです。

反対側に行く力がかかれば遅くなりますよね。

つまり、上側と下側の気流の速度に差が生まれます。

その結果、上側の気圧は低く、下側の気圧は高くなります。

なぜ速度が変われば気圧が変わるんだ!!

イメージとしては、上側のスピードが速いので、空気が少なくなってしまうので気圧は低くなるけれど、下側は遅いから上側に比べれば空気は多いので気圧は高いというような感じです。

この差は飛行機のスピードが上がれば上がるほど大きくなります。

するとついにあの時が訪れるのです。

そう!飛行機が上へと上がる!

揚力が重力に勝つときが!

空気は気圧が高い所から低い所へ向かうので機体が持ち上がるのです!

空気が多い方から少ない方へ向かうのです。

速度の差、つまり気圧の差が大きければ大きいほどこの力は強くなります。

なぜ飛行機は飛ぶことができるのか?

それは、もの凄い速度で翼が気流をうけることで、翼の上下に気圧による差が生まれ、空気によって機体が持ち上げられるということです。

重い機体の重力よりも揚力が打ち勝ち、飛行機は空へと飛び立つことができるというわけです。

この揚力は気流に対し垂直に働きます。

3.翼のフォルム

この説明から翼の形が非常に重要であるということがお分かりいただけたかと思います。

翼の形には気流を迎える角度、つまり迎え角が重要になってきます。

もし、前側が後ろ側よりも低かったら揚力は生まれません。

揚力は前側の角度が後ろ側よりも上がることで発生するのです。

また、飛行機の羽が前が一番大きいわけではなく、流線型になっているのは、この方が揚力を発生させられるためです。

飛行機が空を飛ぶことができる理由は何となくお分かりいただけたと思います。

しかし、空を飛ぶことができるのは飛行機だけではありません。

ジェットエンジンなど搭載しなくても、遥か昔から空を飛び回っている奴らがいるではないですか!

そうです『鳥』です!

なぜ鳥はエンジンなしに飛ぶことができるのでしょうか?

4.なぜ鳥は飛ぶことができるのか?

もちろん鳥たちも同じように揚力を得ることで、空を自由に飛ぶことができます。

では、ジェットエンジンも無しに、なぜ飛ぶことができるのでしょうか?

その答えは2つあります。

まず1つは鳥は飛行機のように重くないということです。

非常に軽いのです!

鳥はたくさんの毛に覆われていますが、羽がかさまししているので本体は小さいです。

また、羽の軸も空洞になることで非常に軽くできています。

なので、非常に軽いということは、空へと飛び立つための揚力も少なくて済みます。

そしてもう1つが、翼を上下にストロークさせることで、推進力と揚力を生み出しているということです。

先ほど揚力は気流に対して垂直へ働くといいました。

鳥の翼ももちろん飛行機と同じ流線型をしています。

ではどうやって推進力や揚力を生み出しているのでしょうか?

鳥は飛び立つときに翼を広げ、下へと振り下ろします。

すると上図のように翼の斜め下側から気流が向かってくるという形になりますよね。

揚力は気流に対して垂直に発生するということは、斜め前に揚力が生まれるというわけです。

このように斜め前に力が生まれるということは前への推進力と、上方向への揚力を同時に発生させていることにもなります。

また、逆に振り上げる時には、斜め上からの気流を受けるため、下斜め前方向への力が発生します。

このままでは前へ進めても下へいってしまいます。

せっかく得た揚力を打ち消すわけにはいかないですよね。

なので羽の先端を使い上手く振り上げることで、下げる時に得た揚力を消さないようにしているのです。

なるべく空気に抵抗しないように振り上げるのです。

鳥は翼を上下させることで、前にも上にも同時に進めてるんですね!

もう少し補足すると、翼の基部はあまり動かさず、前からの気流によって得られる揚力に専念します。

先端にかけて大きく羽ばたかせることで前へと進んでいるわけです。

ある程度上昇し、風の流れに乗ることができれば、翼の方向を変え気流が当たる方向を調節します。

その結果、鳥たちは自由に空を飛ぶことができるのです。

私たちが翼を再現し、鳥のように羽ばたこうとしても重すぎて、飛ぶことはできません。

しかし、滑空といって高い位置から飛び降りることで、気流を翼に受けることができれば飛ぶことができます。

それがハングライダーです。

また、同じようにモモンガなどは羽ばたくのではなく、この滑空をしています。

5.さいごに

鳥以外にも空を飛べる動物がいます。

それはコウモリです。

コウモリはなんと飛ぶことができる唯一の哺乳類なのです。

鳥のように羽に囲まれているわけではありませんが、やはりコウモリも同じような形の翼を持っています。

少し鳥とは翼の構造が異なるため、飛び方が少しだけ変わりますが、基本的には同じでとても早く飛ぶことができます。

コウモリは実はすごいんですね。

飛行機の技術が発達し、私たちはどこへでも行けるようになりました。

いろんな国の初めて訪れる景色をみることは素敵な新しい経験になります。

このような新しい経験は体感時間を長くすることにもつながります。

飛行機で旅に出て、たくさんの経験を積むことで人生を豊かなものにしたいですね。

もちろん旅行だけが経験ではありませんが。

それに飛行機に乗った時にはもちろん!

飛行機や鳥がなぜ飛べるのかを思い出せますよね!