飛行機が浮く理由を、「翼の上を通る空気は遠回りだから、下の空気と同時に着くため急ぐ」と聞いたことはありませんか。上と下へ分かれた空気が、後ろで同時に再会しなければならないという決まりはありません。もっともらしい物語を条件として足さず、空気の流れと翼に働く力を見ていきましょう。
流れに対する向きで、揚力と抗力を分ける
翼に働く空気の力のうち、もとの流れに垂直な成分を揚力、流れに沿って運動を妨げる成分を抗力と呼びます。水平に進む飛行機を横から考える場面では、上向きの揚力と後ろ向きの抗力を描けます。ただし、揚力という名前だけから、どんな姿勢でも地面に対して真上を向くと決めないでください。
翼の周りでは流れの速さや圧力が場所によって異なり、表面に働く圧力の力を全体として合わせることで空気力を考えられます。また、翼が周囲の空気の流れを曲げる側から考えることもできます。圧力の説明と作用・反作用の説明は、別々の原因を足して二倍の力にするためのものではありません。同じ現象を異なる見方で捉えています。
ここで専門的な流れの式を覚える必要はありません。大切なのは、「上面の道のりが長い」という形の比較だけでは、空気が通る時間を決められないことです。翼の形、流れに対する角度、流れの状態などを考える必要があります。図に二本の矢印を描いただけで、二つの空気の粒の到着時刻まで確定させないようにします。
翼を傾ければ、いつでも浮く力が増える？
流れに対する翼の角度を変えると、働く力も変化します。しかし、角度を大きくし続ければいつまでも揚力が増える、とは限りません。流れが翼の表面から大きく離れる状態では、揚力の性質が変わります。表が与えられたら、測定された範囲を読み、その先まで直線で伸ばして予想しないことです。
同じ角度でも、風速、翼の大きさや形が異なれば結果は違います。実験で紙の翼を取り替えたとき、角度以外の条件を同時に変えていないか確認します。「曲がった紙が浮いた」という観察だけでは、上の空気と下の空気の通過時間を測ったことにはなりません。見えた動きと、測定していない説明を区別します。
例題1 水平に一定の速さで飛ぶとき
水平に一定の速さで飛ぶ模型に、下向きの重力が8N、後ろ向きの抗力が3N働いています。上向きには揚力、前向きには推力だけが働く単純化した模型とします。揚力と推力はそれぞれ何Nですか。Nは力の単位です。
答え・解説： 上下方向では揚力8Nが重力8Nとつり合い、前後方向では推力3Nが抗力3Nとつり合います。8＋3＝11Nを一つの方向の力として扱ってはいけません。方向の違う力を分けて整理します。飛んでいるので上向きが必ず大きい、という判断も違います。一定の高さで等速なら、力はつり合う設定です。
揚力と重力は同じ模型に働く二つの力です。一方、翼が空気に与える力と空気が翼に与える力は別の物体へ働きます。この二組をどちらも「反対向きだから同じ」とまとめず、矢印を描く対象を確認しましょう。
例題2 角度と揚力の表を読む
同じ模型、同じ風速で、角度だけを変えた教材用の測定表があります。0度で2N、5度で5N、10度で8N、15度で6Nの揚力でした。表の中で揚力が最大なのはどの角度ですか。また、20度の揚力を11Nと予想できますか。
答え・解説： 測定された四つの値では10度の8Nが最大です。0〜10度だけを見ると5度増えるごとに3N増えていますが、15度では6Nに下がっています。したがって同じ増え方を続けて20度を11Nなどと決めることはできません。20度の値はこの表にはなく、追加の測定やモデルが必要です。
また、真の最大値が必ず10度ちょうどともいえません。10度と15度の間など、測っていない角度があるからです。「調べた条件の中で最大」と「すべての角度で最大」を分けるのが、実験表を読むときの大事な言い方です。
一枚の断面図から、勝手な約束を作らない
翼を通る二つの空気のかたまりを描く場合、一緒に出発したから一緒に到着する、とは限りません。通る長さが分かっても、速さや時間の情報がなければ計算できないことは、旅人の運動でも同じです。理科らしい専門語が出てきても、問題にない条件を足さない姿勢は変わりません。
揚力の詳しい計算をしない小学生の段階でも、力の矢印、実験条件、表の範囲は扱えます。浮く原因を一言で暗記するより、「どの物体に働く力か」「流れのどちら向きか」「測った値はどこまでか」を書けるようにしておくと、初めての図にも対応できます。
力の組み合わせは作用・反作用とつり合いへ、動いていてもつり合う例はパラシュートの一定の落下速度へつなげて確認してください。