飛行機はなぜ飛べるのか？4つの力と翼の形状の秘密

こんにちは、『エンジニアの未来』編集部　望月です。

機械や電気電子に興味がある理系学生のみなさんの中には、幼少期の頃などに「飛行機はなぜ空を飛べるのか」と考えたり調べたりした経験をお持ちのかたも多いと思います。まるで鳥のように空を翔る飛行機は魅力的で夢がありますね。

機体の重量に、乗客や荷物、燃料も足すと合計数百トンにもなる飛行機を空に浮かせるためには、どのような力が働いているのでしょうか。今回は飛行機に必要な力についてご説明します。

◆飛行機を操る4つの力

飛行機が空を飛ぶためには、4つの力が絶妙なバランスで働いています。

1.    推力（すいりょく）: エンジンによって生み出され、飛行機を前進させる力です。
2.    抗力（こうりょく）: 空気抵抗によって生じる、飛行機の進行を妨げる力です。
3.    揚力（ようりょく）: 翼の形状によって生み出され、飛行機を上へ持ち上げる力です。
4.    重力（じゅうりょく）: 地球が飛行機を引っ張る、下向きの力です。

飛行機を前へ進める力となる「推力」は、引き戻そうとする「抗力」に負けない力を発揮し、また、飛行機が浮くための「揚力」は、地球の引力により地面の方へ引き寄せる「重力」の働きにに負けない力を発揮した上で、どちらも力が釣り合うように調整される必要があります。

つまり、推力（←）と揚力（↑）、抗力（→）と重力（↓）が絶妙なバランスとなることで安定して飛行しているのです。



◆翼の形状がつくる「揚力」について

飛行機の翼は、上側が膨らみ、下側が平らな形状をしています。飛行機が前進して正面からの風を受けると、上側の空気の流れは速く、下側の空気の流れは上側よりも遅くなり、空気の流れに差が生まれます。
「空気の流れ速度が速いほど圧力は低くなる」という現象（ベルヌーイの定理）が当てはまるため、翼の上側のほうが、下側よりも圧力が低くなります。その圧力差によって上向きの揚力（飛行機を持ち上げる力）が発生するのです。飛行機の速度が速ければ速いほど、揚力も大きくなります。

しかし、着陸から離陸までの間に必要な揚力は一定ではなく、浮かび上がるために必要な揚力と、浮かび上がった後に必要な揚力は異なります。その調節は、翼に入っている切れ込み（スラット、フラップ）によりコントロールしています。

※ベルヌーイの定理：流体の総圧（静圧 + 動圧）は一定である。そのため速度が上がると動圧が高くなり、静圧が低くなる。
※静圧とは、流体が静止している時に受ける圧力。動圧とは、流体が運動している時に生じる圧力。


◆エンジンが生み出す「推力」について

飛行機を前進させる推力は、ジェットエンジンやプロペラによって生み出されます。ジェットエンジンは、燃料を燃焼させて高温高圧のガスを後ろに噴射することで前に進む推力を得ます。膨らませたゴム風船の口を解放してゴム風船を飛ばすのと同じ原理です。
プロペラから推力を得る仕組みは、プロペラを回転させて空気を後ろに押し出すことで前に進みます。

そのためジェット機は長距離飛行や高速飛行に適し、プロペラ機は、燃費が良く、騒音が少ない、また短距離離着陸ができるというメリットを生かし短距離飛行や小型飛行機によく使用されています。

以上が、飛行機はなぜ空を飛べるのか、についての簡単なご説明になります。実際にご自身で航空機の開発、製造に関わってみて、もっと深く知識を深め、空を飛ぶ夢を叶える仕事に携わりたいと思いませんか？

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