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自由研究  ⇒ 物理

飛行機はなぜ浮く

物が浮くには、空気より軽いことが条件ですね。
スーパーなどが開店したとき、空中に浮いているゴム風船をもらった経験があるでしょうか。
あの風船の中には、ヘリウムという物が入っています。ヘリウムは空気より軽いので、(膨らんでいる風船の体積分の空気の質量)>(風船中のヘリウムの質量+風船の質量+風船に付いている糸の質量)という関係があるとき、風船は空中を上昇していくわけです。
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では、飛行機の中に軽い気体が入っているかといえば、入ってはいません。
入っていたら飛行船になってしまいます。
この答えのヒントは、飛行機は宇宙では飛べないということと、翼の断面の形です。
スペースシャトルに翼があるのは、大気圏(空気のあるところ)を滑空するためのもので、宇宙空間を飛ぶためではありません。
下図を見て下さい。

上図のように、飛行機が浮くというのには空気の流れが必要です。
そのために、飛行機は飛び立つときに滑走しなければなりませんし、ヘリコプターのように空中に止まって居られないのです。
湾曲している翼の上面に沿って流れる空気には遠心力が働き、翼の近傍の空気は上方に動きます。
すると、空気の量が減るので翼の上面近傍の気圧が低くなります。
流線曲率の定理
他方、翼の下面付近の気圧は変わらないので、翼には翼を上に圧すように大気圧が働いて翼を浮かせます。
ベルヌーイの定理だけによる説明は間違いです。
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翼が揚力を生む理由は、一般的にはベルヌーイの定理によって説明されています。
上図で、湾曲した翼の上面を流れる空気と平らな下面では上面の方が空気が流れる速度が速いので上面の気圧が低くなり、大気圧で下から上に押されるというものです。
ベルヌーイの定理での最大の弱点は翼の上面を流れる空気の速度が下面を流れる空気の速度より速い理由の説明にあります。

更に、飛行機が背面飛行できることから、翼で空気の進行方向を下向きに変えているからその反作用で浮くことが出来ると説明されることもあります。


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