飛行機が飛ぶ仕組み「揚力」を初心者目線で理系ライターがわかりやすく解説

ライター／R175

関西のとある理系国立大出身。エンジニアの経験があり、身近な現象と理科の教科書の内容をむずびつけるのが趣味。教科書の内容をかみ砕いて説明していく。

1.揚力

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揚力とは、読んで字の如く「揚げる(あげる)力」。検索すると、「流体の流れと垂直の向きに働く」という説明があります。飛行機の例で見ると、流体(空気)は前後方向に流れているのに対し揚力は上下方向、つまり空気の流れと垂直な方向です。

流体（空気）の流れが途中で方向が変えられることで発生しています。まずは、流体の向きが変わる=曲がった時どうなるか見ていきましょう。

2.流体の流れが曲げられた時

「流体の流れが曲げられる」ことが揚力発生に大きく関わっています。空気や水といった「流体」が流れている最中にカーブに差しかかった時何が起こるのでしょうか。

2-1.曲がった川の流れ

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流体の流れが曲がった時の現象を整理するため、曲がった川の流れを例に見ていきましょう。直線部分では同じ速度で流れているとしましょう。これがカーブに差しかかっても川の水としては直進しようとします。イラストのようなイメージ。水は川の外側を行こうとすることが想像できますね。

2-2.外側と内側の水圧

カーブの外側は水がたくさん集まってこようとするため圧力が高く、内側は圧力が低くなります。これは曲がった川に限らず、空気や油など他の流体でも同様。流れが途中で曲げられた場合、そのカーブの部分では外側が圧力が高くなり内側で低くなるのです。

3.翼に働く力（圧力を使った説明）

翼の形は、やって来た空気の流れ方向を「上手いこと」変える構造になっています。前から後ろに流れる空気の流れをどのように変えれば上方向の力を発生させられるのか？見ていきましょう。

3-1.翼の上側と下側での空気の流れ

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翼の上側と下側でどのような流れが発生しているのか？

まずは翼の上側から。イラストで左からやってきた空気は翼の上側でイラストに示すような向きに曲がるようま翼の形状設計です。曲がる方向が非常に重量で、翼に近い側が内側になるようにしています。翼のすぐ上の辺りは、2項でいうところ「カーブの内側」であり、圧力が下がる箇所です。

一方翼の下側は、翼に近い側がカーブの外側になるような設計になっています。翼のすぐ下の辺りは2項で言う「カーブの外側」、つまり圧力が高い箇所に該当。まとめると、翼の上側は圧力が低く下側は圧力が高い状態。

3-2.翼に働く上下方向の力

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空気は圧力高い方から低い方に移動しようとしますね。3-1より、翼の下側は圧力が高く、上側で圧力が低いので、空気は下→上に移動しようとして力は上向きに働きます。これがまさしく揚力です。確かに揚力は、気流の向き(前後方向)に対し垂直な向き(上下方向)。この力により機体は空中に浮くことが出来ます。

4.翼に働く力～作用反作用を使った説明～

翼に働く上向きの力「揚力」は、空気から翼に働く力の作用・反作用から考えることも出来ます。流体の流れが曲がった時外側で云々、内側で云々といった話が出てこないので取っつきやすいかもしれません。

しかし、この説明では翼の上側で噴流（ジェット）が発生しているという仮定が必要になります。

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4-1.翼の下側での力の作用

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作用、反作用で揚力を考える場合は翼の下側の方が取っつきやすいので先に見ていきましょう。イラストのように、翼の下側の斜めの面に左から右に空気衝突。この時、翼によって空気は下方向に押し下げられますね。これが作用の力。対して、反作用の力は空気が翼を押し上げる力。上向きに働き、これが揚力の元になります。

斜め向けに持った下敷きに風を当てると上に浮いていくのが想像できますね。作用反作用で説明すると、翼下側に関しては至ってシンプル。問題は翼上側。

4-2.翼の上側での作用反作用

作用反作用で揚力を考える場合、翼上側での挙動説明が少々厄介。イラストのように左から右に空気が流れてくるわけですが、翼の上に差し掛かったところでどうなるの？というところが直感的にとらえづらいですね。

このように流れの途中で壁（この場合は翼の上面）が現れた場合は壁に引き寄せられるという性質があります。壁（翼上面）が空気をを引き寄せるのが作用の力であれば、反作用は空気が壁（翼上面）を引き寄せる力。つまり空気から翼に上向きの力が働くことになります。

ただし、空気が壁に引き寄せられるというのは噴流（ジェット）が発生しているという仮定が必要。なぜなら、壁に引き寄せられるという現象（コアンダ効果）は噴流ありきの現象だから。噴流は流れが進むにしたがい、運動量は保ちつつも、エネルギーは減少していくという性質を持ちます。つまり、噴流は質量が増加し続ける必要があり、このためには周囲の流体を引き込むのです。

もし、噴流のそばに壁があり流体を引き込めない場合は噴流が壁に引き込まれることになります。これが壁に引き寄せられる所以。噴流ありきの説明となってしまいます。

5.揚力の大きさを表す式

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揚力には何が影響しているか定量的に見ていきましょう。揚力Lは上記のように表せます。

流体の密度の1乗、速度の2乗、翼の面積の1乗に比例することが分かりますね。なるべく大きな揚力を得るにはどうしたらよいか？流体の密度とは空気の密度のことで、これはなかなか変えづらい。速度は2乗に比例、揚力への影響が大きいということ。そのため、飛行機は高速で飛び続ける必要があるのです。もし巡航速度を半分に落としてしまったら、揚力は1/4にまで落ちてしう。また翼の面積も影響していて、想像通り大きな翼をつけた方が大きな揚力が得られることが確認できます。