小学生でもわかる「なんでヘリが飛ぶか」
まずは飛行機がなぜ飛ぶかをおさらい
なんでヘリが飛ぶか。というお話ですが
まずは飛行機がなぜ飛ぶか(翼がどう揚力を生むか)
を理解してもらうことからはじめよう。
じゃないとヘリの話にすすめないので…
さらっと揚力と書きましたが
「揚力＝物を浮かせる上向きの力」
くらいの認識で大丈夫です。
ではまず、なぜ翼が揚力を生むかという話ですが
飛行機の翼の断面は、上の絵のようになってます。
図の通り、前の方からすげえ速さで風が当たると
翼の上よりも下のほうの圧力が高くなります。
圧力が高い方→低い方に物は動くので
翼で十分に圧力差を産むと飛行機みたいな
重たいものを浮かせることが可能なわけです。
んー、わかりづらいか？
ってことで調べてたら、以前
「チコちゃんに叱られる」で
同じテーマを行ってたみたいなので
そこから抜粋しときます。笑
揚力の正体＝翼の下は風船から空気が出ようとする感じで、翼の上はストローで吸い上げられる感じ
上の画像では緑色が通常の圧力
赤や黄色が圧力が高いところ
青や水色が圧力の低いところ
で表示されてるみたいです。
翼の下で押し上げる力と、翼の上で
引っ張り上げる力＝揚力が生まれる。
というところで、この揚力と重量の
釣り合いが取れると機体は宙に浮くわけです。
これ以上はややこしすぎて9割の人が
脱落するので、説明はここまでということで
チコちゃんですら説明を放棄していたので
私ごときがこれ以上説明しても
ドツボにはまるのでこれくらいにしときます。笑
ヘリのメインローターも同じ断面してる
ヘリのメインローターブレード(羽根)も機種によって
微妙に形は異なりますが、上の写真のように
飛行機の翼と同じような形状をしています。
先程述べたように、翼というのは
前方からすげえ速さで風を当てて
揚力を生んでいるわけです。
ヘリを思い出して頂くと
メインローターがすげえ速さで
回ってると思います。
つまり、すげえ速さでメインローターを回し
ブレードの前縁にすげえ速さで風を当て、
1枚1枚が揚力を生んでいます。
この時、メインローターブレードの先端(外側)
の速度はマッハ0.8にもなります。
ちなみに、青い縞の場所(中心から30%くらい)は
風はあたってるけどあんまり
揚力を発生させていない領域になります。
(先端に比べるとあたる空気の速度が遅いから)
羽根の先端がマッハに近い速度で風を叩くので
そりゃあヘリはうるさいわけですよ…
こんな感じで、ブレード一枚一枚に注目して
先端やら根本の速度やら揚力を考え始めるのを
「翼素理論」とかいうんですけど
これを話し始めると…
・ヘリってメインローターブレードそれぞれが
独立して揚力を生み出してるわけ？
・前の翼から発生する空気の乱れとか関係ないの？
・よくわかんねえんだけど…
となって9割9分の人が脱落するので
考えてはいけません。
そんなイメージを
なんかうまいこと払拭してくれそうな理論が
「運動量理論」
てやつです。
ブレード1枚ずつだとイメージしづらいからまとめたモデル作るわ…
運動量理論ってなんやねん。
という話になると思うのですが
ヘリのメインローターを、ひとつの作動円盤(無限に薄い)と仮定して前後を通過する空気の運動量の変化から推力を計算する考え方。
わかりにくいんで要約すると…
ブレードの枚数とか翼の形なんて関係なく
回った瞬間に俺らが見えるの1枚の円盤だろ。
じゃあその上と下の圧力の差だけ
考えたらなんで浮くか説明できるじゃん。
厳密な運動量理論で円盤の前後で変わるのは
圧力ではなく誘導速度という速度なんですが…
一番最初に「飛行機の翼がなぜ揚力を生むか」
を翼の上下の気圧の差で理解した
ボーッと生きていないみなさんには
便宜上、作動円盤の上下で気圧が変化している。
とお話したほうが円盤が揚力を生む感じを
理解してもらえるかと思います。
1枚1枚のローターブレードが高速回転して
ブレード(翼)の上下で圧力差が生まれてるなら
こいつらを1枚の円盤として考えたときにも
円盤の上下で圧力差がうまれているわけです。
圧力差がある＝揚力がある
なので、運動量理論というざっくり理論でも
上抜きの浮く力である揚力が
発生していることになります。
理解していただけました？？
だからヘリは前に進まなくても浮く！
これまで聞いた事があったのではないでしょうか。
ヘリはどれだけゆっくり飛んでも
墜落しない(失速しない)、と。
今回のnoteを読んで、その理由が
わかってもらえたと思います。
飛行機はエンジンによって推力を発生させ
ものすごい早さで機体を前進させます。
そこで生まれた風を翼に当てることで
揚力を発生させているため、
常にすげえ速さで前に進む必要があります。
その一方ヘリコプターは、翼の形をした
ローターブレードそのものを高速回転させ
円盤前後の圧力を変化させて
揚力を発生させています。
そのため、前に進まなくても浮くことが
できるんです。(ホバリング)
すごいですねえ…
ただ、すげえ早さで回転させることの
代償ももちろんあるわけです。
作用-反作用というものです。
機体の上で音速に近い速度で物を回してるので
反対方向にもすげえ力がかかります。
この力を打ち消すためにテールローターといって
後ろで回る羽根があるのですが
それはまた次にお話します。
小学生でもわかるシリーズはこちらです👇
小学生でもわかる「なんでヘリが飛ぶか」でした。
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