科学的に空から降りるにはどうすればいいでしょうか？

子供の頃、「カンフー」を見て、如来掌がとてもかっこいいと思いました。いつか自分もこのように空から降りて来れる日が来ることを夢見ていました。

その後、物理学を学び、特に自由落下について学んだ後、私はこの空想が決して実現されないだろうとますます感じるようになりました。それから、映画やテレビ作品、文学作品に出てくる「空から落ちてくる」シーンの科学性にも疑問を抱くようになりました。ねえ、誰が私に物理を勉強させたの╮(╯＿╰)╭。

傘を持って空から落ちる

カーテンパラシュート

そして、その下の服とズボンはパラシュートになっています。

欧陽鋒は土姑峰の頂上に閉じ込められていたことが判明した。彼は武術の達人であったが、高さ1000フィートの山頂から滑り降りることはできなかった。数日間、凍えと飢えに苦しんだ後、彼は突然あるアイデアを思いついた。彼はズボンを脱いで両足をきつく縛った。ズボンがしっかり固定されていないのではないかと心配した彼は、服を全部脱いでズボンの周りに巻き付けました。彼は両手でズボンのウエストバンドを掴み、歯を食いしばって山から飛び降りた。この方法はもともと非常に危険でした。それはただ生き残るための手段だったのです。他に計画はなかった。案の定、彼のズボンの片方には空気が入っており、下向きの勢いが大幅に弱まりました。

——射雁英雄伝説 第37話 空から落ちてくる

科学的に空から落とす方法を知りたい場合は、まず空から落とすときに空中で何が起こるかを知る必要があります。

終端速度

私たちは高校で自由落下について学びましたが、そのときには空気抵抗の影響は考慮されていませんでした。物体が高高度から落下して自由落下する場合、その速度は常に増加します。しかし実際には、空気抵抗が存在するため、高高度から落下する物体の速度は無制限に増加することはなく、終端速度と呼ばれる限界があります。

空気の浮力を無視すると、次の式が得られます。

Fdは空気抵抗です。

ρ は物体が落下する空気の密度です。

v は落下物体の速度です。

cd は物体の抗力係数であり、物体の形状などの要因に関連します。

Aは物体の投影面積です。

物体の落下速度が十分に速い場合、空気抵抗と重力は大きさが等しく方向が反対になるため、落下速度はそれ以上増加せず、終端速度に達します。落下物体の終端速度は次のように計算できます。

スカイダイバーがうつ伏せの姿勢をとり、パラシュートを開かない場合、終端速度は約55 m/s (約 195 km/h)になります。中国のDシリーズEMU列車の速度もほぼ同じです。スカイダイバーが手足を折り曲げて頭を下に向けて、アイアンマンの飛行に似た動作をすると、終端速度は90m/s（約320km/h）まで増加し、ハヤブサが獲物を捕まえるために飛び降りる速度とほぼ同じになります[1]。

1960年8月16日、アメリカ空軍のジョセフ・キッティンジャー大尉は、高度31,330メートルに浮かぶヘリウム気球のバスケットから飛び降り、記録を樹立しました。落下中の最高速度は秒速274メートルに達し、これは音速の約9/10に相当する[2]。この記録は、2012年にフェリックス・バウムガルトナーが高高度ヘリウム気球に乗って高度39,045メートルまで飛行し、その後飛び降りて最高速度373メートル/秒に達し、音速を破るまで破られませんでした。もちろん、この最高速度は高高度で達成されます。なぜなら、高高度では大気が薄いからです。

ジョセフ・キッティンガー |出典: Wikipedia

ここまで述べてきましたが、私が本当に言いたいのは、科学的に空から降下したいのであれば、空気抵抗を増やす方法がよい、ということです。落下時の空気抵抗を増やしたい場合、まず思い浮かぶのはパラシュートです。パラシュートは、主としてその巨大な投影面積によって空気抵抗を増加させます。

パラシュートは終端速度を90%以上低減することができるため、パラシュートを装着した人は3～4m/s（約12km/h）という比較的低速で地面に着地することができます[3]。

一般的なパラシュートには主に 2 つのタイプがあり、1 つは丸型パラシュート、もう 1 つは翼型パラシュートです。

丸傘 |出典: explainthatstuff.com

パラフォイル |出典: explainthatstuff.com

ラウンドパラシュートはその名の通り、クラゲのような形をした丸いパラシュートです。パラシュートは主パラシュートと予備パラシュートから構成されます。予備パラシュートはメインパラシュートが開かないときに使用されます。

円形のパラシュート構造（1はガイドパラシュート、3はパラシュート上部の穴、4はメインパラシュート、9は操縦桿） |出典: explainthatstuff.com

メインパラシュートを開くには、一般的に 2 つの方法があります。1 つは、ロープを引っ張ってパラシュートバッグを開く方法で、パラシュートバッグ内のガイドパラシュートが最初に飛び出し、メインパラシュートを開くのに十分な引っ張り力が発生します。 2番目の方法は、ロープを引いて安定パラシュートを開くことです。同時に、ロック解除装置が計時を開始します。数秒後、安定パラシュートの制限が解除され、メインパラシュートを引き出して開くことができるようになります。 [4] 上の写真の1は誘導パラシュートです。

写真の小さなパラシュートはスタビライザーパラシュートです。 |出典：「Our Sky」WeChat公式アカウント

この図からわかるように、メインパラシュートが解放されると張力が急速に増加します。

パラシュート降下後のスカイダイバーにかかる力の変化の模式図 |出典: hypertextbook.com

よく観察すると、丸い傘には必ずいくつかの「穴」があるように見えることに気が付くでしょう。これは実際には「穴」ではなく通気口であり、意図的なものです。上部の穴はクラウンホールと呼ばれ、空気がドームの「スカート」からではなく上部からゆっくりと抜けるようにし、パラシュートの揺れを軽減するのに役立ちます。さらに、ジョイスティックを使用して前後の排気穴の開閉を制御することで、下降速度を制御し、移動方向を変更し、層雲風の影響を弱め、揺れを軽減することができます。

パラシュートの「スカート」には、前面と背面に排気穴があります。 |出典：「Our Sky」WeChat公式アカウント

傘をパラシュートとして使ったらどうなるでしょうか？傘が十分に丈夫でない場合、風で倒れたり、傘のカバーや傘骨が吹き飛ばされたりします。傘が十分に丈夫だとしても、すぐに喜ばないでください。傘は横に飛ばされてしまいます。したがって、傘をパラシュートとして使うことはやめてください。

出典：Guokr.com[5]

丸型パラシュートに加えて、もう 1 つの一般的なパラシュートは、翼型パラシュートの略称であるウイングパラシュートで、翼型滑空パラシュートまたは滑空パラシュートとも呼ばれます。名前の通り、空中を滑空することができます。パラフォイルはほとんどが長方形で、刻印されたデザインです。

ラムフォイルパラフォイル |出典: hypertextbook.com

いわゆるラム型は上の写真のようなタイプです。パラフォイルの翼の上部と下部の表面は気密性のある布で作られています。翼の上部と下部はリブによって接続され、多数の小さな空気室に分割されています。各リブには通気孔があり、空気室間の空気循環を促進し、降下時にパラシュートを素早く膨らませることができます。

出典：中国軍事テレビ

パラフォイルの前縁は開いており、後縁は閉じています。滑空時には、前縁の開口部から空気が流入し、各小気室に空気が満たされて翼の形状を形成し、優れた操縦性を発揮します。

出典：中国軍事テレビ

軍隊では丸型パラシュートと翼型パラシュートの両方が使用されていますが、使用シナリオは異なります。主な理由は、2つのパラシュートの降下率と操縦性が異なることです。

滑空比は速度を垂直方向と水平方向に分解します。水平方向の速度と垂直方向の速度の比が滑空比です。丸型パラシュートの滑空比は一般的に約1:1ですが、翼型パラシュートは翼状のパラシュートのため滑空性能に優れ、滑空比は一般的に3:1です。同じ高度では、丸型パラシュートは翼型パラシュートよりも滞空時間が短くなるため、素早く着陸しやすくなります。さらに、翼型パラシュートは丸型パラシュートよりも操縦性が高く、正確に着陸しやすくなります。

正確な着地、的を射る |出典：「Our Sky」WeChat公式アカウント

円形パラシュートは、比較的狭い範囲と比較的低い高度で多数の部隊を迅速に展開するのに非常に適しています。しかし、スカイダイバーがパラシュートの着地地点を制御するのは難しいため、パラシュートが着地する前に航空機が目標エリア上空を飛行する必要があります。これには敵の砲火に直接さらされる必要があり、危険で奇襲性も欠けていたため、着陸前に敵の防空システムを破壊する必要があった。さもなければ、空挺部隊は着陸前に大きな損失を被る可能性がある。[6]

円形パラシュートは部隊を密集して展開するために使用できます |出典: Wikipedia

パラフォイルは、1メートル下降するごとに水平方向に3メートル滑空できるため、空中で長距離を滑空することができます。高度5,000メートルでスカイダイビングをすると、15キロ離れた場所に滑空して着陸することができます。よく訓練された空挺部隊員は目標地域からかなり離れた場所からパラシュートで降下し、パラフォイルを操作して障害物や危険地域を回避し、目標地域まで滑空して着陸することができるため、作戦の隠蔽性と突発性が大幅に向上します。[6]

しかし、空中でパラフォイルを制御するのは難しく危険であり、空挺部隊員には非常に高いパラシュート降下技術が要求されます。したがって、パラフォイルは主に空挺作戦における予備的な侵入襲撃、その後の大規模な空挺部隊の支援、または特定の特殊作戦任務の遂行に使用されます。

映画「オペレーション・レッド・シー」にはパラグライダーが登場するストーリーがある。映画の最後の黄色いケーキを奪うシーンでは、静かに襲撃を仕掛けるために、チームのメンバーは目標地点からまだ2キロ離れたところでウイングスーツ滑空を開始し、パラグライダーを開いて着陸することで、奇襲効果を実現した。

映画「オペレーション・レッド・シー」に登場するウイングスーツとパラフォイル

資格のあるスカイダイバーになるには、多くのトレーニングを受ける必要があります。たとえば、風洞内での高高度自由落下の練習が必要な場合もあります。下には巨大なファンがあり、人を吹き上げてスカイダイビングのシーンを再現することができます。

風洞実験

スカイダイバーが風洞で訓練 |出典: ForGIFs.com

最後に、記事の冒頭で述べた質問に答えると、傘を空から安全に落とすことができない場合、カーテンは使用できるのでしょうか?計算してみましょう。参考文献[7]はロケットの質量を入力して必要なパラシュートの直径を計算するロケットパラシュートサイズ計算機である。人間とロケットは異なりますが、人間をロケットとして計算してもよいでしょう。質量が60kgだとすると、4m/sの速度で着陸する場合、パラシュートの直径は約10m必要になります。そこで質問なのですが、このような大きなカーテンはどこで見つけられるのでしょうか?

したがって、カーテンパラシュートや衣服パラシュートについては忘れてください。科学の成果であるパラシュートを使って科学的に空から降りてみましょう。

残念なことに、物理学を勉強した後、人生には奇跡が欠けているだけでなく、幻想も欠けていることに気づきました。物理学を学んだ後の人生はとても平凡で、退屈で、つまらないものです。