天気が暑すぎるので、「空に飛んで」太陽に教訓を与えたいですか?役立つ 3 つの方法をご紹介します。

「空に飛んで太陽と肩を並べたい…」

飛ぶことは昔から人間の心の奥底に秘められた夢でした。この夢のおかげで、凧、水素気球、そして現代の航空機が誕生しました。

航空宇宙に関する書籍や文書を調べてみると、現在、人間が宇宙に飛ぶ方法は 3 つしかないことがわかります。

1位

空気より軽くなる

標準条件下では、空気の平均相対分子量は 29 です。空気よりも分子量が小さいものを見つけられれば、空気中に浮遊することができます。十分に「軽い」ものであれば、水素風船やヘリウム風船など、人を「飛ばす」こともできます。

空気より軽い気球、画像提供：中国科学院

中国初の水素気球は、清朝末期の軍事専門家、華恒芳によって作られた。彼の水素風船の作り方は、今日では非常に簡単なようです。彼は強酸と金属を反応させて水素を生成し、その水素を風船に充填しました。

「陸軍士官学校でのバルーン打ち上げ」 - 華恒芳のバルーン打ち上げ

私たちがよく知っている熱気球は、空気より軽い水素やヘリウムの代わりに熱い空気を使用します。気体の密度は絶対温度に反比例するため、温度を上げると気体の密度と質量が減少し、空気より軽くするという目的を達成できます。古代の孔明灯は最も古い熱気球です。

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水素気球にしても熱気球にしても、どちらも良いのですが、飛ぶ方向を制御するのが難しいのです。飛行姿勢や方向をより良く制御するために、人々は「より軽くなる」という考えに基づいて飛行船を設計し、製造しました。

飛行船には揚力を得るために空気より軽いガス（通常はより安全なヘリウム）が充填され、その後、飛行船にエンジンが搭載されて飛行船の水平移動のための推進力を供給し、飛行姿勢を制御します。

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No.2

空気圧差を作って空中に浮かぶ

物体が空中を飛行する場合、上面の空気流量を下面の空気流量より大きくして気圧差を形成することも飛行を実現する方法の 1 つです。

物体は上面と下面の間に気圧差があると揚力を得ることができます。この揚力が地球の重力を克服できるほど大きければ、物体は地面から離れることができます。

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鳥は気圧の差を利用して飛びます。鳥は、空気力学を巧みに利用した翼、硬くて軽い中空の骨でできた骨格構造、発達した胸筋、独特の呼吸器系、軽くて絹のような羽毛など、飛ぶための自然な物理的条件を備えています。

鳥が飛べる主な理由は、「気圧差を生み出す」という飛行の知識を習得しているからです。鳥が空中を滑空するとき、空気は翼の上部と下部の間に圧力差を生み出し、上向きの揚力を生み出し、鳥を空中に留めて落下を防ぎます[6]。

さらに、鳥は能動的な羽ばたき飛行を利用して、ある程度の空気力学的揚力を生み出します。鳥の翼は羽ばたくと飛行機のプロペラやジェット推進装置と同じ働きをし、鳥は連続した飛行状態を維持することができます。

実際、初期の魯班が作った木製の鳥やレオナルド・ダ・ヴィンチが作った羽ばたき飛行機は、どちらも鳥の飛行状態を模倣して離陸という目的を達成しようとしましたが、その飛行計画はすべて失敗に終わりました。その理由は、空気力学の原理を理解しておらず、鳥の翼の幾何学的形状や羽ばたき方を盲目的に模倣していたためである。

レオナルド・ダ・ヴィンチの鳥飛行機の絵。画像出典: ブリタニカ

しかし、人々が空気力学を理解し、凧のような固定翼航空機を開発するようになってから、空を飛ぶことに成功した近代的な交通手段、飛行機が誕生しました。飛行機と凧の飛行原理は同じで、どちらも翼の上部と下部の空気の流れの速度の違いによって圧力差を生み出し、揚力を生み出します。

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つまり、鳥、凧、プロペラ、ジェット機、ヘリコプターなど、すべて「圧力差を生み出す」ことで飛行しますが、上昇するための条件を得る方法は異なります。

No.3

勢いをつけるために物質を下向きに吹き付ける

飛行の目的が地球から脱出することである場合、最初の 2 つの方法は適用できない可能性があります。宇宙は無重力環境であり、基本的に空気はなく、圧力差は発生しないためです。したがって、飛行を達成するには他の力が必要です。

ロケットが打ち上げられる。画像出典：中国の有人宇宙飛行公式サイト

ロケットの場合、燃料だけでなく酸化剤も搭載しているため、エンジンの動作に空気は必要ありません。

さらに、エンジンの燃焼室内で燃料と酸化剤が燃焼して大量の高圧ガスが生成され、エンジンのノズルから高速で噴出されます。すると、ロケットはガスジェットと反対の反力を得て離陸できるようになります。

物質を下方に放出して飛行させるこの方法は、実は 17 世紀初頭にニュートンによって明確に説明されていました。「ある質量をある速度で後方に投げると、反作用の力によって前方に押し出され、加速する。」

現代の航空宇宙機では、より高い飛行目標を達成するために、設計者はこれら 3 つの「飛行」方法のいずれかを単に使用して航空機を製造するのではなく、それらを組み合わせて適用します。たとえば、超音速戦闘機は、より速い飛行速度を達成するために、物質を後方に噴射するラムジェットエンジンを使用します。

これまで人類が習得した飛行方法は、「空気より軽くなる」「気圧差を作る」「物質を下方に噴射して飛行力を得る」といったものに過ぎませんが、近い将来、より実用的な空を飛ぶ方法が発見される日が来るでしょう。

空はドームのようになっており、全体を覆っています。私たちの活動の大きな領域は空であるべきです。空には未知のものが多すぎる。これらの未知のものを排除するために努力すれば、人類の文明は大きく発展するでしょう!

この記事は、中国科学普及協会が制作し、肖俊白（中国科学院光電子工学研究所）が執筆し、中国科学普及博覧会が監修しました。

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