飛行機はなぜ背面飛行が出来るのでしょうか

質問

飛行機の翼は断面を見ると上側が膨らんでいて下側が平らだから、
上向きに揚力が働くと、ものの本には書いてありますが、
もしそうならなぜ飛行機は背面飛行が出来るのでしょうか。

上向きに揚力が働くように翼が設計されているのだとすれば、
背面飛行になったら翼には下向きの揚力が働いて、すぐ墜落してしまうのではないかと思えるのですが、違うのでしょうか。
なぜ飛行機が背面飛行が出来るのか教えて下さい。

回答No.11

porco909

同様の質問が頻出するのは、正しい説明がされていないからでしょうかね。

飛行機が飛ぶのは、翼で空気に下向きの運動量を与えているからです。
簡単に言うと翼は空気を下向きに押しています。そして、その反作用は
空気から翼にかかる上向き力になります。これが揚力です。

飛行機の姿勢を調節して空気に下向きの運動量を与えるようにすれば
背面飛行も可能です。
飛行機の操縦で大切な迎角のコントロールですね。

揚力は翼の形状（上下の脹らみ等）によらずに発生させることができますから
平らな板でも飛べますが、この場合は空気抵抗が大きくなってしまいます。
空気抵抗をできるだけ減らすように工夫した結果が、今の翼の形状です。

回答No.10

naniwacchi

昇降舵の効果が大きい。というところでしょうか？
以下、ご参考まで。
http://okwave.jp/qa/q7692655.html

参考URL：

http://okwave.jp/qa/q7692655.html

回答No.9

fxq11011

簡単に言ってしまえば、落ちる分上げ舵で（機体にとっては下げ舵）上昇すればプラスマイナス０。
エンジン出力上げて上昇は飛行姿勢は変わりませんが、昇降舵によるときは機首を上げます。
水平飛行の場合、通常姿勢に比べ背面飛行は機首を上げているはずです、理由は他の回答者の説明にあります。

回答No.8

noname#195146

物理学辞典（培風館）の「揚力」の説明は書きの通りです。

-----------------------------
流体中を進行する物体、特に翼に働く力の中で垂直な成分をいう。特に完全流体中の流線型の翼に働く力はほとんど揚力であり、音速より遅く流れとの傾き（傾き角α）が小さい限り揚力係数C_L（揚力Lを(1/2)ρU^2Sで割った無次元量、ρは流れの密度、Uは流速、Sは翼面積）はsinαに比例する。一般に物体のまわりの渦度の総和を循環Γで表せば、LがρUΓに等しくなるというのがクッタ-ジューコフスキーの定理であり、揚力が流れを押し下げて下向きの運動量を与えることに対応する。
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>飛行機の翼は断面を見ると上側が膨らんでいて下側が平らだから、上向きに揚力が働く

　こういう説明はあるようです。正しい説明では、揚力の一部ということです。平板や上下対称の翼では、迎え角が向かい風に対して0度なら揚力は発生しません。

　翼の上側が下側より膨らんでいると、迎え角0度でも揚力は発生します。これは翼上下で流速が違うための圧力差によるものです。しかし、その揚力だけで飛ぶ実用飛行機は事実上ありません。上下非対称による揚力は飛行機重量を支えるには小さいのです。

　大きくは迎え角なんですね。しかし誤解していけないのは、翼下面に当たった空気分子を衝突現象押し下げる効果が揚力ではないということです。迎え角による揚力も圧力差です。

　極端な感じにしてしまうと、以下のような説明にできるでしょう。＼が翼、→は風、⇒が強風、・が真空だと思ってください。

→→→→→⇒→→
→→＼・・・→→
風→→＼・・→→
→→→→＼・→→
→→⇒⇒⇒⇒→→

　風が翼に向かって当たると、迎え角を持つ翼で気流が遮られ、翼上面の空気が無くなって圧力差が生じます。翼を過ぎると隔てられていた空気はまた一つに戻ります。

　もちろん、こんな極端なことは実際には起こらず、現実の翼の迎え角では気流の速度差での圧力差になります。

　もし、空気分子と翼下面との衝突現象であれば翼の傾き（迎え角）が45度なら最大の揚力になるはずですが、そうはなりません。ある角度（15度くらいが多い）より迎え角を大きくすると、揚力が減ります（翼の失速と呼ぶ）。これは、翼上面で気流が剥離して渦を巻くためです。

　圧力差により得る揚力は、圧力差により下向きに変えられた風力と等しいということにはなります。それが上記の「揚力が流れを押し下げて下向きの運動量を与えることに対応する」ということです。

　ここを、「翼が押し下げる」と表現すると、間違いとは言えませんが、「空気分子と翼の衝突現象による運動量変化（力積）に基づく力」といった誤解を生みやすくなるかもしれません。「揚力が押し下げる」であっても、やはり衝突現象による運動量変化間違うことは考えられます。

　背面飛行をやってのける飛行機は、たとえば旋回性能が高いドッグファイト用戦闘機が多いわけですが、上下対称か、それに近い翼形状を持っています。そのため、背面飛行でも機体をやや上向きにして翼に迎え角を持たせれば、機体を浮かせられるだけの揚力を生じさせることができます。

　安定して飛ぶことが大事な飛行機、たとえば曲芸飛行など論外である旅客機ですと、翼形状は上下非対称性が強くなります。何かを避けたり追いかけたりといった、とっさの反応は難しいですが、その代わり操縦しやすく、戦闘機などで起きやすい墜落の危険性は下がります。

　物理学（流体力学）としては、そんな感じですけれど、航空機を含む流体関係の工学、技術ではさらに翼に関して、目的や使用条件に応じた翼を含む機体形状の設計・開発にその粋を集め、工夫を凝らします。

回答No.7

funflier

No.5です。
＞デービッド・アンダーソンが投げかけた、「翼の上面の空気の速度が下面の
＞速度より速いという理由が説明されていない」という指摘は、かなり説得力
＞があると感じたのですが。
David Andersonの言い分で、「ベルヌーイの定理では、なぜ翼の上面の気流
が速く流れるかを説明していません。」という部分がありますが、これがどうして
ベルヌーイの定理で圧力差が生じる理由を説明していることの否定に直結する
のか、の方が逆に理解できません。
もともと流速の差は「連続の式」で説明されるのが普通であって、実際に起きて
いる現象です。「ある原理が全てを説明していないから」それは誤りだという話
にどうして納得するのですか？

＞funflier様のご回答の中でも、「なぜ上面の速度が下面の速度より速い」か
＞という説明がなされていないので、はっきり言ってこのご回答は理解出来ません。
別に回答で揚力に関して理解して頂く必要はありません。今回は背面飛行の話
なのでその回答をしました。前回答で申し上げたように、揚力に関わる航空力学
を理解されたいのなら教科書に頼って下さい。

現在ではwikiでもベルヌーイの定理と揚力の関係に触れる様になりました。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%99%E3%83%AB%E3%83%8C%E3%83%BC%E3%82%A4%E3%81%AE%E5%AE%9A%E7%90%86#.E6.8F.9A.E5.8A.9B.E3.81.A8.E3.83.99.E3.83.AB.E3.83.8C.E3.83.BC.E3.82.A4.E3.81.AE.E5.AE.9A.E7.90.86

David Andersonの「新理論」は「新しい揚力の説明方法を考えた。今までの説明では
不足である」とでも言っていればまだ良かったと思うのですが、故意に間違った前提を
使い、意図的に既存理論を無視・曲解してみせているのでかなり無茶苦茶です。
実際は「新しい」事は何一つ言ってはいません。

回答No.6

mathammy

飛び上がるまでの間は、翼の角度が重要。

上空に行ったら、もう浮かび上がっているから、進む力が重要なんではないかな。

鉄砲の玉と同じでないでしょうか。

回答No.5

funflier

まず平面の「板」を想像して頂ければ、傾けるとこれは風が当たる面と反対に
押されます。これが「相対風と直角に」生ずる「揚力」でこの要因は空気が
当たった方と当たらない方に受ける圧力の差が出来たからです。

同様に「上は曲面、下は平ら」な翼型でもひっくり返った「下が曲面」状態
でもその下の面に風を受ける様にすれば下の圧力が高く、上の方が低くなるので
背面状態の飛行機でも地面から見れば「上向き」の揚力を発生します。

よく一般向け・子供向けの説明として「上は曲面、下は平ら」な翼型断面が
揚力の説明として使われて来ていますが、実際この翼型は正立状態（上が
曲面）で揚力発生に有利な様に作られたもので、背面飛行を前提とする
飛行機はこの「上だけ曲面」の翼型は使っていません。上下とも曲面で、
上下対称のカーブを持つかそれに近いものを使います。理由は「上だけ
曲面、下は平ら」では裏返し・背面姿勢でも揚力発生は出来るものの、
「抗力」という抵抗が大きくなるからです。従って、ラジコン飛行機でも
有人実機でも、曲技機の翼は「対称翼」と呼ばれる上下の曲面が等しい
ものを使います。これでも「迎え角」という先の板の話の傾きを与える
ことで揚力発生し、それは正立・背面で同じになります。この際、必ず
地面から見れば「機首上げ」、翼の下面を風に受ける姿勢で飛ばないと
水平には飛行出来ません。

今では誰も相手にしなくなっていますが、「揚力はベルヌーイの定理では
なく、作用反作用で説明した方が正しい」という珍説が過去流布されました。
この珍説の根本は「自動車は燃料を燃やした空気の膨張で走るのではなく、
タイヤで地面を蹴った反動で走るのである。」と言っているに等しい、原因と
結果を分離して「どっちが正しい」かという全く意味の無いものでした。
自動車の話なら運転免許を持つ者なら誰でもおかしいと気付く話ですが、
「飛行機」の「揚力」の話だと航空力学の教科書を開いたことの無い多くの
人が騙されました。

飛行機の揚力は結果の方から簡単に言うとこうなります。
1）空気に作用した反作用で受ける空気合力の内、相対風に垂直な成分である。
2）どうして作用が生じたかというと、上面と下面に圧力差があるからである。
3）どうして圧力の差が生じたかというと、上面は速く、下面は遅いという
　　速度差があるからである。
4）どうして速度差があると圧力の差が生まれるかはベルヌーイの定理で
　　説明できる。
なので、「ベルヌーイの定理」は根本原理の説明で、作用反作用は結果なの
です。これを分けて「どっちが正しい」かという議論は馬鹿げているにも程
があります。これは何十年も前から航空力学書で書いている内容であって
今も何の変化もありません。「ベルヌーイの定理は完全流体の理論で」とか
「揚力の原理は未だ解っていない」とか「揚力には未だ議論がある」等と
言っている人は一度も航空力学書を開いたことも無い、と自白しているに
等しいです。特に航空機の「対気速度計」はベルヌーイの定理そのままが
原理ですので、「ベルヌーイの定理は完全流体のもので」と言っている人は
「飛行機の速度計がどんな原理か知らない」と言っていることにも気がついて
いません。そのような人間がネットでは専門家・プロとして出回って揚力理論
を展開していますので、私個人は正しい航空力学の知識は専門書・教科書を
見て下さい、という他無いと思っています。

今回の「背面飛行」の場合、「主翼迎え角」を水平の地面に対し、正立と
背面では逆向きにする（「下面」を空気に当てる）ことで下面の速度を
落とし圧力を上げ、上面の速度を速くし圧力を下げることで地面からは
上向きの、飛行機自体からは下側に向く揚力が発生するので可能だと
いうことになります。

お礼

＞今では誰も相手にしなくなっていますが、「揚力はベルヌーイの定理ではなく、作用反作用で説明した方が正しい」という珍説が過去流布されました。

これはデービッド・アンダーソンの説のことでしょうか。
デービッド・アンダーソンが投げかけた、「翼の上面の空気の速度が下面の速度より速いという理由が説明されていない」という指摘は、かなり説得力があると感じたのですが。
funflier様のご回答の中でも、「なぜ上面の速度が下面の速度より速い」かという説明がなされていないので、はっきり言ってこのご回答は理解出来ません。

回答No.4

trajaa

確かに翼の断面形状で揚力は発生するけど・・・・
それだけが揚力の発生元ではない

航空機が離陸する場合って、必ず機首を上げるでしょ？

機首が上がれば自動的に翼も上を向く、これを翼の迎え角という

迎え角によって、翼の断面形状よりも強い揚力が発生するので離陸することができる

この迎え角の考え方を背面飛行時にも実行すれば、翼の断面形状によるマイナスの揚力の何倍もの機種上げ(迎え角)による揚力が発生するのです
だから、固定翼機は背面飛行ができる

回答No.3

noname#198951

たしかに何も舵を切らずに背面飛行に移ればすぐに地面に頭を向けてしまいますが、昇降蛇(エレベータ)で飛行機に対して下を向く舵を切っているので、機首が地面を向かずに水平に飛んでられるのです。

回答No.2

mmmma

機首を上に向けて迎角を大きくとると、背面飛行の場合でも翼の下に空気が当たり、揚力が発生します。