紙飛行機

目的

もし紙飛行機が空気抵抗を受けないとすれば、紙飛行機は質点と同様の運動をするであろう。
しかしながら、実際の紙飛行機は空気抵抗を受けて質点とは全く異なった運動をする。
そこで、さまざまな形状の紙飛行機を折り、翼の縦横比と飛行距離、飛行時間との関係を調べ、質点と紙飛行機の違いはどこにあるのかを検証する。

原理

紙飛行機も実物の飛行機も、飛ぶ原理は同じある。

飛行機を真横から見てつばさのまわりの空気の流れを考えてみると、

平らな板が空気の流れに対して平行になっている場合、空気は板の上下を同じように流れ、板には直角方向の力は働かない。

平らな板が空気の流れに対して角度がある場合、空気は板に沿って流れ、下向きに曲がる。
つまり、空気は板から力を受けて、曲げられる。

板はその反対向きの力、即ち揚力をもらい、持ち上がる。
この揚力のおかげで、飛行機は飛ぶことができるのである。

つまり、紙飛行機には揚力と抵抗と推力の力がかかっています。

1　揚力

揚力は、紙飛行機を重力に逆らって、上に持ち上げようとする働きである｡
紙飛行機にはこれを発生させるために２つの事をしている｡

まず１つは、紙飛行機の翼を曲面にすることである｡
このようにすると､上のほうが長くなるので同じ翼を流れるには、翼の下と上の空気の流れる速さが、上の空気でのスピードが速くなければならない｡
よって上のほうの気圧が低くなり、紙飛行機は上に上がる｡
もう一つは、迎え角をつけることである｡
翼を左下がりに傾けると、翼の下の気圧が高くなり、上の気圧が低くなるので、上に上がる｡
しかし、力学的エネルギーの保存則より、紙飛行機が上に上がると、位置エネルギーが大きくなる為速さが遅くなり、抵抗が大きくなる。
また迎え角を大きくしすぎると揚力が減り、抵抗が増えていくので、調整が難しくなる｡
揚力を増やす方法としては、紙飛行機の重さを減らすか、主翼の面積を増やす等がある｡

応用として、紙飛行機を宙返りするには、紙飛行機の羽根を傾むけて、風を受けて下向きの力が加わるようにすると、翼の後ろの部分に下向きの力が加わり、その一方で、飛行機自体が上に向くようになる。
さらに、前に進む力が十分にないと、飛行機はその場でくるくる回るだけになり、宙返りすることになる。

2　空気抵抗

これは、紙飛行機の速度を落とそうとする働きである｡
抵抗力の種類は主に、｢摩擦抵抗｣｢翼型表面の圧力分布による抵抗｣｢誘導抵抗｣がある。

実験方法

◎実験用具
紙、メジャー

◎方法

①
A4紙を用意して、紙飛行機をつくる。
紙飛行機①、紙飛行機②、へそ飛行機、イカ飛行機、イーグル、ギネス飛行機、ジェット飛行機、のしいか飛行機、アクロバット飛行機
＜作り方はこちらを参考＞

②
風のない部屋で飛ばす。
距離と時間を測定し、飛び方を観測する。
見比べるために質点(消しゴム)を投げて測定する。
※紙飛行機よりも質点に近いであろう消しゴムを使用した。

※アクロバットの場合のみ、宙返りするために、つばさの後ろをそらすように軽く曲げ、1回転するか確認する。