(57)【要約】【課題】技術の理解にもとづいた能動的な創作活動が可能な高いレベルの技術理解を学生に与える。【解決手段】下記の特徴を有する飛翔体。（１）軽量のシートと軽量の骨材からなり、自形を維持できる面構造体であり、（２）正または零のキャンパーを有し上反角を有する主翼と、負の迎角を有する水平尾翼とを有し、（３）凧として飛行させるための糸の張力中心が、空力中心より前方に位置する飛翔体。【選択図】図１
2005242388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）軽量のシートと軽量の骨材からなり、自形を維持できる面構造体であり、
（２）正または零のキャンパーを有し上反角を有する主翼と、負の迎角を有する水平尾翼とを有し、
（３）凧として飛行させるための糸の張力中心が、空力中心より前方に位置する飛翔体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
難解とされる自然科学の技術分野において、学生に高いレベルの技術の理解を得させる技術教育システムと、それに用いる物理的機能教材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
教科書と教師による解説によるもの、またはそれに例題による演習を加えたものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
学生の技術理解のレベルが、教科書の記載内容の受動的な理解に留まり、能動的な創作活動に結びつく高いレベルの技術理解を学生に与えることが困難であった。
【０００４】
本発明は、従来の技術教育システムの前述の問題点を解決するためになされたものであって、技術の理解にもとづいた能動的な創作活動が可能な高いレベルの技術理解を学生に与えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
また、本発明の飛翔体は、下記の特徴を有するものである。
（１）軽量のシートと軽量の骨材からなり、自形を維持できる面構造体であり、
（２）正または零のキャンパーを有し上反角を有する主翼と、負の迎角を有する水平尾翼とを有し、
（３）凧として飛行させるための糸の張力中心が、空力中心より前方に位置する飛翔体。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の飛翔体は、飛翔体を用いた設計、製作、飛行実験の経験を通して、改良された飛翔体の創作活動を実践することができるので、流体力学の理解のレベルを、受動的な理解のレベルに留めず、創作活動という知的生産活動の可能なレベルに高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
参考例１．
１．本発明の参考例は、下記の教育過程を含んでいる。
(1) 教師による講義：
流体力学およびその基礎として必要な数学、力学を含む教育過程である。これらを既に学んだ学生に対しては、これらを省略してもよい。
(2) 計算機上でのシミュレーション学習：
流体力学特に航空機力学の基礎方程式にもとづき、飛行物体の例題を用いて飛行現象をシミュレートし、飛翔体の流体力学的機能を理解させる。
(3) 飛翔体の設計と製作：
講義およびシミュレーション学習で得た知識にもとづいて飛翔体を設計し、製作する。
(4) 飛翔体の飛行実験：
上記により製作した飛翔体を凧として飛行させる実験を行なう。凧としての飛行機能の改良を試みさせ、(3)項の設計、製作の過程を繰り返して飛行機能の最適化を学ぶ。
【０００８】
実施の形態１．
１．本発明の飛翔体の詳細
本発明の飛翔体の基本的特徴は以下の通りである。
(1) 軽量のシートと形量の骨材からなり、自形を維持できる面構造体。
(2) 主翼と水平尾翼を有する。
(3) 少なくとも主翼は上反角を有する。
(4) 水平尾翼は負の迎角を有する。
(5) 凧として飛行させる場合の糸の接続点は、空力中心より前方にある。糸目が複数の
場合は、糸目より下部の糸の延長点を空力中心より前方とする。
【０００９】
従来の典型的な凧は、ピッチングの安定性を持たせるために負のキャンパー（軸に沿って下に凸な曲面）を持つ単一の面構造体であり、４５°付近の迎え角を持つ。これに対して、本発明の教材に用いる飛翔体は正または零のキャンパーを持つ主翼と負の迎角を持つ水平尾翼を持ち、水平尾翼の負の迎角によってピッチングの安定性を持たせている。本飛翔体は、従来の凧に比べてはるかに小さい迎角を持ち、殆ど水平に層流条件で飛行する飛行機に近い飛翔体である。飛行機と異なる点は、飛行機が揚抗比を最小化して燃費を最小化しているのに対して、本飛翔体は糸に生じる大きな水平抗力が存在するため飛翔体自体の抗力を小さくする必要性は小さく、揚力の最大化のみを目的としている。このため飛行機に比べて面形状の自由度が大きく、凧としての機能の最適化の自由度も大きい。すなわち、飛行機を凧に流用したものより、更に凧として最適化したものが製作可能となる。
【００１０】
このように、本発明の飛翔体は、従来の凧と比べて飛躍的に飛行性能を向上させたものである。上昇限界高度等を従来の凧と比較してみれば、従来の凧を大巾に改善したものであることが確認できる。
【００１１】
本発明の飛翔体は凧という応用形態に対して高度に最適化されたものであり、物理的限界に近い性能を発揮できるものである。従来の凧のように妥協の多いシステムでは様々な損失が存在するため、原理的な性能限界より低い水準で現実的な性能限界が生じる。そのため原理的な性能限界を確認する機会が得られない。自然科学の原理の学習には、特定の機能目的をもった物理的機能システムの性能限界を、経験を通じて実感することが極めて有効である。そのためには、その物理的機能システムが目的とする機能の発揮に関して高度に最適化されたものでなければならない。
【００１２】
以上説明したように、本発明の飛翔体は流体力学、特に航空機力学という難解な技術分野の理解を助けるものとして極めて有効である。
【００１３】
以下に本発明の飛翔体の構成と機能を詳細に説明する。
１．１  新飛翔体（ＮＦＯ）と従来の飛翔体の相違
この飛翔体は、糸に拘束されて風の中を飛翔する点では、従来の凧に類似しているが、空中での浮遊の形成様式が従来の凧とは根本的に異なる。また後述する理由で航空機やグライダーとも異なるので、以後本発明の飛翔体を新飛翔体（ＮＦＯ：Ｎｅｗ  Ｆｌｙｉｎｇ  Ｏｂｊｅｃｔの頭文字）と略称する。さて、従来の典型的な凧は、風の方向に一定の角度（迎角）を持って斜めに前傾した一つの平面が、面に垂直な方向に風圧を浮け、これの風圧の総和を糸の張力と自重（普通の飛翔状態では風圧の総和に比べて無視できる）の和に拮抗させるという釣り合い条件で飛行している。
【００１４】
これに対して、ここで採用する飛翔体は、風の中で風と垂直な方向の揚力と、この揚力より遥かに低い水平方向の抗力を浮けて飛翔する飛行機に近い飛翔体である。すなわち、いま風が水平に吹いているものとすると、糸の張力の垂直成分は揚力と自重の重力と（普通は揚力に比べて無視できる）釣り合い、糸の水平成分は抗力と釣り合いをとりながら飛翔する。糸の張力に替わる前方向の推力と重心を調整するための荷重を与えれば、無風の空中で前方に飛行して、飛行機と類似した飛行状態を形成する。また重心の調整によっては、前方へ重力を推力として落下しながら前方へ滑空する推力を形成して、グライダーと類似の飛翔体となる。ただし、ＮＦＯは、次の点で飛行機と異なる。
【００１５】
飛行機は、与えられた飛行速度に対して、燃費に比例する揚抗比（揚力と抗力の比）を最小化することが設計目標で、この目標に沿って主翼の平面形状を最適な特殊な形に設計することが設計の一つの基本となる。軽飛行機で採用されている楕円翼やボーイングＢ７４７で採用されている後退翼は最適形状の例である。
【００１６】
これに対して本飛翔体では、抗力の最少化が目標ではなく、空高く揚げることが目標である。しかも図１に示すように飛行機と違って糸に加わる風速方向の抗力が存在し、一般に、この抗力の方が、飛翔体の面の抗力より大きいので、飛翔体自体の抗力を小さくすることの意義は小さい。従って、空高く揚げるためには、面の抗力を最小化するよりは揚力を最大化するように骨組み構造を最適化することが設計の基本となる。
【００１７】
さて、このようにして揚力の最大化のみを求め、抗力の最小化という目標を除外するとなると、面形状選択の自由度は増加する。つまり、ＮＦＯとして最適な形状は、飛行機とは異なったものである。事実、揚抗比は強く縦横比に依存するが、揚力は必ずしも縦横比に依存しない。例えば縦横比の小さいΔ形状の翼は、非線形渦揚力（文献：東昭、模型航空機と凧の科学、電波実験社、１９９２）の存在のお陰で、縦横比の大きい楕円翼に比べて揚抗比は劣るが揚力はむしろ大きくなるのである。凧としての最適形状をこのように認識することにより、飛行機の設計を流用したものより、更に凧としての飛行性能のすぐれた飛翔体の設計が可能となる。
【００１８】
このようにＮＦＯでは、飛行機と違って面形状選択は自由であるから、最初に揚げたい平面形状を創造し、この形状について、空高く揚げるという目標に向かって、骨組みの構造を最適化することが設計の基本となる。
【００１９】
１．２  単一の面が飛行可能な条件
一般に糸で拘束され、一定の迎角て飛行している面構造体では、糸目を中心として、次の条件が満たされている。
（１）抗力＋揚力からなる風圧力と張力＋重力とが釣り合っている。
（２）糸目周りの空気力によるモーメントと重力によるモーメントが釣り合っている。
そして、この条件を満たすためには、図１に示すように風圧中心は重心より、糸目は風圧中心より、それぞれ面の前縁（先端）寄りになければならないというのが凧の飛行条件である。ただし、通常の飛行条件では、前述のように重力は空気力より遥かに小さいので上記の条件は、
（１） 糸目中心（糸の延長が凧面と交わる点）は、風圧中心とほぼ一致する。（２） 張
力は風圧力と釣り合っている。
という、より簡単な条件に置きかえられる。
【００２０】
以下の説明では、風圧中心は糸目中心に一致すると仮定して説明する。
ここでは、鳥や飛行機の翼のようなアスペクト比（縦横比）が大きく、かつ厚さがない面を飛翔体と考えよう。この場合、機械工学便覧１９９６版Ａ５−１０９ページに記載されているように、迎角をαとすると無次元化された揚力係数ＣＬと空力中心（空気力によるモーメントが迎角に無関係に一定となる点、この場合は面の先端から翼弦長÷４の距離にある点）の周りのモーメント係数Ｃmacは、αが小さい場合、次式で与えられる。
ＣＬ＝２π（Ｓｉｎ［α］＋２ｆ）  ------------------------（式１）
Ｃmac ＝−πｆ  ------------------------------------------（式２）
ここに、ｆは面の反りを表す量（キャンパー）で、翼の最大膨らみ点の前縁と後縁を結んだ線からの高さを、翼弦長で割ったものである。飛行機の翼のように面が上に凸に反っている場合はｆが正、船底のように下に凸に反っている場合は、ｆは負である。
【００２１】
またＣＬ，Ｃmacは揚力ＬとモーメントＭac（後縁下がりを正）と次の関係を有する無
次元の量である。
ＣＬ＝Ｌ／（１／２ ρＵ2 Ｓ）  -------------------------（式３）
Ｃmac ＝Ｍac ／（１／２ ρＵ2 Ｓ）  --------------------（式４）
ここに、Ｕは風速、Ｓは面の面積、ρは空気の密度である。
【００２２】
空力中心から風圧中心、したがって糸目中心までの距離を翼弦長で割った無次元距離をｘ（空力中心から後縁側が正）とすると、ｘは次式から求められる。
−ｘＣＬ＝Ｃmac
ただし、ｘは前縁から後縁に向かって正で、空力中心でｘ＝０である。
上式のＣＬおよびＣmacに式１、式２のＣＬおよびＣmacを代入して整理すればｘがつ
ぎのように求められる。
ｘ＝ｆ／（２（Ｓｉｎα＋２ｆ））  ------------------------（式５）
【００２３】
図２はαを横軸にｘを縦軸にとってαとｘの関係を描いたものである。図の実線はｆ＝０．０１すなわちｆが正の場合（正キャンバーの翼といい亜音速の飛行機に使われている）、一点鎖線はｆ＝−０．０１、すなわちｆが負の場合である。
【００２４】
さて、正キャンバーの翼の特性を見ると、迎角αが減少すると風圧中心が後縁側に移行する。その結果、迎角をさらに減少させるようなモーメントが働き、迎角がますます減少し、遂には凧は前のめりになって墜落する。またキャンバーがゼロの面はこれを復元するモーメントが働かないから一度傾くともとに戻らない。つまり、キャンバーがゼロか正の面は、そのままでは飛翔できないのである。（参考文献：「凧の科学」伊藤利朗・小村宏次、小学館、１９７９）この現象を「凧のピッチングに関する静的不安定現象」という。
【００２５】
これに対して負キャンバーの面は、αが減少すると風圧中心は前縁側に移行しαを復元しようとするモーメントが作用する。したがって負キャンバーの面はそのままで飛行できるのである。
【００２６】
以上のことは、飛行機やグライダーにも、アスペクト比が小さい翼にも成り立ち、次の法則となる。「水平尾翼なしで飛翔可能な面は、負キャンバー翼だけである。」以上のような理由で、単一な面を用いた凧には負のキャンパーが与えられている。ただし、特殊な構造のΔ翼ないし後退翼は例外であるが、これについては説明を省略する。（参考文献：B. Etkin & L D Reid, Dynamics of flight, p23）
【００２７】
１．３  古典的な凧の特性
古典的な凧とは、日本凧やオランダ凧のように負のキャンバーをもつ単一な面から成るものをいう。次に負キャンバーを持った古典的な凧の特性を考察しよう。まず揚力を縦軸に、迎角を横軸にとってｆ＝０．０１、ｆ＝０およびｆ＝―０．０１の場合の迎角と揚力の関係を図３に描いて見よう。図で実線はｆ＝０．０１、点線はｆ＝０、一点鎖線はｆ＝−０．０１に対応している。さて図から次のことがわかる。
(1) すべての場合において、揚力が最大になる迎角がある。迎角がこれを超えると急速
に揚力が低下する。この揚力が低下した状態を失速状態という。
(2) 負のキャンバーでは最大揚力が小さい。
失速状態になると、翼の周りの流線が乱れて揚力が低下し、風圧は面に垂直に働くようになる。凧はｆが負であるので、凧の迎角の低い層流領域では十分な揚力が得られない。したがって、前縁に比較的近い点に糸目をとって、迎角を低い状態にして（図１参照）凧を揚げると揚力が得られない。その結果、凧糸に働く抗力が勝ち、凧は流されて低空を飛行することになる。この状態の凧は天井凧といわれ、古典的な凧ではもっとも嫌われる飛行状態である。
【００２８】
そこで、この天井凧を避けるため、糸目をもっと空力中心に近づけ迎角を増すとどうなるかを考察しよう。図４は迎角のより広い範囲で凧圧力係数ＣＴを、図５は風圧力係数ＣＴの垂直方向の成分ＣＴVを、迎角の関数としてプロットしたものである。適当な揚力が
あり、かつ抗力も大きいのは、迎角が４５度程度のところである。古典的な凧はこの程度の低い上昇角で人間と綱引きをやるものと解釈できよう。
【００２９】
１．４  ＮＦＯの原理
ＮＦＯは、前述の糸に拘束された飛翔体の持つ面形状の自由度を最大限に利用して、任意の平面形状を持つ面の断面形状のキャンバーをゼロないし正にし、この種の面の持つ層流領域での高い揚力を利用して飛行させようとするものである。この種の面の持つピッチングに関する静的不安定性については、面の一部を主翼とし、主翼風圧中心からできるだけ下流にある面のもう一部を水平尾翼とするような骨組みとし、これを避けている。後掲する図９はかもめとペンギンの面形状の場合であるが、図の縦方向のハッチの部分は主翼部分、横方向のハッチは尾翼部分である。尾翼は飛行機やグライダーと同様に主翼のゼロ揚力ラインに対して負の迎角を持っている。
【００３０】
以下にｆ＝０およびｆ＝０．０１の場合について尾翼効果を説明しよう。いま主翼の面積をＳ、尾翼の面積をＳｔ、空力中心から尾翼の揚力中心までの無次元距離（距離／翼弦長）をｘとする。尾翼部分は、主翼の無揚力線に対してｉの負の迎角を持っているものとし、尾翼の揚力係数は主翼と同様とする。また、この尾翼部分で流れは主翼のゼロ揚力ラインに沿っているものとする。
【００３１】
さて、この尾翼の追加によって、図７から明らかなように主翼の揚力を与える式１および空力中心のモーメントを与える式２は、次のように変わる。
ＣＬ＝２π（Ｓｉｎ(α)−（Ｓt ／Ｓ）Ｓｉｎ(ｉ)＋２ｆ）  ---（式６）
Ｃmac ＝−πｆ＋２πｈt （Ｓt ／Ｓ）Ｓｉｎ(ｉ)   ----------（式７）
【００３２】
一方、圧力中心の位置ｘは−ＣＬｘ＝Ｃmacで与えられるから、これに式６、式７を代
入して、ｘを与える次式を得る。
ｘ＝（２ｈt （Ｓt／Ｓ） Ｓｉｎ(ｉ)−ｆ）／（２ （Ｓｉｎ(α)−（Ｓt ／Ｓ）Ｓｉ
ｎ(ｉ)＋２ｆ））  -------------------------------------（式８）
【００３３】
図７および図８は、ｉ＝２度、Ｓt／Ｓ＝０．１、ｈt＝２の場合の迎角に対する揚力
（ＣＬ：点線，一点鎖線）および風圧中心（糸目中心）の位置（ｘ：実線）を図示したものである。ｆ＝０およびｆ＝０．０１のどちらの場合も、ｘ＜０、すなわち風圧中心が空力中心より前縁側にあること、また迎角が増加するとこの位置が空力中心側すなわち後縁の方向に移動して頭下げモーメントが働き迎角をもとに戻す復元力が働くので、ピッチングについては静的安定性があることを示している。また、揚力について言えば、尾翼のある場合の揚力（ＣＬt：点線）が尾翼のない場合の揚力（ＣＬ0：一点鎖線）に比較して
ほとんど変化していないというすぐれた特性を示している。以上の説明のように、本発明の飛翔体は、主翼のキヤンパーをゼロまたは正として、それ自体にピッチング安定性を求めず、最大揚力のみを求め、水平尾翼の負の迎角でピッチング安定性を与え、更に抗力の最小化という設計上の負担を解除することによって、凧としての要求機能に無駄のない最適化を実現したものである。
【００３４】
以上の現象は、面の縦横比などの面形状に関係なく成立することが、航空機力学で証明されている。なお、航空機では、重心の位置が糸目の位置に相当する。
【００３５】
１．５  ＮＦＯの構造
本発明の飛翔体の面形状と骨組みの例を図９および図１０に示す。自然界で飛行する鳥、昆虫、こうもりなどは、飛ばしてみたいという欲求を掻き立てる面形状の好例を示唆してくれる。ただし、自然界で飛ばないペンギンや魚や動物を正面から見た姿なども、意外なものが飛ぶという意味で飛ばしたいという欲求を掻き立てる形状の好例である。けだし、飛行機としては駄目な縦横比の小さい形状も、ＮＦＯの形状としては、大きな揚力を提供するので、性能の面でも試みる価値がある。
【００３６】
飛翔体の薄板構造は、引っ張り衝撃強度が高くかつ面積当たりの重量が小さい（４０ｇ／平方ｍ以下）不織布と軽量で剛性の高い竹や有機複合材料（カーボン繊維やガラス繊維の複合材）の棒で構成される。このような材料には、面の大きさとして、Ａ４サイズの不織布を２枚ないし４枚継ぎたして作られる０．２平方ｍ以下が良く、丸棒では直径は０．２〜２ｍｍの範囲が実用的である。また天然材料の竹は曲がりを防止するために皮の部分を外側にして２枚張り合わせる構造が有効である。このような材料を有効に使った場合、０．２平方ｍで主翼の翼弦長が２０ｃｍ以下の飛行面を、面積密度σが６０ｇ／平方ｍ以下で形成することが可能になる。
【００３７】
前述のように飛翔体の揚力Ｌは、ＣＬ×（１／２）ρＵ2Ｓ（式３から誘導）であるか
ら、揚力係数を１、重力加速度ｇを９．８、空気の密度ρを１．２と仮定すると、Ｕ＞ＳＱＲＴ（２σｇ／ρ）≒１ｍ／ｓとなり、この飛翔体は１ｍ／ｓの風速でも揚げられることになる。さらに、後述するような骨組み構造を採用すると上記の軽量凧が１０ｍ／ｓの強風に耐えられるようにできる。
【００３８】
以上のことは、本発明の飛翔体はとくに風のある日を選ぶことなく、また強風を避けることなく、日常的にＮＦＯの実験の機会が得られることを意味している。
【００３９】
ＮＦＯの製作に当たっては、例えばＰＣ上で面の形状が創作され、Ａ４サイズの２ないし４枚の不織布にインクジェットプリンタで印刷が施され、これらが切り抜かれ貼り合わされて一つの面が形成される。図９は図形の例である。図形としては、とくに凝った場合以外は、左右対称である。図において、横方向のハッチの部分は主翼、縦方向のハッチの部分は尾翼に相当する。なお、図形としては、飛翔体であるから、風圧が大きい前縁の部分は一本ないし複数の折れ線で近似できる単純な形状が推奨される。
【００４０】
図９を参照しながらＮＦＯの構造を説明しよう。ＮＦＯの骨材にカーボンファイバを使用する場合、一つの飛翔体について、太骨（Ａ４×４のシートサイズでは１．４φ〜１．６φ）と小骨（０．８φ〜１．０φ）の２種類が使われる。まず、小骨が面の裏面で次のような順序で貼り付けられる。
(1) 左右対称図形の中心線（ａ−ａ）上
(2) 図９のように鳥のような横に伸びた図形の場合には、図形の左右約半分の位置にあ
る中心線と平行な線（ｃ−ｃ）上
(3) 前縁の近傍に複数本
(4) ペンギンの図形で見るように前縁を飛び出した部分は複数の小骨で補強
(5) 前縁の小骨と線（ａ−ａ）および線（ｃ−ｃ）とにまたがる斜交い
(6) 尾翼の外縁
このように骨材の配置は三角形を継ぎ合わせたようにすることが望ましい。四角形を継ぎ合わせた配置では、飛翔体に禁物な捩じれを防止できないからである。以上のように小骨を配置すれば、飛翔体の面構造が出来上がる。ただし、線（ａ−ａ）および線（ｃ−ｃ）では、まだ自由に折れ曲がることができる。
【００４１】
次に、鳥の場合には線（ｃ−ｃ）との交点に相当する部分両端側に小骨を継ぎ合わせた主骨が用意され、これが面の表面で、図９に示す接合点で小骨に結合される。左右の主骨は、図１０のようにバネで接合される。主骨をシートの前面に配置したのは、シートのキャンバーが負になるのを防止するためである。主骨が図１１の構造Ｂのようにシートの背面に貼り付ければ、図のように負のキャンバーが形成される。これに対して、構造Ａのようにシートに接着せずに前面に配置すれば、シートが負のキャンバーを構成しないからである。また、線（ａ−ａ）および線（ｃ−ｃ）が船底形に曲がり、負のキャンパーが形成されるのを防ぐために、これらの線と前縁の骨との間に斜交いを入れてこれらの骨が貼り付けられたシートの部分の剛性を高めた上で、これらの面が風とともに折れ曲がるように工夫している。
【００４２】
図１２は強風でこれらの面が二つに折れた様子を示している。図のように二つに折れた剛性のある面の稜線に小骨があるので、稜線の剛性は極めて高く、いかなる強風下でも船底形に曲がる心配はない。とくに、中心線（ａ−ａ）には図１２および図１３に示すように糸目が付けられているので、中心線の剛性はより一層高くなっている。
【００４３】
図１３は尾翼の形成法の例を示している。図１３に示すように、中心線を跨いで後尾に向かって開く三角形の部分を中心線で二つ折れにして貼り合わせると、前述の負の迎角ｉが形成できる。貼り合わせによってできた図のクロスハッチの部分によって、横揺れ運動を防ぐのに役立つ垂直尾翼を形成することができる。なお、水平尾翼に積極的に負の迎角を設けずに単に水平尾翼部の剛性を小さくするだけでも、飛行状態での風圧力によって負の迎角が形成される現象がある。実際に凧を製作するに当たっては、この現象を利用してもよい。
【００４４】
１．６  ＮＦＯの教材としての特徴
(1) 創造性と機械工学の同時習得：ＮＦＯを教材とした学習では、学生は、空に揚げたい任意の形を創造し、機械工学の広い分野（流体力学、材料力学、制御工学など）をフルに活用して、これに最高の凧としての性能を与えるように飛翔体の構造を創造する。その結果、学生は機械工学を広範囲に習得できるだけでなく、創造性を習得することができる。
(2) ＰＣ活用の習得：ＮＦＯが層流領域を使っているので、ＮＦＯの設計に必要な技術のうち最も複雑な流体力学の理論式は、解析関数で表現できる。したがって、すべての技術知識がMathematicaやMathcad等のプログラムで記述できる。その結果、学生は時間がかかり間違いの多い数式の演算から開放された形で技術知識を習得できる。
(3) すべての式が従来のように紙の上に記述されているのではなく、MathematicaやMathcad等のプログラムで記述されているので、学生は習得後、飛翔体の釣り合い条件、静的安定、動的安定の問題を定量的に検討できるだけでなく、実際の挙動をＰＣ上でシミュレーションできる。
(4) 学習の結果を実験で確認することができる。その結果学生は実験の意義について多くを学ぶことができる。
【００４５】
参考例２．
流体力学シミュレーションプログラムの構成
本発明の技術教育システムで用いる流体力学シミュレーションプログラムは、以下の機能を具備している。流体力学特に航空機力学の基礎方程式にもとづいて、運動する物体の挙動を模擬できるものであり、運動物体として飛行機を取扱うことができる。また、凧、飛行機またはグライダー等のそれぞれの拘束条件の違いを反映したモデルの構成を模擬できるものである。また、凧としての構造諸元の入力、および飛行状態の出力を効率的に行うインターフェイス機能を備えている。出力機能としては、飛翔体の飛行動作の実時間表示、飛行状態指標の時間関数表示やパラメータ関数表示、設計パラメータの作用効果表示等を備えている。また、このシミュレーションプログラムは、自然環境での多様な変化を伴う風を模擬する風のシミュレータを備えている。このシミュレータを備えていることにより、想定した凧の設計例を実際に自然環境中で飛行させる実験を、計算機上で模擬することができる。本発明の飛翔体は層流条件で飛行するものであるため、飛行のシミュレーションを解析関数として扱うことができ、小規模な計算機(ＰＣ）によって詳細な解析を短時間で行なうことができる。更に、教科書としての機能も有し、学生は教材の飛翔体をシミュレートしながら流体力学の学習を効率的に行うことができる。
【００４６】
参考例３．
教材による学習の詳細
(1) 本発明の飛翔体がもつ流体力学特に航空機力学上の機能を計算機上のシミュレーションにより理解する。
飛翔体の構成を変化させ、それによる飛行特性の変化を確認する作業をくり返すことが効果的である。
(2) 飛翔体の製作
シミュレーションで学んだ知識を用いて、飛翔体を設計し、製作する。基本的な構成条件を満たす範囲内で種々の変形飛翔体を製作する。複数の学生が互いに異なる変形飛翔体を製作すると、多くの変形が得られて有益である。
(3) 飛翔体の飛行実験
製作した飛翔体を屋外で凧として飛行実験を行なう。変形飛翔体の飛行動作特性を比較し、変形と飛行特性の関係の理解を試みる。学習の手順の例として以下に述べる過程に従うと効率よく学習することができる。
【００４７】
実験で得られた変形飛翔体の飛行特性の違いを説明できる仮説を立て、仮説に対応する特徴を誇張した変形飛翔体を製作し、飛行実験によって仮説の正当性を確認する。飛翔体の各部分毎に変形と仮説の検証を試みる。多数の仮説を総合して飛行性能を向上させる方向性を見出し、飛翔体の設計に反映する。これにより改良された飛翔体の製作と飛行実験を試みる。
【００４８】
以上の実験で得られた知見をシミュレーションで再現し、認識事項を確認する。シミュレーションによれば、自然環境の不安定性に影響されずに飛行特性を確認できるので、実験と相補的に組合わせることにより、飛行性能の改良を効率的に行なうことができる。
【００４９】
以上のプロセスを経験することにより、流体力学の原理を深く理解することができる。また、原理の理解を、飛行性能の改良された飛翔体の創作という自主的な知的創作活動に結びつけることが可能な高いレベルに引き上げることができる。
【００５０】
参考例４．
飛翔体の別の形態の実験として、糸を用いず、飛翔体の最前部に錘りを追加して重心を浮力中心より前方に形成し、グライダーとして滑空可能な条件を付与する。この飛翔体を用いて無風の空中で滑空実験を行なう。この実験により、凧としての飛行機能の、別の側面からの理解が得られる。翼の形が同じもの同志しでは、滑空性能の良いものが凧として飛行させた場合の飛行性能も良いものであることが認識できる。但し、凧としての飛行性能のよいものが必ずしもグライダーとして飛行性能が良いとは限らず、これによって本発明の飛翔体とグライダーあるいは飛行機との相異点を認識することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】凧の飛翔状態を説明する図である。
【図２】凧の迎角と風圧力中心の位置関係を示す図である。
【図３】キャンパーの異なる凧の迎角と揚力の関係を示す図である。
【図４】従来の凧に働く風圧力と迎角の関係を示す図である。
【図５】従来の凧に働く風圧力の垂直成分と迎角の関係を示す図である。
【図６】垂平尾翼のある飛翔体の飛行原理を説明する図である。
【図７】垂平尾翼のある飛翔体の飛行特性を示す図である。
【図８】垂平尾翼のある飛翔体の飛行特性を示す図である。
【図９】本発明の飛翔体の形状例を示す図である。
【図１０】本発明の飛翔体の形状例を示す正面図である。
【図１１】本発明の飛翔体の骨組みの原理を説明する図である。
【図１２】本発明の飛翔体の骨組みの作用を説明する図である。
【図１３】本発明の飛翔体の尾翼の形式方法を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  主翼、２  尾翼、３  糸、４  空力中心。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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