第５４回愛媛県児童・生徒理科研究作品特別賞〈愛媛県知事賞〉

自分で作った風洞でライト兄弟に挑戦！〜揚力の実験〜
西条市立神戸小学校

第５学年

川
指導教諭 青島野聡
美真加

１ 研究の動機
ぼくが、はじめて風洞を見たのは、小学３年生の時、ＪＡＸＡ調布航空宇宙センターの風洞実験のコーナーだった。その時から、いつかこの風洞を作り、実験をしたいと思っていた。また、人類初の飛行機による飛行実験に成功したライト兄弟の伝記を読むと、彼らも風洞を製作し２００機以上の飛行機のモデルを作り、羽の研究をしたことを知った。ます
ます、風洞を自分で作って実験をしてみたいと思い、このテーマに挑戦することにした。
２ 風洞とは風洞は、英語では Wind Tunnel と言う。つまり、風の通るトンネルだ。トンネルに人工気流を通し、中に飛行機などの模型を入れて、揚力や抗力などの模型に働く力を調べる。
今回の研究では、羽の浮き上がる力、揚力を調べた。
３ 風洞の製作
研究は、まず風洞を作るところからスタートした。

図１ ぼくの風洞実験装置

本物の風洞は鉄や木でできているが、小学生のぼくでも作れるダンボール製にした。
風を起こすファンは、扇風機を使った。１台では風が弱かったので２台並べた。
羽の角度を変えた実験をするために、手作りの角度計を取り付けた。
揚力の測定には、キッチンスケールとてこを使った。羽に風があたり、羽が浮き上がるとキッチンスケールの表示がへるので、へった分を揚力として測定した。３０秒間ほど測定して一番大きな数字をデータとした。
キッチンスケールは、３００ｇまでしか測れないので、羽の反対側におもりをつけてバランスを取った。おもりがゆれるとデータが取れないので、ゆれにくくするために、おもりは水の中につけた。
−３６−

８㎝ ×８㎝
面積64㎠□６㎝ ×６㎝
面積36㎠■４㎝ ×４㎝
面積16㎠

◆

羽の角度

図２ 正方形の羽１枚の揚力

揚力
羽の角度
図３ 羽の枚数を変えた実験

揚力羽の角度図４ 羽の間隔を変えた実験

揚力−３７−10㎝ ×10㎝
面積100㎠●揚力

４ 実験結果
まず、簡単な正方形の羽を厚紙で作って、羽の大きさと角度を変えた実験をした（図２）。
①羽の面積が大きい程、揚力は大きくなった。
②揚力は角度とともに大きくなるが、ある角度をピークに小さくなってゆく。
羽の大きさを同じにして、羽の枚数を変えると揚力はどうなるかを調べた（図３）。①羽の枚数が多いほど揚力は大きくなった。②羽の枚数が２倍、３倍になっても揚力は２倍、３倍にならなかった。羽どうしの影響のため、揚力が小さくなっているのではないかと考え、確かめるための追加実験をすることにした。
羽どうしの影響を調べるために、羽の間隔を変えた追加実験をした。枚数が多いほど影響が出やすいと考え、羽３枚で実験することにした（図４）。羽の間隔が大きくなると揚力も大きくなった。間隔が４㎝の時、羽１枚あたりの揚力は、羽１枚の時より大きくなった。羽どうしの影響が無くなったためだと考えた。
複葉機は、羽の間隔が狭いと、羽どうしの影響で、揚力が小さくなることが分かった。
羽の合計面積を同じにして、枚数や形を変えると揚力はどうなるかを調べた（図５）。羽の合計面積は同じなのに揚力は同じにならなかった。羽１枚の揚力が一番大きいのは、羽どうしの影響が無いからだろう。しかし、羽の間隔が同じぐらいの羽２枚と羽３枚で、揚力が同じぐらいにならないのはなぜかを考えてみた。羽の縦横比が関係しているのではないだろうかと考え、追加の実験をすることにした。
羽の合計面積を同じにして、縦横比を変えると揚力はどうなるかを調べた（表１）。①羽１枚の時は、縦横比が小さい方が揚力は大きい。
②羽２枚の時は、縦横比が大きい方が揚力は大きいが、羽の間隔が大きいとその差は少なくなる。複葉機は、羽の間隔と縦横比が揚力に関係することが分かった。
本物の飛行機の羽には、いろいろな補助部品が付いている。補助部品によって揚力がどう変わるか、厚紙で羽と補助部品を作り揚力を調べた。

羽の角度
図５ 羽の合計面積を同じにした実験

表１ 羽の縦横比を変えた実験【フラップ】
フラップは、飛行機の速度が遅い時に、揚力を増すための装置である。フラップの大きさや縦の長さで揚力がどう変わるかを調べた（図６）。①フラップが大きい方が揚力は大きくなった。②羽とフラップの合計面積は同じぐらいでも、フラップが縦長いＦ２の方がＦ１の２倍近くの揚力が出ている。つまりフラップは縦長い方が揚力は大きくなっている。
揚力

羽の フラップ
面積 の面積（㎠） （㎠）

合計面積（㎠）

最大
揚力

羽の角度

図６ フラップの実験【スポイラー】
スポイラーは、空気抵抗を増してブレーキの役目をする装置である。スポイラーを付けると揚力がどう変わるかを調べた（図７）。①スポイラーを付けると、揚力は小さくなった。②羽の角度が小さいうちは、羽を下に押し付ける力がはたらいている。③数や付ける位置による違いは、あまりなかった。

揚力
羽の角度

図７ スポイラーの実験

今までの実験は、羽の形や枚数を変えたデータを取りやすいように、作りやすい平らな羽を使って実験した。実際の飛行機の羽は、断面がふくらんだ形をしている。６種類の断面の形の羽を厚紙で作って揚力を調べた（図８）。予想に反して、ふくらみはあるが下板の無いＦ４以外は、平板より小さな揚力しか出なかった。

揚力
羽の角度

図８ ふくらみのある羽の実験

ライト兄弟のことを調べるうちにＮＡＳＡのＷｅｂサイトで、ライト兄弟の飛行機の型紙を見つけた。ぜひ自分の風洞で揚力を調べてみたいと思い、型紙をダウンロードして食品トレイの発泡スチロールで作り、揚力の測定をした（図９）。予想通り年代が後−３８−

になるほど大きな揚力が出た。
ライトフライヤーと羽の枚数、大きさ、間隔が同じ平板の揚力を比べてみた（図１０）。
ライトフライヤーは、平板より最大揚力は力が出ているので、飛行機の羽としては優揚力

小さいが、角度が小さい時から安定した揚れている。

羽の角度

紙製の平らな羽と１９０３年ライトフライヤ

図９ ライト兄弟の羽の揚力を測定

ーでは、なにが違うのか考えてみた。ライトフライヤーには、主翼以外に尾翼がついている。尾翼の有り無しが関係あるかもし揚力れないと考えた。それを確かめるために、主翼だけのライトフライヤーを作って揚力を比べることにした（図１１）。予想に反して、主翼だけでも、小さい角度から最大の揚力がでた。角度を大きくしていっても、３５度ぐらいまでは、尾翼の有り無しでほと羽の角度

図１０ ライト兄弟の羽と平板の揚力を比較

んど変わらなかった。１９０３年ライトフライ
ヤーは、主翼だけでも小さい角度から安定した揚力が出ることになる。ライト兄弟の羽のすごさが分かった。

揚力

５ おわりにこの研究では、試作した羽や使わなかったデータも含めると、羽を７８個作り、８０８回データをとった。大変だったけど、羽の形によって揚力が変わるのが、おもしろかった。ま羽の角度た、実際に自分で風洞を作ってみて、科学の図１
１ ライト兄弟の羽の尾翼の有り無し比較
実験は実験装置を作ることが、実験と同じぐらい大切であり、難しいことが、よく分かった。
羽になぜ揚力がおこるのか、羽の形や角度によってなぜ揚力が変わるかなどをこの研究で調べようとしたが、今のぼくには、難しすぎる内容だった。二つの なぞ は、ぼくの将来の夢である宇宙工学を学んでゆく中で、この研究の事を忘れず、きっと解決してゆきたい。
６ 参考にしたＷｅｂサイト
Learning to Fly : The Wright Brother's Adventure NASA(https : //www. nasa. gov/audience/foreducators/topnav/materials/listbytype/Learning.
to. Fly-The. Wright. Brothers. Adventure. html)−３９−