【物理】地上でのヘリコプターのホバリング

先日Twitter にて、
【ヘリコプターが数時間ホバリングしても同じ場所に着地するのは不思議。】
という内容のツイートが流れてきました。
リプ欄を確認すると多くの人が
「地球の自転による慣性の法則が働いているので～～。電車内でジャンプしたときと同じ現象が～～。」という解説をされていました。

なるほどな、と思う一方で
（理論的にはそうかもだけど、風の影響やら運動エネルギーの損失(?)やらある現実世界で、そんな結論になるか？そもそも電車内でのジャンプとホバリングは全く違う動作なのでは？）
とも思いました。

なので、私的には
「ヘリコプターがその場でホバリングできるのは、操縦士が適宜調整をしているから」
という結論に達したのですが、これは間違っているのでしょうか。

有識者のかたいらっしゃいましたら、ご教授いただければ幸いです。

No.9 ベストアンサー 回答者： yos1912 回答日時： 2023/04/12 21:24

ホバリングというのは、地表の景色とかを見ながら位置や高さがずれないようにする技術です。

この点から見れば、何時間もホバリングをして同じ位置に着陸できるのは操縦士が適宜調整しているからに他なりません。
　ホバリングで一番問題になるのが重力にどう逆らうかということです。実は何もしなくても、同じ位置の上空に静止できるところが一つだけあります。地表から３万８千km上空の静止衛星の軌道です。それも赤道上空のみに限られます。ここでは重力(引力)を公転の遠心力が打ち消していますから、いつも同じ位置にいることができます。
　話を戻します。ホバリングでもし地表に目標となるものがなくツルベタだったと仮定してみます。地表は見えますから高度だけはわかります。ホバリング開始時点では、その時点と地点での東の方向に自転速度と同じ速さで飛んでいることになります。
　もし星が見えたとしたらその星の方向に飛んでいることになります。地球は丸いので、だんだん地表から離れていきますが、高さは調整できるので、この時の下(＝引力or地球中心の方向)に降りて行くことになります。
　－話はややこしくなってきてますが今しばらくおつきあいください。－
　この動きを続けるとどのような軌跡になるのかというと、出発地点から真東に向かう大円になります。つまり、地球の裏側を通るコースになります。一応説明しますが、東の方角と真下の方角の作る平面と地球の表面の光線は平面が地球の中心を通るから大円になっているといえます。飛行機の経路で大円が最短というのとほぼ同じ理由と考えていいと思います。あるいは人工衛星の軌道が大円になっている(地球中心を中心にしてまわっている)というのでも理解できると思います。
　ホバリングをしていると、実際は地球上を大円を描いて進むのに対して、出発点は緯度線という小円に沿って進みます。従って、ホバリングしているつもりでも出発点から見るとだんだんずれていきます。
　この時のずれは、風にあおられたりする力に比べてはるかに小さなものです。流されているのを修正している内にこのずれも修正していることになります。
　というようなことを考えてみると、操縦士が絶えずその位置を修正しているというのが答えになります。

No.12 回答者： chiha2525 回答日時： 2023/04/13 08:25

この人は、ヘリコプターが前後左右にも移動することが出来る、ということを知らないのでしょうかねｗ

No.11 回答者： Wahahahaha- 回答日時： 2023/04/13 08:10

そもそもヘリコプターなんてテイルローターがなかったら、ぐるぐる回ってしまって（メインローターと反対回転）、ホバリングも何もありゃしない。

その時点ですでにコントロールされている。

No.10 回答者： n556 回答日時： 2023/04/12 21:55

パイロットが細かく操縦しているから、同じ場所に居られるのです。

なお、無風より向かい風がある方が安定するそうです。

No.8 回答者： trajaa 回答日時： 2023/04/12 15:44

ちょっと思考実験してみた

空気の影響を受けない場所として月を例に考えてみます
月の赤道付近では秒速５ｍ弱の速度で自転しているそうです

このページに、アポロ15号の乗組員が行った実験映像があります
ハンマーと羽の落下速度の確認
https://dailynewsagency.com/2019/05/30/hammer-an …

実験映像でどちらも同じ速度で落下しています
落下に要した時間はざっと1秒くらいでしょうか？

目測ですが落下させた位置からまっすぐ下に落ちたように見えます
厳密な緯度経度が不明で自転速度がどのくらいかも確認できませんが
空気のない月面でもまっすぐ落下していると解釈すれば、慣性の法則によると言えるのでは無いでしょうかね

実験の目的も違うし、映像も昔のものなので鮮明じゃないですけどね

No.7 回答者： satouhiroshi 回答日時： 2023/04/12 15:36

地球の赤道に沿って一周すると、その長さは、40,000kmです。

地球は、約24時間で一回転の自転をしますので、40,000/24≒1,667km/hrで、時速が約1,667kmで動いています。秒速だと約463mです。慣性が無くて、大気も無かったら、地面から離れているヘリコプターは、1秒間に約463mも地表に置いてき掘りに成りますが、飛び立つ/離陸する前から地面と共に動いていた慣性があるし、地球の大気(空気)も地表と共に動いているので、ヘリコプターが垂直に上昇/離陸すれば、離陸した地点の上空に留まっていられるのです。
　北極点や南極点では、遠心力がゼロなので100kgのオモリは、100kgのままですが、赤道上では、地球の自転に依る遠心力が最大MAXになり、オモリの重さは、99.61kgに成ります。この差、390gが遠心力なのです。
https://www.aandd.co.jp/products/keiryo_kiki/tec …

No.6 回答者： taunamlz 回答日時： 2023/04/12 15:32

【ヘリコプターが数時間ホバリングしても同じ場所に着地するのは不思議。

】
というのが自転の影響を受けないという意味なのであれば、地球の自転の速度を甘く見ているのは明らかです。

自転の影響により、日本は時速1500kmで移動しています。
それはつまり、慣性がなかったら、ジャンプしたり、ホバリングした瞬間に時速1500kmで飛んでいくということです。


風の影響をうけ、ヘリコプターが移動するのも、その影響を操縦士が相殺しているのも事実です。
でも、慣性の影響に比べたら微々たるものです。

No.5 回答者： mimazoku_3 回答日時： 2023/04/12 15:24

ホバリングしても位置を保つためにその場に（地上目標を視認して）いつづけるから、自転速度に同期してると思います。

つまり、パイロットが・・・と言う部分は正しいですよ。

No.4 回答者： angkor_h 回答日時： 2023/04/12 15:16

地球の自転速度は、赤道上で約460ｍ/ｓにもなります。

音速(約340m/s)を超えていますね。
そこでジャンプしても、同じ地点に着地できます。
それは、その人も同じ速度で移動しているという慣性によります。
地表の空気も一緒に移動しています。
ヘリの低空ホバリングで位置がずれないのは、
離陸時の慣性が保存され、空気が運んでくれている、からでしょう。
もちろん、操縦技術も必要です。

航空機はより上空を飛びますが、
この巡航速度は、対空速度が基準です。対地速度ではありません。

宇宙ロケットの発射は、より赤道近くのほうが有利です。
地表の自転速度の慣性が利用できるからです。

ご参考まで。

この回答へのお礼

回答ありがとうございます！
私の中では操縦技術の占める割合が大半で、慣性の法則は微々たるものであると考えていたのですが、改めて地球の自転速度を数字で見ると納得です……

補足知識まで、ありがとうございます！

お礼日時：2023/04/12 15:29

No.3 回答者： trajaa 回答日時： 2023/04/12 15:14

自転の影響を云々する以前に

地表を拭く風は無視できるんでしょうか？？

この回答へのお礼

私も慣性の法則を語るには他の要素が大きすぎる気がしたので
元のツイートへの反応に自転の話を持ち出すのは不適切な気がして…

お礼日時：2023/04/12 15:27