グライダーの安定について

グライダーを作成しているのですが、どの参考書を見ても、以下のようなことが書かれています。

基本的に空力中心（全機の揚力中心）より前方に重心があるならば安定である。なぜなら、ある安定状態（釣り合い状態）から外力によって少し頭上げモーメントが発生したとき、頭を下げるような力が働くからである。

この理屈は分かります。しかしここで疑問なのですが、そもそも重心と空力中心が一致していなければモーメントが発生して釣り合い状態にはならないのではないですか？この場合ですと空力中心が重心の後方にあるので常に頭下げモーメントが発生して墜落してしまうような気がしてなりません。
多くのネット上の関連ページを見ても、なぜ重心と空力中心が一致していないのに釣り合い状態になるのかということが書かれていません。

どなたか航空力学に詳しい方、御回答願います。

No.13 回答者： Yosha 回答日時： 2008/10/08 04:30

ANo.12です。

　一部間違いがありましたので訂正します。

４段目の　---　「基本的に空力中心（全機の揚力中心）より前方に重心があるならば安定である」ので、この状態から考察していきましょう。　---　の引用文中の「（全機の揚力中心）」は間違いなので削除してください。

正しくは、
　　「基本的に主翼の風圧中心より前方に重心があるならば安定である」ので、…
です。

No.12 回答者： Yosha 回答日時： 2008/10/07 04:50

>なぜ重心と空力中心が一致していないのに釣り合い状態になるのか

まず、用語を使い分けましょう。　単に「空力中心」といった場合は「主翼の空力中心」、尾翼の揚力を含んだ全体の空力中心を「全機空力中心」と呼びましょう。

この２つの空力中心を混同しながら考えたところに、疑問が発生したのでしょう。

「基本的に空力中心（全機の揚力中心）より前方に重心があるならば安定である」ので、この状態から考察していきましょう。　尚、解り易いように数式は使わないようにします。

安定を云々する時、航空機に働く３つの力の位置関係は左に飛行するとして、左(前方)から重心に下向きの機体重量、主翼の風圧中心(空力中心に近い)に上向きに揚力、水平尾翼による釣合力(負の揚力)が下向きに、それぞれ作用します。

機体重力と、全機の揚力中心＝主翼の揚力＋水平尾翼による釣合力の合力、とが同じ力で互いに反対方向に作用して、釣合が保たれています。


>空力中心が重心の後方にあるので常に頭下げモーメントが発生して墜落してしまうような気がしてなりません

上記の３つの力のうち、“水平尾翼による釣合力”を無視した結果、墜落という結論になってしまうのです。


>ある安定状態（釣り合い状態）から外力によって少し頭上げモーメントが発生したとき、頭を下げるような力が働くからである。

このことをもう少し詳しく考えてみましょう。

外力によって少し頭上げモーメントが発生し、機首が上がったとします。　
主翼の迎え角が増加し、機体は上昇を始めます。　主翼の風圧中心は前方に動き、機首上げを増加しようとしますが、その量は僅かです。　一方機首が上向くことにより水平尾翼の迎え角も増加し(水平尾翼の湯力の面でいえば迎え角は減少)負の揚力が減少しますので、機首は下がろうとします。　

機が上昇することによって機速は下がり始めます。　減速により主翼の揚力と尾翼の負の揚力ともに減少してきます。　このとき、重心位置が、風圧(空力)中心の前にあるために、機首は下がり始め、やがて降下を始めます。

降下を始めると、機速は増加し始めますが、元の高度に戻ったときには、機首はまだ下がったままですのでそのまま降下を続けます。　機速が最初の時より増加すると主翼の揚力の増加と水平尾翼の負の揚力の増加により、機首が上がってきます。

通常では、機首の上下(機速の増減)を繰り返しながら徐々に元の高度と姿勢に戻っていきます。　

実機のテストでは、安定した状態から、手動で機首を上げて、手を離します。　機体が正の安定性を持っていたなら10回くらいで、機は安定します。

重心位置と空力中心との距離が離れるほど安定しますが、操縦性は悪くなります。　また水平尾翼の負の揚力が大きくなり抵抗が増加しますので自動車でいうところの燃費(Specific Range)が悪くなります。 逆に近づけ過ぎると機体の反応が鋭くなりすぎふらふらするので、機の目的によって折り合い点を見つけているようです。


重心位置が空力中心の後ろにある場合、どうなるかは自分で考えてみてください。　
ポイントは、水平尾翼の負の揚力の状態です。

尚、機の安定については、飛行機もグライダーも同じ原理です。　重心および各揚力の位置関係とエンジンの有無とはまったく関係ありません。

No.11 回答者： adasw-12 回答日時： 2008/09/16 19:15

飛行の意義と意味を錯誤していませんか？

http://hwpbc.gate01.com/kattak/rc/spl8/spl8.html

No.10 回答者： ElectricGamo 回答日時： 2008/09/16 18:31

用語のことなのですが、圧力中心は空気力がその周りに作るモーメントが0になる位置、空力中心はモーメントが迎角にかかわらず一定となる位置のことで、別のものです。

縦方向の釣り合いであれば圧力中心を用いた議論が分かりやすいですし、ピッチング方向の釣り合いであれば空力中心を用いた議論の方が
よい気がします。

それは別として、全機の圧力中心ですが、“主翼や尾翼、胴体も含めて機体に作用する空気力が作るモーメントが0になる位置”と解釈して答えてみます。

>この方法によって安定するということは分かるのですが、
>この方法ですと結果的に水平尾翼の揚力の減少によって
>全機の圧力中心を前方に移動させていることになるので
>はないですか？

その通りです。主翼の圧力中心よりも重心が前にありますから、全機の圧力中心を重心と一致させるには、水平尾翼により全機の圧力中心を前方に移動させる必要があります。

重心周りに主翼が作るモーメントは頭下げなので、何かで頭上げのモーメントを発生させないと飛ぶことができません。水平尾翼をつけることでモーメントを0にすることが可能です。また、釣り合いまわりに変動が起きても揚力の増加減少がその変動をキャンセルする方向に働きますので、復元力を期待できます。このあたりはNo.2,9さんがおっしゃている通りです。

>滑空状態では全機の圧力中心が重心と一致し、頭上げになると
>圧力中心が自動的に後方に、頭下げになると圧力中心が前方に
>自動的に移動するのですか？

滑空状態であっても頭上げでも頭下げでも、その姿勢が維持できているのであれば、全機の圧力中心と重心は一致しているはずです。

一方で、これが翼の圧力中心の話であれば別です。ただし、これ以降は一般的な話で、中には例外もあります。

翼にはその周りのモーメントが迎角によらず一定となる空力中心と呼ばれる位置があり、おおむね翼長の25%の位置にあります。圧力中心はそれよりも後ろ側にあるのが普通です。

まず頭上げになると迎角が増して揚力が増えるので圧力中心に作用する力は大きくなりますが、空力中心周りのモーメントは変わりません。この場合、圧力中心が空力中心に近づく、つまり前方に移動していることになります。

逆に、頭下げの状態ですと、迎角が減少し、圧力中心に作用する力は減りますが、空力中心周りのモーメントは変わりません。この場合、圧力中心は空力中心から遠ざかる、すなわち後方に移動します。

ですので、質問の後半部分の答えは逆となります。

No.9 回答者： fusem23 回答日時： 2008/09/16 16:16

No.2です。

航空工学はまったく素人ですので、すっきりと回答できないのですが…
でも、質問の主旨を逸脱した回答が多いように思います。

安定とは、ある状態でモーメントが０となり、運動の変化が起きないことと、そこから僅かにずれた時、復元力が働くことです。

例:
斜めの鉛筆：不安定（倒れる）
机に立てた鉛筆：不安定（振動したら倒れる）
吊り下げられた鉛筆：安定

回答には、この区別がされていないか、片方だけの説明のものが見られます。
私なりの説明では、頭が上がった時、揚力が大きくなり、重心との間で頭を下げる方向でのモーメントが発生するから、と理解しております。

No.8 回答者： ojisan7 回答日時： 2008/09/16 15:01

No6です。

>グライダーは基本不安定なのでしょうか？制御が必要ですか？

そういうことではありません。No6でも述べたように、重心は揚力中心の付近であれば、多少その位置が前後しても、一応安定します。機体のピッチングに対して、水平尾翼が安定を保とうとトルクを発生するからです。飛行機は基本的に安定で巧妙な自動制御システムなのです。これはライト兄弟（実際はリリエンタールでしょうか）が後世に残した偉大な貢献です。
飛行機の中で乗員が動き回ったり、燃料が減ったり、また、貨物が多少移動しても、基本的に飛行機は安定を失いません。
私がいいたいことは、グライダーはエンジンを搭載していないので、推力を得るために重力を利用しているということです。空気の抵抗に抗してグライダーが前進するためには、重力による位置エネルギーを利用しているということです。そのために、重心を揚力中心の前方に配置しているのです。

No.7 回答者： mauchi 回答日時： 2008/09/15 22:31

関係ない話ですが、

飛行機がなぜ空を飛ぶ事が出来るのかは、

科学的には説明できない、実ははっきりと分かっていない、

だそうですよ。とすると調べていくとある時点で
誰にも説明が出来ない問題、が出てくるのかもしれません。

No.6 回答者： ojisan7 回答日時： 2008/09/15 18:44

飛行機の揚力中心は主翼にあります。

水平尾翼は機首を安定させるために必要なモーメントを発生させる役割をします。ですから、重心は揚力中心の付近であれば、多少その位置が前後しても、一応安定します。水平尾翼が安定を保とうと正、負の揚力を自然に生み出すからです。飛行機の重心は原則的には揚力中心（の真下）と一致させるように設計すべきでしょうが、実際の飛行機では、機種によって必ずしもそのようになってはいません。これは目的や条件によって設計が異なるからです。これらの条件は非常に複雑です。ある条件を優先させれば他方の条件は犠牲になるからです。ですから、あるところで折り合いをつけなければなりません。そこが設計者が一番頭を悩ますところではないでしょうか。

ところで、グライダーの場合、重心がなぜ揚力中心の前方にあるのかといえば、グライダーはエンジンを搭載しておらず、自由滑空する乗り物だからです。重心を揚力中心の前方にすることにより、重力の分力を推力として利用することが出来るからです。これは紙飛行機の原理と同じですよね。

この回答へのお礼

御回答ありがとうございます。

＞ところで、グライダーの場合、重心がなぜ揚力中心の前方にあるのかといえば、グライダーはエンジンを搭載しておらず、自由滑空する乗り物だからです。
＞重心を揚力中心の前方にすることにより、重力の分力を推力として利用することが出来るからです。これは紙飛行機の原理と同じですよね。

ということはグライダーは基本不安定なのでしょうか？制御が必要ですか？

お礼日時：2008/09/15 22:04

No.5 回答者： adasw-12 回答日時： 2008/09/15 17:37

ようやく時間が出来たので。

　

あのね。＾＾
飛行機のオモリはどこにつけるの？　つ＾＿＾）つ

機種が重い場合と軽い場合ではどう違うだろう。
オモリを前、中心、後ろへずらして飛ばしてみよう！　＾＿＾

どう言う飛び方するのかな？
何で元に戻ったのかな？
＃２さんの回答を良く研究しましょう。

航空力学は「馬鹿」でも出来ます。　つ＾＿＾）つ

重心と言う言葉で惑わされてはいけません。
「オモリ」　つ＾＿＾）つ
「飛行機」　＾＿＾

No.4 回答者： sparrow32h 回答日時： 2008/09/15 17:22

揚力＋抗力は斜め後方に働くんですよ。

だから、重心から見て空力中心（作用点）が力と同じ方向（斜め後）にある場合だけモーメントが０になり、安定するのです。