アダム・サヴェッジがアイアンマンスーツで飛行するために知っておくべきこと

ディスカバリーチャンネルで放送中の「Savage Builds」の第1話には、かなり感動しました。これは基本的に、アダム・サベージ（怪しい伝説の怪物バスターズ）にやりたい放題をさせてあげる番組です。今回は、彼が本物のアイアンマンスーツを作ろうとします。ネタバレ注意：彼はほぼ成功します。これは、アイアンマンのアーマーをチタンで印刷し、その上にグラビティ・インダストリーズのジェットスーツを載せることで実現しました。そう、本物のフライングスーツが存在するのです。複数の小型ジェットエンジンを搭載し、人間が飛行できるだけの推力を生み出します。飛行に必要なパワーを分析した以前の分析はこちらです。（少なくとも今のところは、エピソードは無料で視聴できます。）

しかし、普通の人間がこれを操縦できるだろうか？もしかしたら。もしかしたら。アダムは試しにジェットエンジン搭載のスーツを試し、操縦方法を学び始めた。しかし、チタン製のアイアンマン・アーマーを装着するという難しさを考えると、操縦する準備はできていなかった。代わりに、リチャード・ブラウニング（グラビティ・インダストリーズの創設者）がアイアンマンのパイロットを務めた。実際に空飛ぶアイアンマンを目にした時の視覚効果は、まさに壮大だった。

さて、物理的な話です。この飛行服はどうやって操縦するのでしょうか？この飛行服には、パイロットの背中にメインジェットエンジンが1基、両腕に小型ジェットエンジンが2基ずつ搭載されています。つまり、パイロットは腕の位置を変えるだけで飛行服を操縦でき、ジェットエンジンの推力を調整する必要すらありません。実にクールな設計です。

さまざまな動作で腕を（パイロットであるその日に）どのように配置するかを見てみましょう。

ホバリングと垂直運動

発進時、パイロットは腕を斜めに伸ばします。つまり、人体には基本的に4つの力が作用します。下向きの重力と、背中のジェットからの上向きの（そしてわずかに斜めの）力です。最後に、腕のジェットから2つの斜めの力が作用します。以下は、スーツがホバリング状態（地面から離れて静止している状態）にあるときの簡略化された力の図です。

ちょっと待ってください。これらの力について話す前に、物理学の基本的な知識を確認しましょう。まず、重力があります。図ではmgで表されていますが、mは人間の飛行体の質量、gは重力場です。地球の表面では、重力場の強さは約9.8ニュートン/キログラムです。

しかし、力は一体何をするのでしょうか？最も基本的な力と運動の関係は、物体に働くベクトル力（正味の力）の合計は物体の加速度に比例するというものです。つまり、操縦者がその場でホバリングするには、正味の力がゼロでなければなりません。正味の力が上向きであれば、操縦者は上向きに加速します。

ネットの力が必要なので、ネットの力を次の式で表してみましょう。

この方程式にはいくつか重要な注意点があります。

• 変数の上にある「矢印」は、それらがベクトルであることを意味します。ベクトルとは、複数の情報を持つ変数です。変数のこの2つの部分を「大きさ」と「方向」として考えるのも悪くありません。しかし、これらがベクトル量であることは確かに重要です。
• mg はなぜ正で負ではないのでしょうか？なるほど！これはよく見かける学生の間違いです。重力場のベクトル方向 ( g ) は下向きです。これは既に変数の中に入っています。さらに負の値を加える必要はありません。そうすると方程式が全部台無しになってしまいます。
• うわっ！「左」のジェット力がパイロットの右側にある！いや、私の図ではパイロットはスクリーンを向いている。パイロットが後ろ向きなのではなく、あなたが後ろ向きなんだよ。
• ゼロの上にある矢印は何でしょう？あれはゼロベクトルです。単なるゼロとは違います。ゼロベクトルは、全方向のニュートン力がゼロの力です。x成分、y成分、z成分がゼロです。信じてください、ゼロベクトルは重要です。ほとんどの入門書では、この点について触れられていません。

しかし、ジェットの推力を変えなければ、ホバリングから加速へとどのように移行できるのでしょうか？鍵となるのはジェットアームの推力角です。パイロットがホバリングモードにあると仮定しましょう。つまり、y方向の正味の力はゼロでなければなりません。注：力の成分についてのみ議論する場合、それらは1次元であり、ベクトルではありません。つまり、このホバリングでは、y方向に4つの力が作用します。後方推力と重力に加え、2つのアームジェットからの垂直方向の力の成分も作用します。これらのアームジェットのうち1つだけを描いてみましょう。

あらゆるベクトル力は、別々の力に分解できます。力をx方向とy方向に分解すると便利です。（現実世界は3次元なので、z方向も分解できます。）xとyは互いに垂直なので、これらの成分は直角三角形の辺を形成します。つまり、中学校で習った三角法を使って、これらの成分力の大きさを求めることができます。力のx成分とy成分は、ジェットエンジンの推力角に依存します。

大したことじゃないですよね？ええ、本当に大きなことです。これで上向きに加速する方法がわかりましたね。垂直方向の推力をさらに増やす必要があります。ジェットエンジンのスロットルを変えずに、腕を体に近づけるだけでいいのです。そうすることで、力の角度（上図のθ）が小さくなり、y方向の力の成分が大きくなります。これで上向きの力が正味に発生し、加速します。

この腕の動きはx方向の推力も変化させます。つまり、推力は減少します。しかし、腕が2本あるので問題ありません。腕に搭載された2つのジェットエンジンはどちらもx方向の力を生み出します。しかし、これらの力は反対方向なので打ち消し合います。つまり、両腕で同じ動きをすれば問題ありません。

今後

誰もただホバリングしたいわけではありません。アイアンマンなら、実際に飛んでどこかへ行きたいですよね？ 前進加速するには、ジェットハンドを少しだけ後ろに向ける必要があります。後ろのジェットの角度によっては、腕を真下に向けることもできるかもしれません。飛んでいるアイアンマンを横から見た図をご覧ください。

後部ジェットからの力の前方成分が生じていることに注目してください。ジェットアームが押し戻されなければ、後部ジェットのこのX成分の力だけが前方に押し出す力となります。パイロットは加速します。他に力がない場合は、飛行中の人間はこの位置で速度を上げ続けます。目的の速度に達したら、腕をホバリング時と同じ位置に戻します。一定速度で移動している間は、正味の力は必要ありません。加速するために必要なのは力だけです。ただし、大きな空気抵抗が作用している場合は、力が多少変化します。最初の試みで超高速飛行はできないでしょう。

ああ、加速中は腕の調整が必要になるかもしれません。腕を後ろに引いて前に傾けると、垂直方向の力が変わる可能性があります。心配しないでください。腕を体に引き寄せて、上向きの腕のジェット力を大きくすることで、それを補うことができます。

回転と左右への移動はどうでしょうか？横方向の動きは上記と同じです。加速するには、その方向への正味の力が必要です。停止する準備ができたら、減速するために逆方向への正味の力が必要です。

回転に関しては、操縦士にかかる正味トルクも考慮する必要があります。トルクは回転力のようなものです。しかし、あまり先走りすぎず、今は基本的なことに留めておきましょう。ホバリングをマスターしたら、トルクと回転について説明しましょう。

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