『ブラックパンサー2』のナモールの足首の翼は本当に機能するのか？

マーベル映画『ブラックパンサー2：ワカンダ・フォーエバー』の予告編で、クールなキャラクターが登場します。足首に小さな翼をつけて飛ぶキャラクターです。このシーンでは、彼が落下を防ぐために翼を羽ばたかせながら、ゆっくりと斜めに降下していく様子が映し出されています。

一見すると、これは明らかに物理法則に違反しているように思えます。そもそも、ナモールというキャラクターは人間サイズであり、あんなに小さな飛行装置で直立飛行できるはずがありません。（厳密に言うと、彼は人間ではありません。サブマリナーとも呼ばれるアトランティス王国の船長です。）これはまさに分析を待つ問題です。

しかし、この足首の翼が本当に機能するかどうかという物理的な検証に入る前に、マーベル・シネマティック・ユニバースにおけるヒーローたちの様々な飛行方法について簡単に振り返っておくのが良いでしょう。（もちろん、この議論はMCUだけに限定しています。空飛ぶスーパーヒーローを全て含めると、選択肢が多すぎるからです。）

飛行機のように飛ぶ

翼は基本的に、わずかに傾いた状態で空気中を移動する大きな平らな面です。走行中の車の窓から手を出し、空気に上下に押されると、飛行機の翼でも同じことが起こります。空気分子は傾斜した面で跳ね返り、下に押し下げられます。しかし、力は常に2つの物体間の相互作用であるため、翼が空気を押し下げるということは、空気が翼を押し上げることを意味します。この上向きの力を揚力と呼びます。この力の値は、翼の傾き、翼の大きさ、そして飛行機の速度によって異なります。

この翼はやや上向きに傾いているため、空気から後方に押す力も加わります。この効果は抗力と呼ばれます。この抗力により、航空機は何かが前方に押し出さない限り、静止した空気中で長時間飛行することはできません。これがジェットエンジンが必要な理由です。

飛行機の飛行の物理学について、ほんの数文で説明しました。さらに詳しく知りたい方は、猛暑の中で飛行機が離陸できない理由を説明する飛行物理学の例をご覧ください。

もちろん、鳥はこれらすべてをエンジンなしで行います。翼を使って揚力（そして抗力）を生み出し、その抗力を打ち消すために羽ばたきます。（まあ、実際はもう少し複雑です。鳥の翼の空気力学は、翼が作り出す乱流渦のため、飛行機の翼の空気力学とは少し異なります。これは特に、ハチドリのようにその場でホバリングできる鳥に当てはまります。）

Who uses a wing method to fly in the MCU? Two examples come to mind: Falcon (from Captain America: The Winter Soldier) and the Vulture (from Spider-Man: Homecoming). Both of these characters wear artificial wings on their backs, along with some type of engine to provide thrust.

But you don't have to be a superhero to experience this kind of flight. If you have a set of carbon-fiber wings and four engines, you can fly like Yves Rossy, also known as “Jetman.”

Flying Like a Rocket

Iron Man doesn’t have wings. He doesn’t need them. Instead, his armored suit (which is most likely not made of iron) gives him augmented strength, some type of blaster fire from his hands, and most importantly—flight. Iron Man appears to fly using something like rockets located on his feet and hands.

I'm not exactly sure how his suit produces thrust, but it seems to work like most rockets do, in that mass—the exhaust—shoots out of the thrusters. Since this expelled exhaust has mass and velocity, it also has momentum. But to change the momentum of an object (like the ejected exhaust mass), you need to apply a force. If the suit pushes on the ejected mass, then the mass pushes back on the suit, creating a basic thrust force. This is the same way a rocket flies through Earth’s atmosphere on its way to space. (Here's way more detail about the "rocket equation" than you probably ever wanted.)

But there's an important difference between a rocket and a jet engine. Both of these push mass out the back to produce thrust. An airplane’s jet engine scoops up air from outside the plane and uses fuel combined with the air as the ejected mass. However, a rocket engine only uses fuel. It doesn't need air. That’s why rockets work in outer space, but airplane engines don’t.

In my opinion, the Iron Man suit is more like a rocket than a jet engine—but I should point out that Gravity Industries made a flying suit that’s a lot like Iron Man’s but uses jet engines.

Floating

Vision, from Avengers: Age of Ultron, is a synthetic life-form. He has many of the classic superpowers (like strength, speed, durability), but he can also change his density. For that reason, when Vision flies, I assume it’s because he’s actually just floating in the air.

Is it physically possible to get a superhero to float? The answer is yes. Anything will float as long as it has a density equal to air, at about 1.2 kilograms per cubic meter. For example, if you need to build a floating metal sphere that can serve as your supervillain lair, you can—as long as it’s big enough that the density of the air inside is equal to the density of the air outside.

現実世界では、これが飛行船のような飛行機の原理です。基本的に、空気には質量があります。1メートル四方の立方体を空気で満たすと、その空気の質量は1.2キログラム（2.6ポンド）になります。空気は空中に浮くため、1立方メートルの空間には、その空気の重さに等しい上向きの力が働いているはずです。空気の立方体を何か他のもので置き換えても、外気は押しのけられた空気の重さに等しい力で、依然として立方体を押し上げます。そして、空気より軽いもの、例えばヘリウムで置き換えても、空気は立方体を上向きに押し上げ、飛行船のように浮かびます。

もちろん、人間サイズの生物のほとんどは、飛行船なしでは浮かぶことができません。人間の密度は1,000 kg/m ³に非常に近いのです。浮かぶためには、わずか75グラム、つまり0.17ポンドの質量があれば十分です。問題がお分かりでしょう。しかし、ビジョンにとっては全く問題ありません。

その他の方法

MCUのキャラクターの中には、厳密には空を飛んでいないのに、空を飛ぶような動きをするキャラクターもいます。例えば、インクレディブル・ハルクを例に挙げましょう。彼が持つスーパーパワーは3つだけです。ほぼ不滅であること、非常に強いこと、そして非常に遠くまでジャンプできることです。ハルクがスーパーパワーを使ってビルのように高くジャンプするとき、それは飛んでいるわけではありません。なぜなら、彼を空中に留める力が何もないからです。彼は非常に大きな速度でジャンプし始めるため、下向きの重力によって減速し、地面に着地するまでに時間がかかります。

そして、北欧神話の雷神であり、同名映画シリーズのヒーローであるトール。彼はもちろん超人的な力を持つだけでなく、ミョルニルと呼ばれる魔法のハンマーも使いこなします。ソーはハンマーを素早く円を描くように回転させ、掴んだまま投げることで、まるで空を飛ぶことができるのです。ハンマーがソーを地面から引き離すので、まるで飛んでいるかのように見えます。

彼が空を飛べるのはミョルニルの魔法の力のおかげだと言いたいなら、それはそれでクールだし、私もその説に全く賛成だ。でも、彼がやっていることはハルクのジャンプとかなり似ていると思う。どちらの場合も、ヒーローは筋肉を使って巨大な物体の速度を上げて地面から飛び上がる。ソーの場合、その物体とはハンマーだ。ハルクの場合、ジャンプのために加速されるのは彼自身の質量だ。

ナモールはどのように飛ぶのでしょうか?

さて、ナモールと彼の小さな足首の翼（足首に2枚ずつ）の話に戻りましょう。鳥の翼のように見えますが、彼の飛行は実際にはヘリコプターの飛行に似ています。非常に単純なレベルで言えば、ヘリコプターはロケットと似たような方法で飛行します。どちらも物体を下方に押し下げることで上向きの力を生み出します。ただし、ロケットのように燃料を排出するのではなく、ヘリコプターはローターの上から空気を吸い込み、それを下方に押し下げることで揚力を生み出します。

しかし、ナモールの翼には二つの問題がある。まず、人間サイズの体重に対して翼が小さすぎることだ。人間を地面から浮かせるには、翼幅7メートルほどの巨大な翼が必要だ。

膨大なエネルギーも必要です。スーパーヒーローのエネルギーを表す新しいお気に入りの単位は、彼らが力業を成し遂げるためにどれだけの食べ物、特にピーナッツバターとジャムのサンドイッチを食べなければならないかを表すことです。（以前ハルクとシーハルクについて試算した数値はこちらです。）ネイモアについては、ピーナッツバターとジャムのサンドイッチ1個分のエネルギーで、彼がどれくらい飛行できるかを推定してみます。

ホバリングに必要なエネルギーはどうやって推定するのでしょうか？幸いなことに、私は既に人力ヘリコプターで同様の計算を行っており、ここでも同じ基本的な考え方を応用できます。ナモールの小さな翼は、羽ばたきによって上向きの揚力を生み出すために、空気を下方に押し下げる必要があります。この下向きの推力の速度は、ナモールの質量と翼のおおよその表面積に依存します。

まず、空気の速度を計算する方法は次のとおりです (この値は、後でホバリングに必要なエネルギーを計算するために使用します)。

この式において、mはナモールの質量です。また、翼の総面積（A）、空気の密度（ρ）、重力場（g）も与えられています。質量から判断すると、ナモールは標準的な大きさの人間と同等の質量を持つように見えます。

つまり、翼の大きさを推定するだけです。4枚の翼はそれぞれ長さ10センチメートル、幅5センチメートルとします。つまり、翼の総面積は長さ×幅の4倍になります。これを用いると、翼からの下降速度は毎秒247メートル、時速552マイルとなります。これは非常に速い速度です。

次に、ホバリングに必要な電力を計算します。電力（P）は時間あたりのエネルギーと定義します。そもそもホバリングにはなぜエネルギーが必要なのでしょうか？翼が羽ばたくと、空気が押し下げられます。これにより、空気の速度は0 m/sから247 m/sまで変化します。しかし、空気の速度が変化するため、運動エネルギー（1/2 mV ²）も変化し、エネルギーが必要になります。実際には、これを電力で扱う方が簡単で、次の式が得られます。