飛行の仕組みを説明する唯一の方法はない

はっきりさせておきましょう。飛行機は複雑です。確かに、一枚の紙を特定の方法で折れば飛ぶことは可能です。しかし、飛行の物理学は単純ではありません。飛行中の飛行機にかかる力を短い動画で説明するのはさらに困難です。先日、WIREDで飛行の物理学に関する動画を公開しましたが、まさにその通りです。

このビデオに対する最も一般的なコメントの 1 つは次のようなものでした。

この動画の何がおかしいんだ？飛行機の飛び方を説明しようとしている奴がいるのに、「ベルヌーイ」という言葉すら使っていない。飛行機が飛ぶのはベルヌーイの定理によるものだということは誰もが知っている。この奴は学校に戻った方がいい。

ええ、学校に戻るというのは確かにその通りかもしれません（いつでももっと学べますからね）。でも、飛行機が飛ぶ仕組みを説明するのにベルヌーイの定理は実際には必要ないことが判明しました。

飛行機の飛行を説明したいとしましょう。次のようなよくある説明が使えます。

翼の上部は湾曲しています。翼が空中に飛び出すと、一部の空気は上部を通り、一部は下部を通過します。上部の空気の経路は長いため、より速く進む必要があります。ベルヌーイの定理によれば、空気の流れが速いほど圧力が下がります。上部の圧力が下がると、飛行機は押し上げられます。これは物理的な原理です。

残念ながら、このような説明には問題があります。まず第一の問題は、空気が上空を通過する速度が速いのは、経路が長いからではないということです。これは全くの誤りです（飛行に関する説明のよくある問題点を説明したこちらの素晴らしい動画をご覧ください）。第二の問題は、複雑な概念（飛行）を別の難解な概念（ベルヌーイの定理）で攻略していることです。ベルヌーイの定理を使うと、飛行の物理学は連想ゲームのようになります。私が「揚力」と言えば、あなたは「ベルヌーイ」と言うでしょう。それが何を意味するかは気にせず、ベルヌーイが正しい答えだということを覚えておいてください。

このような説明は他の分野でも見られます。私が気に入っているのは、地球の季節の原因は何かという疑問です。あるいは、私がよく言うように、「なぜ夏は暑いのか？」ということです。街の人に尋ねれば、ほとんどの人が地球の軸の傾きについて何か言うでしょう。確かに、地球（北半球）は軸が傾いているために暖かいのです。しかし、さらに問いただして、なぜ暖かくなるかと尋ねると、地球の傾きによって太陽に近づき、その結果、物体が温まるのだと答える可能性が高いでしょう。ヒント：これは間違いです。夏が暖かい本当の理由は、太陽が空高くを長い時間移動するためです。これらの要因はどちらも、地面が太陽熱でより熱くなり、気温が上がることを意味します。実際、地球の軌道は完全な円形ではないため、夏は太陽から遠ざかります。それでも、冬よりは暑いのです。

つまり、結局、人々は（飛行機の飛行に関してであれ、季節の理由に関してであれ）誤った理解を抱いてしまうのです。

翼の揚力については、より基本的な考え方、例えば運動量原理を使うのが好きです。これは、ボールが壁に当たったときに生じる力を説明するのと同じ考え方です。人間は、ベルヌーイの原理よりも、バウンドするボールのイメージの方が理解しやすいでしょう。翼の仕組みを簡単に説明します。翼は空気に衝突し、空気を押し下げます。力は2つ1組で作用するため、空気を押し下げるということは、翼を押し上げることを意味します。さあ、この力が揚力と呼ばれるものです。

これは、科学コミュニケーションにおける私の第一のルールと一致しています。

説明が100%正しいことは滅多にありませんが、100%間違っていることはあり得ます。目標は文章を正しく書くことではなく、間違えないことです。

飛行動画は全体像を語ってはいませんが、間違いではありません。また、揚力を運動量原理で説明するのは新しいことではありません（例えば、この論文をご覧ください）。しかし、これでは全体像は説明できません。翼と空気の相互作用は、翼の底面だけでなく、翼上面の空気に何が起こるかによっても左右されます。物理学では、常に複雑な問題です。