JP2000098878A - 飛翔体を用いた技術教育システムおよびその飛翔体 - Google Patents
飛翔体を用いた技術教育システムおよびその飛翔体Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 技術の理解にもとづいた能動的な創作活動が
可能な高いレベルの技術理解を学生に与える。 【解決手段】 下記の教育過程を有する技術教育システ
ム。 （ａ）流体力学の基礎方程式にもとづく飛行機能のシミ
ュレーションプログラムにより、飛翔体の挙動をシミュ
レートし、教材の機能と基礎方程式の関係を理解する教
育過程。 （ｂ）前記飛翔体を設計し、製作する教育過程。 （ｃ）前記飛翔体の挙動を実験により確認する教育過
程。 （ｄ）前記飛翔体を、目的とする機能に最適化する教育
過程。
可能な高いレベルの技術理解を学生に与える。 【解決手段】 下記の教育過程を有する技術教育システ
ム。 （ａ）流体力学の基礎方程式にもとづく飛行機能のシミ
ュレーションプログラムにより、飛翔体の挙動をシミュ
レートし、教材の機能と基礎方程式の関係を理解する教
育過程。 （ｂ）前記飛翔体を設計し、製作する教育過程。 （ｃ）前記飛翔体の挙動を実験により確認する教育過
程。 （ｄ）前記飛翔体を、目的とする機能に最適化する教育
過程。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】難解とされる自然科学の技術
分野において、学生に高いレベルの技術の理解を得させ
る技術教育システムと、それに用いる物理的機能教材に
関するものである。
分野において、学生に高いレベルの技術の理解を得させ
る技術教育システムと、それに用いる物理的機能教材に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】教科書と教師による解説によるもの、ま
たはそれに例題による演習を加えたものである。
たはそれに例題による演習を加えたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】学生の技術理解のレベ
ルが、教科書の記載内容の受動的な理解に留まり、能動
的な創作活動に結びつく高いレベルの技術理解を学生に
与えることが困難であった。
ルが、教科書の記載内容の受動的な理解に留まり、能動
的な創作活動に結びつく高いレベルの技術理解を学生に
与えることが困難であった。
【０００４】本発明は、従来の技術教育システムの前述
の問題点を解決するためになされたものであって、技術
の理解にもとづいた能動的な創作活動が可能な高いレベ
ルの技術理解を学生に与えることを目的とする。
の問題点を解決するためになされたものであって、技術
の理解にもとづいた能動的な創作活動が可能な高いレベ
ルの技術理解を学生に与えることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成によ
る技術教育システムは、下記の教育過程を有するもので
ある。 （ａ）流体力学の基礎方程式にもとづく飛行機能のシミ
ュレーションプログラムにより、飛翔体の挙動をシミュ
レートし、教材の機能と基礎方程式の関係を理解する教
育過程。 （ｂ）前記飛翔体を設計し、製作する教育過程。 （ｃ）前記飛翔体の挙動を実験により確認する教育過
程。 （ｄ）前記飛翔体を、目的とする機能に最適化する教育
過程。
る技術教育システムは、下記の教育過程を有するもので
ある。 （ａ）流体力学の基礎方程式にもとづく飛行機能のシミ
ュレーションプログラムにより、飛翔体の挙動をシミュ
レートし、教材の機能と基礎方程式の関係を理解する教
育過程。 （ｂ）前記飛翔体を設計し、製作する教育過程。 （ｃ）前記飛翔体の挙動を実験により確認する教育過
程。 （ｄ）前記飛翔体を、目的とする機能に最適化する教育
過程。
【０００６】また、本発明の第２の構成による技術教育
システムは、下記の装置を備えたものである。 （ａ）流体力学の基礎方程式にもとづいて、飛翔体の挙
動を解析するシミュレーションプログラム。 （ｂ）前記飛翔体の挙動を解析するシミュレーションプ
ログラムの実行手段。 （ｃ）前記飛行機能を志向した物理的機能システムの製
作手段。
システムは、下記の装置を備えたものである。 （ａ）流体力学の基礎方程式にもとづいて、飛翔体の挙
動を解析するシミュレーションプログラム。 （ｂ）前記飛翔体の挙動を解析するシミュレーションプ
ログラムの実行手段。 （ｃ）前記飛行機能を志向した物理的機能システムの製
作手段。
【０００７】また、本発明の第３の構成による物理的教
材としての飛翔体は、下記の条件を備えたものである。 （１）シート状面構成材料と骨材からなり、自形を維持
できる面構造体であること。 （２）主翼と、少なくとも水平尾翼を有すること。 （３）少なくとも主翼は上反角を有すること。 （４）水平尾翼は負の迎角を有すること。 （５）凧として飛行させる時の糸の張力中心は、空力中
心より前方に位置すること。
材としての飛翔体は、下記の条件を備えたものである。 （１）シート状面構成材料と骨材からなり、自形を維持
できる面構造体であること。 （２）主翼と、少なくとも水平尾翼を有すること。 （３）少なくとも主翼は上反角を有すること。 （４）水平尾翼は負の迎角を有すること。 （５）凧として飛行させる時の糸の張力中心は、空力中
心より前方に位置すること。
【０００８】
【発明の実施の形態】実施の形態１． １．本発明の技術教育システムは、下記の教育過程を含
んでいる。 (1) 教師による講義：流体力学およびその基礎として必
要な数学、力学を含む教育過程である。これらを既に学
んだ学生に対しては、これらを省略してもよい。 (2) 計算機上でのシミュレーション学習：流体力学特に
航空機力学の基礎方程式にもとづき、飛行物体の例題を
用いて飛行現象をシミュレートし、例題の飛翔体の流体
力学的機能を理解させる。 (3) 物理的教材である飛翔体の設計と製作：講義および
シミュレーション学習で得た知識にもとづいて飛翔体を
設計し、製作する。 (4) 教材の飛翔体の飛行実験：上記により製作した飛翔
体を凧として飛行させる実験を行なう。凧としての飛行
機能の改良を試みさせ、(3) 項の設計、製作の過程を繰
り返して飛行機能の最適化を学ぶ。
んでいる。 (1) 教師による講義：流体力学およびその基礎として必
要な数学、力学を含む教育過程である。これらを既に学
んだ学生に対しては、これらを省略してもよい。 (2) 計算機上でのシミュレーション学習：流体力学特に
航空機力学の基礎方程式にもとづき、飛行物体の例題を
用いて飛行現象をシミュレートし、例題の飛翔体の流体
力学的機能を理解させる。 (3) 物理的教材である飛翔体の設計と製作：講義および
シミュレーション学習で得た知識にもとづいて飛翔体を
設計し、製作する。 (4) 教材の飛翔体の飛行実験：上記により製作した飛翔
体を凧として飛行させる実験を行なう。凧としての飛行
機能の改良を試みさせ、(3) 項の設計、製作の過程を繰
り返して飛行機能の最適化を学ぶ。
【０００９】２．飛翔体の教材の詳細 本発明の教材として用いる飛翔体の基本的特徴は以下の
通りである。 (1) 軽量のシートと形量の骨材からなり、自形を維持で
きる面構造体。 (2) 主翼と水平尾翼を有する。 (3) 少なくとも主翼は上反角を有する。 (4) 水平尾翼は負の迎角を有する。 (5) 凧として飛行させる場合の糸の接続点は、空力中心
より前方にある。糸目が複数の場合は、糸目より下部の
糸の延長点を空力中心より前方とする。
通りである。 (1) 軽量のシートと形量の骨材からなり、自形を維持で
きる面構造体。 (2) 主翼と水平尾翼を有する。 (3) 少なくとも主翼は上反角を有する。 (4) 水平尾翼は負の迎角を有する。 (5) 凧として飛行させる場合の糸の接続点は、空力中心
より前方にある。糸目が複数の場合は、糸目より下部の
糸の延長点を空力中心より前方とする。
【００１０】従来の典型的な凧は、ピッチングの安定性
を持たせるために負のキャンパー（軸に沿って下に凸な
曲面）を持つ単一の面構造体であり、４５°付近の迎え
角を持つ。これに対して、本発明の教材に用いる飛翔体
は正または零のキャンパーを持つ主翼と負の迎角を持つ
水平尾翼を持ち、水平尾翼の負の迎角によってピッチン
グの安定性を持たせている。本飛翔体は、従来の凧に比
べてはるかに小さい迎角を持ち、殆ど水平に層流条件で
飛行する飛行機に近い飛翔体である。飛行機と異なる点
は、飛行機が揚抗比を最小化して燃費を最小化している
のに対して、本飛翔体は糸に生じる大きな水平抗力が存
在するため飛翔体自体の抗力を小さくする必要性は小さ
く、揚力の最大化のみを目的としている。このため飛行
機に比べて面形状の自由度が大きく、凧としての機能の
最適化の自由度も大きい。すなわち、飛行機を凧に流用
したものより、更に凧として最適化したものが製作可能
となる。
を持たせるために負のキャンパー（軸に沿って下に凸な
曲面）を持つ単一の面構造体であり、４５°付近の迎え
角を持つ。これに対して、本発明の教材に用いる飛翔体
は正または零のキャンパーを持つ主翼と負の迎角を持つ
水平尾翼を持ち、水平尾翼の負の迎角によってピッチン
グの安定性を持たせている。本飛翔体は、従来の凧に比
べてはるかに小さい迎角を持ち、殆ど水平に層流条件で
飛行する飛行機に近い飛翔体である。飛行機と異なる点
は、飛行機が揚抗比を最小化して燃費を最小化している
のに対して、本飛翔体は糸に生じる大きな水平抗力が存
在するため飛翔体自体の抗力を小さくする必要性は小さ
く、揚力の最大化のみを目的としている。このため飛行
機に比べて面形状の自由度が大きく、凧としての機能の
最適化の自由度も大きい。すなわち、飛行機を凧に流用
したものより、更に凧として最適化したものが製作可能
となる。
【００１１】このように、本飛翔体は、従来の凧と比べ
て飛躍的に飛行性能を向上させたものである。上昇限界
高度等を従来の凧と比較してみれば、従来の凧を大巾に
改善したものであることが確認できる。
て飛躍的に飛行性能を向上させたものである。上昇限界
高度等を従来の凧と比較してみれば、従来の凧を大巾に
改善したものであることが確認できる。
【００１２】本教材の飛翔体は凧という応用形態に対し
て高度に最適化されたものであり、物理的限界に近い性
能を発揮できるものである。従来の凧のように妥協の多
いシステムでは様々な損失が存在するため、原理的な性
能限界より低い水準で現実的な性能限界が生じる。その
ため原理的な性能限界を確認する機会が得られない。自
然科学の原理の学習には、特定の機能目的をもった物理
的機能システムの性能限界を、経験を通じて実感するこ
とが極めて有効である。そのためには、その物理的機能
システムが目的とする機能の発揮に関して高度に最適化
されたものでなければならない。
て高度に最適化されたものであり、物理的限界に近い性
能を発揮できるものである。従来の凧のように妥協の多
いシステムでは様々な損失が存在するため、原理的な性
能限界より低い水準で現実的な性能限界が生じる。その
ため原理的な性能限界を確認する機会が得られない。自
然科学の原理の学習には、特定の機能目的をもった物理
的機能システムの性能限界を、経験を通じて実感するこ
とが極めて有効である。そのためには、その物理的機能
システムが目的とする機能の発揮に関して高度に最適化
されたものでなければならない。
【００１３】以上説明したように、本教材の飛翔体は流
体力学、特に航空機力学という難解な技術分野の理解を
助けるものとして極めて有効である。
体力学、特に航空機力学という難解な技術分野の理解を
助けるものとして極めて有効である。
【００１４】以下に教材の飛翔体の構成と機能を詳細に
説明する。 ２．１ 新飛翔体（ＮＦＯ）と従来の飛翔体の相違 この飛翔体は、糸に拘束されて風の中を飛翔する点で
は、従来の凧に類似しているが、空中での浮遊の形成様
式が従来の凧とは根本的に異なる。また後述する理由で
航空機やグライダーとも異なるので以後これを新飛翔体
（ＮＦＯ：ＮｅｗＦｌｙｉｎｇ Ｏｂｊｅｃｔの頭文
字）と略称する。さて、従来の典型的な凧は、風の方向
に一定の角度（迎角）を持って斜めに前傾した一つの平
面が、面に垂直な方向に風圧を浮け、これの風圧の総和
を糸の張力と自重（普通の飛翔状態では風圧の総和に比
べて無視できる）の和に拮抗させるという釣り合い条件
で飛行している。
説明する。 ２．１ 新飛翔体（ＮＦＯ）と従来の飛翔体の相違 この飛翔体は、糸に拘束されて風の中を飛翔する点で
は、従来の凧に類似しているが、空中での浮遊の形成様
式が従来の凧とは根本的に異なる。また後述する理由で
航空機やグライダーとも異なるので以後これを新飛翔体
（ＮＦＯ：ＮｅｗＦｌｙｉｎｇ Ｏｂｊｅｃｔの頭文
字）と略称する。さて、従来の典型的な凧は、風の方向
に一定の角度（迎角）を持って斜めに前傾した一つの平
面が、面に垂直な方向に風圧を浮け、これの風圧の総和
を糸の張力と自重（普通の飛翔状態では風圧の総和に比
べて無視できる）の和に拮抗させるという釣り合い条件
で飛行している。
【００１５】これに対して、ここで採用する飛翔体は、
風の中で風と垂直な方向の揚力と、この揚力より遥かに
低い水平方向の抗力を浮けて飛翔する飛行機に近い飛翔
体である。すなわち、いま風が水平に吹いているものと
すると、糸の張力の垂直成分は揚力と自重の重力と（普
通は揚力に比べて無視できる）釣り合い、糸の水平成分
は抗力と釣り合いをとりながら飛翔する。糸の張力に替
わる前方向の推力と重心を調整するための荷重を与えれ
ば、無風の空中で前方に飛行して、飛行機と類似した飛
行状態を形成する。また重心の調整によっては、前方へ
重力を推力として落下しながら前方へ滑空する推力を形
成して、グライダーと類似の飛翔体となる。ただし、Ｎ
ＦＯは、次の点で飛行機と異なる。
風の中で風と垂直な方向の揚力と、この揚力より遥かに
低い水平方向の抗力を浮けて飛翔する飛行機に近い飛翔
体である。すなわち、いま風が水平に吹いているものと
すると、糸の張力の垂直成分は揚力と自重の重力と（普
通は揚力に比べて無視できる）釣り合い、糸の水平成分
は抗力と釣り合いをとりながら飛翔する。糸の張力に替
わる前方向の推力と重心を調整するための荷重を与えれ
ば、無風の空中で前方に飛行して、飛行機と類似した飛
行状態を形成する。また重心の調整によっては、前方へ
重力を推力として落下しながら前方へ滑空する推力を形
成して、グライダーと類似の飛翔体となる。ただし、Ｎ
ＦＯは、次の点で飛行機と異なる。
【００１６】飛行機は、与えられた飛行速度に対して、
燃費に比例する揚抗比（揚力と抗力の比）を最小化する
ことが設計目標で、この目標に沿って主翼の平面形状を
最適な特殊な形に設計することが設計の一つの基本とな
る。軽飛行機で採用されている楕円翼やボーイングＢ７
４７で採用されている後退翼は最適形状の例である。
燃費に比例する揚抗比（揚力と抗力の比）を最小化する
ことが設計目標で、この目標に沿って主翼の平面形状を
最適な特殊な形に設計することが設計の一つの基本とな
る。軽飛行機で採用されている楕円翼やボーイングＢ７
４７で採用されている後退翼は最適形状の例である。
【００１７】これに対して本飛翔体では、抗力の最少化
が目標ではなく、空高く揚げることが目標である。しか
も図１に示すように飛行機と違って糸に加わる風速方向
の抗力が存在し、一般に、この抗力の方が、飛翔体の面
の抗力より大きいので、飛翔体自体の抗力を小さくする
ことの意義は小さい。従って、空高く揚げるためには、
面の抗力を最小化するよりは揚力を最大化するように骨
組み構造を最適化することが設計の基本となる。
が目標ではなく、空高く揚げることが目標である。しか
も図１に示すように飛行機と違って糸に加わる風速方向
の抗力が存在し、一般に、この抗力の方が、飛翔体の面
の抗力より大きいので、飛翔体自体の抗力を小さくする
ことの意義は小さい。従って、空高く揚げるためには、
面の抗力を最小化するよりは揚力を最大化するように骨
組み構造を最適化することが設計の基本となる。
【００１８】さて、このようにして揚力の最大化のみを
求め、抗力の最小化という目標を除外するとなると、面
形状選択の自由度は増加する。つまり、ＮＦＯとして最
適な形状は、飛行機とは異なったものである。事実、揚
抗比は強く縦横比に依存するが、揚力は必ずしも縦横比
に依存しない。例えば縦横比の小さいΔ形状の翼は、非
線形渦揚力（文献：東昭、模型航空機と凧の科学、電波
実験社、１９９２）の存在のお陰で、縦横比の大きい楕
円翼に比べて揚抗比は劣るが揚力はむしろ大きくなるの
である。凧としての最適形状をこのように認識すること
により、飛行機の設計を流用したものより、更に凧とし
ての飛行性能のすぐれた飛翔体の設計が可能となる。
求め、抗力の最小化という目標を除外するとなると、面
形状選択の自由度は増加する。つまり、ＮＦＯとして最
適な形状は、飛行機とは異なったものである。事実、揚
抗比は強く縦横比に依存するが、揚力は必ずしも縦横比
に依存しない。例えば縦横比の小さいΔ形状の翼は、非
線形渦揚力（文献：東昭、模型航空機と凧の科学、電波
実験社、１９９２）の存在のお陰で、縦横比の大きい楕
円翼に比べて揚抗比は劣るが揚力はむしろ大きくなるの
である。凧としての最適形状をこのように認識すること
により、飛行機の設計を流用したものより、更に凧とし
ての飛行性能のすぐれた飛翔体の設計が可能となる。
【００１９】このようにＮＦＯでは、飛行機と違って面
形状選択は自由であるから、最初に揚げたい平面形状を
創造し、この形状について、空高く揚げるという目標に
向かって、骨組みの構造を最適化することが設計の基本
となる。
形状選択は自由であるから、最初に揚げたい平面形状を
創造し、この形状について、空高く揚げるという目標に
向かって、骨組みの構造を最適化することが設計の基本
となる。
【００２０】２．２ 単一の面が飛行可能な条件 一般に糸で拘束され、一定の迎角て飛行している面構造
体では、糸目を中心として、次の条件が満たされてい
る。 （１）抗力＋揚力からなる風圧力と張力＋重力とが釣り
合っている。 （２）糸目周りの空気力によるモーメントと重力による
モーメントが釣り合っている。 そして、この条件を満たすためには、図１に示すように
風圧中心は重心より、糸目は風圧中心より、それぞれ面
の前縁（先端）寄りになければならないというのが凧の
飛行条件である。ただし、通常の飛行条件では、前述の
ように重力は空気力より遥かに小さいので上記の条件
は、 （１） 糸目中心（糸の延長が凧面と交わる点）は、風
圧中心とほぼ一致する。 （２） 張力は風圧力と釣り合っている。という、より
簡単な条件に置きかえられる。
体では、糸目を中心として、次の条件が満たされてい
る。 （１）抗力＋揚力からなる風圧力と張力＋重力とが釣り
合っている。 （２）糸目周りの空気力によるモーメントと重力による
モーメントが釣り合っている。 そして、この条件を満たすためには、図１に示すように
風圧中心は重心より、糸目は風圧中心より、それぞれ面
の前縁（先端）寄りになければならないというのが凧の
飛行条件である。ただし、通常の飛行条件では、前述の
ように重力は空気力より遥かに小さいので上記の条件
は、 （１） 糸目中心（糸の延長が凧面と交わる点）は、風
圧中心とほぼ一致する。 （２） 張力は風圧力と釣り合っている。という、より
簡単な条件に置きかえられる。
【００２１】以下の説明では、風圧中心は糸目中心に一
致すると仮定して説明する。ここでは、鳥や飛行機の翼
のようなアスペクト比（縦横比）が大きく、かつ厚さが
ない面を飛翔体と考えよう。この場合、機械工学便覧１
９９６版Ａ５−１０９ページに記載されているように、
迎角をαとすると無次元化された揚力係数ＣＬと空力中
心（空気力によるモーメントが迎角に無関係に一定とな
る点、この場合は面の先端から翼弦長÷４の距離にある
点）の周りのモーメント係数Ｃmac は、αが小さい場
合、次式で与えられる。 ＣＬ＝２π（Ｓｉｎ［α］＋２ｆ） ------------------------（式１） Ｃmac ＝−πｆ ------------------------------------------（式２） ここに、ｆは面の反りを表す量（キャンパー）で、翼の
最大膨らみ点の前縁と後縁を結んだ線からの高さを、翼
弦長で割ったものである。飛行機の翼のように面が上に
凸に反っている場合はｆが正、船底のように下に凸に反
っている場合は、ｆは負である。
致すると仮定して説明する。ここでは、鳥や飛行機の翼
のようなアスペクト比（縦横比）が大きく、かつ厚さが
ない面を飛翔体と考えよう。この場合、機械工学便覧１
９９６版Ａ５−１０９ページに記載されているように、
迎角をαとすると無次元化された揚力係数ＣＬと空力中
心（空気力によるモーメントが迎角に無関係に一定とな
る点、この場合は面の先端から翼弦長÷４の距離にある
点）の周りのモーメント係数Ｃmac は、αが小さい場
合、次式で与えられる。 ＣＬ＝２π（Ｓｉｎ［α］＋２ｆ） ------------------------（式１） Ｃmac ＝−πｆ ------------------------------------------（式２） ここに、ｆは面の反りを表す量（キャンパー）で、翼の
最大膨らみ点の前縁と後縁を結んだ線からの高さを、翼
弦長で割ったものである。飛行機の翼のように面が上に
凸に反っている場合はｆが正、船底のように下に凸に反
っている場合は、ｆは負である。
【００２２】またＣＬ，Ｃmac は揚力ＬとモーメントＭ
ac（後縁下がりを正）と次の関係を有する無次元の量で
ある。 ＣＬ＝Ｌ／（１／２ ρＵ2 Ｓ） -------------------------（式３） Ｃmac ＝Ｍac ／（１／２ ρＵ2 Ｓ） --------------------（式４） ここに、Ｕは風速、Ｓは面の面積、ρは空気の密度であ
る。
ac（後縁下がりを正）と次の関係を有する無次元の量で
ある。 ＣＬ＝Ｌ／（１／２ ρＵ2 Ｓ） -------------------------（式３） Ｃmac ＝Ｍac ／（１／２ ρＵ2 Ｓ） --------------------（式４） ここに、Ｕは風速、Ｓは面の面積、ρは空気の密度であ
る。
【００２３】空力中心から風圧中心、したがって糸目中
心までの距離を翼弦長で割った無次元距離をｘ（空力中
心から後縁側が正）とすると、ｘは次式から求められ
る。 −ｘＣＬ＝Ｃmac ただし、ｘは前縁から後縁に向かって正で、空力中心で
ｘ＝０である。上式のＣＬおよびＣmac に式１、式２の
ＣＬおよびＣmac を代入して整理すればｘがつぎのよう
に求められる。 ｘ＝ｆ／（２（Ｓｉｎα＋２ｆ）） ------------------------（式 ５）
心までの距離を翼弦長で割った無次元距離をｘ（空力中
心から後縁側が正）とすると、ｘは次式から求められ
る。 −ｘＣＬ＝Ｃmac ただし、ｘは前縁から後縁に向かって正で、空力中心で
ｘ＝０である。上式のＣＬおよびＣmac に式１、式２の
ＣＬおよびＣmac を代入して整理すればｘがつぎのよう
に求められる。 ｘ＝ｆ／（２（Ｓｉｎα＋２ｆ）） ------------------------（式 ５）
【００２４】図２はαを横軸にｘを縦軸にとってαとｘ
の関係を描いたものである。図の実線はｆ＝０．０１す
なわちｆが正の場合（正キャンバーの翼といい亜音速の
飛行機に使われている）、一点鎖線はｆ＝−０．０１、
すなわちｆが負の場合である。
の関係を描いたものである。図の実線はｆ＝０．０１す
なわちｆが正の場合（正キャンバーの翼といい亜音速の
飛行機に使われている）、一点鎖線はｆ＝−０．０１、
すなわちｆが負の場合である。
【００２５】さて、正キャンバーの翼の特性を見ると、
迎角αが減少すると風圧中心が後縁側に移行する。その
結果、迎角をさらに減少させるようなモーメントが働
き、迎角がますます減少し、遂には凧は前のめりになっ
て墜落する。またキャンバーがゼロの面はこれを復元す
るモーメントが働かないから一度傾くともとに戻らな
い。つまり、キャンバーがゼロか正の面は、そのままで
は飛翔できないのである。（参考文献：「凧の科学」伊
藤利朗・小村宏次、小学館、１９７９）この現象を「凧
のピッチングに関する静的不安定現象」という。
迎角αが減少すると風圧中心が後縁側に移行する。その
結果、迎角をさらに減少させるようなモーメントが働
き、迎角がますます減少し、遂には凧は前のめりになっ
て墜落する。またキャンバーがゼロの面はこれを復元す
るモーメントが働かないから一度傾くともとに戻らな
い。つまり、キャンバーがゼロか正の面は、そのままで
は飛翔できないのである。（参考文献：「凧の科学」伊
藤利朗・小村宏次、小学館、１９７９）この現象を「凧
のピッチングに関する静的不安定現象」という。
【００２６】これに対して負キャンバーの面は、αが減
少すると風圧中心は前縁側に移行しαを復元しょうとす
るモーメントが作用する。したがって負キャンバーの面
はそのままで飛行できるのである。
少すると風圧中心は前縁側に移行しαを復元しょうとす
るモーメントが作用する。したがって負キャンバーの面
はそのままで飛行できるのである。
【００２７】以上のことは、飛行機やグライダーにも、
アスペクト比が小さい翼にも成り立ち、次の法則とな
る。「水平尾翼なしで飛翔可能な面は、負キャンバー翼
だけである。」以上のような理由で、単一な面を用いた
凧には負のキャンパーが与えられている。ただし、特殊
な構造のΔ翼ないし後退翼は例外であるが、これについ
ては説明を省略する。（参考文献：B. Etkin & L D Rei
d, Dynamics of flight,p23）
アスペクト比が小さい翼にも成り立ち、次の法則とな
る。「水平尾翼なしで飛翔可能な面は、負キャンバー翼
だけである。」以上のような理由で、単一な面を用いた
凧には負のキャンパーが与えられている。ただし、特殊
な構造のΔ翼ないし後退翼は例外であるが、これについ
ては説明を省略する。（参考文献：B. Etkin & L D Rei
d, Dynamics of flight,p23）
【００２８】２．３ 古典的な凧の特性 古典的な凧とは、日本凧やオランダ凧のように負のキャ
ンバーをもつ単一な面から成るものをいう。次に負キャ
ンバーを持った古典的な凧の特性を考察しよう。まず揚
力を縦軸に、迎角を横軸にとってｆ＝０．０１、ｆ＝０
およびｆ＝―０．０１の場合の迎角と揚力の関係を図３
に描いて見よう。図で実線はｆ＝０．０１、点線はｆ＝
０、一点鎖線はｆ＝−０．０１に対応している。さて図
から次のことがわかる。 (1) すべての場合において、揚力が最大になる迎角があ
る。迎角がこれを超えると急速に揚力が低下する。この
揚力が低下した状態を失速状態という。 (2) 負のキャンバーでは最大揚力が小さい。 失速状態になると、翼の周りの流線が乱れて揚力が低下
し、風圧は面に垂直に働くようになる。凧はｆが負であ
るので、凧の迎角の低い層流領域では十分な揚力が得ら
れない。したがって、前縁に比較的近い点に糸目をとっ
て、迎角を低い状態にして（図１参照）凧を揚げると揚
力が得られない。その結果、凧糸に働く抗力が勝ち、凧
は流されて低空を飛行することになる。この状態の凧は
天井凧といわれ、古典的な凧ではもっとも嫌われる飛行
状態である。
ンバーをもつ単一な面から成るものをいう。次に負キャ
ンバーを持った古典的な凧の特性を考察しよう。まず揚
力を縦軸に、迎角を横軸にとってｆ＝０．０１、ｆ＝０
およびｆ＝―０．０１の場合の迎角と揚力の関係を図３
に描いて見よう。図で実線はｆ＝０．０１、点線はｆ＝
０、一点鎖線はｆ＝−０．０１に対応している。さて図
から次のことがわかる。 (1) すべての場合において、揚力が最大になる迎角があ
る。迎角がこれを超えると急速に揚力が低下する。この
揚力が低下した状態を失速状態という。 (2) 負のキャンバーでは最大揚力が小さい。 失速状態になると、翼の周りの流線が乱れて揚力が低下
し、風圧は面に垂直に働くようになる。凧はｆが負であ
るので、凧の迎角の低い層流領域では十分な揚力が得ら
れない。したがって、前縁に比較的近い点に糸目をとっ
て、迎角を低い状態にして（図１参照）凧を揚げると揚
力が得られない。その結果、凧糸に働く抗力が勝ち、凧
は流されて低空を飛行することになる。この状態の凧は
天井凧といわれ、古典的な凧ではもっとも嫌われる飛行
状態である。
【００２９】そこで、この天井凧を避けるため、糸目を
もっと空力中心に近づけ迎角を増すとどうなるかを考察
しよう。図４は迎角のより広い範囲で凧圧力係数ＣＴ
を、図５は風圧力係数ＣＴの垂直方向の成分ＣＴV を、
迎角の関数としてプロットしたものである。適当な揚力
があり、かつ抗力も大きいのは、迎角が４５度程度のと
ころである。古典的な凧はこの程度の低い上昇角で人間
と綱引きをやるものと解釈できよう。
もっと空力中心に近づけ迎角を増すとどうなるかを考察
しよう。図４は迎角のより広い範囲で凧圧力係数ＣＴ
を、図５は風圧力係数ＣＴの垂直方向の成分ＣＴV を、
迎角の関数としてプロットしたものである。適当な揚力
があり、かつ抗力も大きいのは、迎角が４５度程度のと
ころである。古典的な凧はこの程度の低い上昇角で人間
と綱引きをやるものと解釈できよう。
【００３０】２．４ ＮＦＯの原理 ＮＦＯは、前述の糸に拘束された飛翔体の持つ面形状の
自由度を最大限に利用して、任意の平面形状を持つ面の
断面形状のキャンバーをゼロないし正にし、この種の面
の持つ層流領域での高い揚力を利用して飛行させようと
するものである。この種の面の持つピッチングに関する
静的不安定性については、面の一部を主翼とし、主翼風
圧中心からできるだけ下流にある面のもう一部を水平尾
翼とするような骨組みとし、これを避けている。後掲す
る図９はかもめとペンギンの面形状の場合であるが、図
の縦方向のハッチの部分は主翼部分、横方向のハッチは
尾翼部分である。尾翼は飛行機やグライダーと同様に主
翼のゼロ揚力ラインに対して負の迎角を持っている。
自由度を最大限に利用して、任意の平面形状を持つ面の
断面形状のキャンバーをゼロないし正にし、この種の面
の持つ層流領域での高い揚力を利用して飛行させようと
するものである。この種の面の持つピッチングに関する
静的不安定性については、面の一部を主翼とし、主翼風
圧中心からできるだけ下流にある面のもう一部を水平尾
翼とするような骨組みとし、これを避けている。後掲す
る図９はかもめとペンギンの面形状の場合であるが、図
の縦方向のハッチの部分は主翼部分、横方向のハッチは
尾翼部分である。尾翼は飛行機やグライダーと同様に主
翼のゼロ揚力ラインに対して負の迎角を持っている。
【００３１】以下にｆ＝０およびｆ＝０．０１の場合に
ついて尾翼効果を説明しよう。いま主翼の面積をＳ、尾
翼の面積をＳｔ、空力中心から尾翼の揚力中心までの無
次元距離（距離／翼弦長）をｘとする。尾翼部分は、主
翼の無揚力線に対してｉの負の迎角を持っているものと
し、尾翼の揚力係数は主翼と同様とする。また、この尾
翼部分で流れは主翼のゼロ揚力ラインに沿っているもの
とする。
ついて尾翼効果を説明しよう。いま主翼の面積をＳ、尾
翼の面積をＳｔ、空力中心から尾翼の揚力中心までの無
次元距離（距離／翼弦長）をｘとする。尾翼部分は、主
翼の無揚力線に対してｉの負の迎角を持っているものと
し、尾翼の揚力係数は主翼と同様とする。また、この尾
翼部分で流れは主翼のゼロ揚力ラインに沿っているもの
とする。
【００３２】さて、この尾翼の追加によって、図７から
明らかなように主翼の揚力を与える式１および空力中心
のモーメントを与える式２は、次のように変わる。 ＣＬ＝２π（Ｓｉｎ(α)−（Ｓt ／Ｓ）Ｓｉｎ(ｉ)＋２ｆ） ---（式６） Ｃmac ＝−πｆ＋２πｈt （Ｓt ／Ｓ）Ｓｉｎ(ｉ) ----------（式７）
明らかなように主翼の揚力を与える式１および空力中心
のモーメントを与える式２は、次のように変わる。 ＣＬ＝２π（Ｓｉｎ(α)−（Ｓt ／Ｓ）Ｓｉｎ(ｉ)＋２ｆ） ---（式６） Ｃmac ＝−πｆ＋２πｈt （Ｓt ／Ｓ）Ｓｉｎ(ｉ) ----------（式７）
【００３３】一方、圧力中心の位置ｘは−ＣＬｘ＝Ｃma
c で与えられるから、これに式６、式７を代入して、ｘ
を与える次式を得る。 ｘ＝（２ｈt （Ｓt／Ｓ） Ｓｉｎ(ｉ)−ｆ）／（２ （Ｓｉｎ(α)−（Ｓt ／Ｓ ）Ｓｉｎ(ｉ)＋２ｆ）） -------------------------------------（式８）
c で与えられるから、これに式６、式７を代入して、ｘ
を与える次式を得る。 ｘ＝（２ｈt （Ｓt／Ｓ） Ｓｉｎ(ｉ)−ｆ）／（２ （Ｓｉｎ(α)−（Ｓt ／Ｓ ）Ｓｉｎ(ｉ)＋２ｆ）） -------------------------------------（式８）
【００３４】図７および図８は、ｉ＝２度、Ｓt ／Ｓ＝
０．１、ｈt ＝２の場合の迎角に対する揚力（ＣＬ：点
線，一点鎖線）および風圧中心（糸目中心）の位置
（ｘ：実線）を図示したものである。ｆ＝０およびｆ＝
０．０１のどちらの場合も、ｘ＜０、すなわち風圧中心
が空力中心より前縁側にあること、また迎角が増加する
とこの位置が空力中心側すなわち後縁の方向に移動して
頭下げモーメントが働き迎角をもとに戻す復元力が働く
ので、ピッチングについては静的安定性があることを示
している。また、揚力について言えば、尾翼のある場合
の揚力（ＣＬt ：点線）が尾翼のない場合の揚力（ＣＬ
0 ：一点鎖線）に比較してほとんど変化していないとい
うすぐれた特性を示している。以上の説明のように、本
発明の飛翔体は、主翼のキヤンパーをゼロまたは正とし
て、それ自体にピッチング安定性を求めず、最大揚力の
みを求め、水平尾翼の負の迎角でピッチング安定性を与
え、更に抗力の最小化という設計上の負担を解除するこ
とによって、凧としての要求機能に無駄のない最適化を
実現したものである。
０．１、ｈt ＝２の場合の迎角に対する揚力（ＣＬ：点
線，一点鎖線）および風圧中心（糸目中心）の位置
（ｘ：実線）を図示したものである。ｆ＝０およびｆ＝
０．０１のどちらの場合も、ｘ＜０、すなわち風圧中心
が空力中心より前縁側にあること、また迎角が増加する
とこの位置が空力中心側すなわち後縁の方向に移動して
頭下げモーメントが働き迎角をもとに戻す復元力が働く
ので、ピッチングについては静的安定性があることを示
している。また、揚力について言えば、尾翼のある場合
の揚力（ＣＬt ：点線）が尾翼のない場合の揚力（ＣＬ
0 ：一点鎖線）に比較してほとんど変化していないとい
うすぐれた特性を示している。以上の説明のように、本
発明の飛翔体は、主翼のキヤンパーをゼロまたは正とし
て、それ自体にピッチング安定性を求めず、最大揚力の
みを求め、水平尾翼の負の迎角でピッチング安定性を与
え、更に抗力の最小化という設計上の負担を解除するこ
とによって、凧としての要求機能に無駄のない最適化を
実現したものである。
【００３５】以上の現象は、面の縦横比などの面形状に
関係なく成立することが、航空機力学で証明されてい
る。なお、航空機では、重心の位置が糸目の位置に相当
する。
関係なく成立することが、航空機力学で証明されてい
る。なお、航空機では、重心の位置が糸目の位置に相当
する。
【００３６】２．５ ＮＦＯの構造 飛翔体の面形状と骨組みの例を図９および図１０に示
す。自然界で飛行する鳥、昆虫、こうもりなどは、飛ば
してみたいという欲求を掻き立てる面形状の好例を示唆
してくれる。ただし、自然界で飛ばないペンギンや魚や
動物を正面から見た姿なども、意外なものが飛ぶという
意味で飛ばしたいという欲求を掻き立てる形状の好例で
ある。けだし、飛行機としては駄目な縦横比の小さい形
状も、ＮＦＯの形状としては、大きな揚力を提供するの
で、性能の面でも試みる価値がある。
す。自然界で飛行する鳥、昆虫、こうもりなどは、飛ば
してみたいという欲求を掻き立てる面形状の好例を示唆
してくれる。ただし、自然界で飛ばないペンギンや魚や
動物を正面から見た姿なども、意外なものが飛ぶという
意味で飛ばしたいという欲求を掻き立てる形状の好例で
ある。けだし、飛行機としては駄目な縦横比の小さい形
状も、ＮＦＯの形状としては、大きな揚力を提供するの
で、性能の面でも試みる価値がある。
【００３７】飛翔体の薄板構造は、引っ張り衝撃強度が
高くかつ面積当たりの重量が小さい（４０ｇ／平方ｍ以
下）不織布と軽量で剛性の高い竹や有機複合材料（カー
ボン繊維やガラス繊維の複合材）の棒で構成される。こ
のような材料には、面の大きさとして、Ａ４サイズの不
織布を２枚ないし４枚継ぎたして作られる０．２平方ｍ
以下が良く、丸棒では直径は０．２〜２ｍｍの範囲が実
用的である。また天然材料の竹は曲がりを防止するため
に皮の部分を外側にして２枚張り合わせる構造が有効で
ある。このような材料を有効に使った場合、０．２平方
ｍで主翼の翼弦長が２０ｃｍ以下の飛行面を、面積密度
σが６０ｇ／平方ｍ以下で形成することが可能になる。
高くかつ面積当たりの重量が小さい（４０ｇ／平方ｍ以
下）不織布と軽量で剛性の高い竹や有機複合材料（カー
ボン繊維やガラス繊維の複合材）の棒で構成される。こ
のような材料には、面の大きさとして、Ａ４サイズの不
織布を２枚ないし４枚継ぎたして作られる０．２平方ｍ
以下が良く、丸棒では直径は０．２〜２ｍｍの範囲が実
用的である。また天然材料の竹は曲がりを防止するため
に皮の部分を外側にして２枚張り合わせる構造が有効で
ある。このような材料を有効に使った場合、０．２平方
ｍで主翼の翼弦長が２０ｃｍ以下の飛行面を、面積密度
σが６０ｇ／平方ｍ以下で形成することが可能になる。
【００３８】前述のように飛翔体の揚力Ｌは、ＣＬ×
（１／２）ρＵ2 Ｓ（式３から誘導）であるから、揚力
係数を１、重力加速度ｇを９．８、空気の密度ρを１．
２と仮定すると、Ｕ＞ＳＱＲＴ（２σｇ／ρ）≒１ｍ／
ｓとなり、この飛翔体は１ｍ／ｓの風速でも揚げられる
ことになる。さらに、後述するような骨組み構造を採用
すると上記の軽量凧が１０ｍ／ｓの強風に耐えられるよ
うにできる。
（１／２）ρＵ2 Ｓ（式３から誘導）であるから、揚力
係数を１、重力加速度ｇを９．８、空気の密度ρを１．
２と仮定すると、Ｕ＞ＳＱＲＴ（２σｇ／ρ）≒１ｍ／
ｓとなり、この飛翔体は１ｍ／ｓの風速でも揚げられる
ことになる。さらに、後述するような骨組み構造を採用
すると上記の軽量凧が１０ｍ／ｓの強風に耐えられるよ
うにできる。
【００３９】以上のことは、本発明の飛翔体はとくに風
のある日を選ぶことなく、また強風を避けることなく、
日常的にＮＦＯの実験の機会が得られることを意味して
いる。
のある日を選ぶことなく、また強風を避けることなく、
日常的にＮＦＯの実験の機会が得られることを意味して
いる。
【００４０】ＮＦＯの製作に当たっては、例えばＰＣ上
で面の形状が創作され、Ａ４サイズの２ないし４枚の不
織布にインクジェットプリンタで印刷が施され、これら
が切り抜かれ貼り合わされて一つの面が形成される。図
９は図形の例である。図形としては、とくに凝った場合
以外は、左右対称である。図において、横方向のハッチ
の部分は主翼、縦方向のハッチの部分は尾翼に相当す
る。なお、図形としては、飛翔体であるから、風圧が大
きい前縁の部分は一本ないし複数の折れ線で近似できる
単純な形状が推奨される。
で面の形状が創作され、Ａ４サイズの２ないし４枚の不
織布にインクジェットプリンタで印刷が施され、これら
が切り抜かれ貼り合わされて一つの面が形成される。図
９は図形の例である。図形としては、とくに凝った場合
以外は、左右対称である。図において、横方向のハッチ
の部分は主翼、縦方向のハッチの部分は尾翼に相当す
る。なお、図形としては、飛翔体であるから、風圧が大
きい前縁の部分は一本ないし複数の折れ線で近似できる
単純な形状が推奨される。
【００４１】図９を参照しながらＮＦＯの構造を説明し
よう。ＮＦＯの骨材にカーボンファイバを使用する場
合、一つの飛翔体について、太骨（Ａ４×４のシートサ
イズでは１．４φ〜１．６φ）と小骨（０．８φ〜１．
０φ）の２種類が使われる。まず、小骨が面の裏面で次
のような順序で貼り付けられる。 (1) 左右対称図形の中心線（ａ−ａ）上 (2) 図９のように鳥のような横に伸びた図形の場合に
は、図形の左右約半分の位置にある中心線と平行な線
（ｃ−ｃ）上 (3) 前縁の近傍に複数本 (4) ペンギンの図形で見るように前縁を飛び出した部分
は複数の小骨で補強 (5) 前縁の小骨と線（ａ−ａ）および線（ｃ−ｃ）とに
またがる斜交い (6) 尾翼の外縁 このように骨材の配置は三角形を継ぎ合わせたようにす
ることが望ましい。四角形を継ぎ合わせた配置では、飛
翔体に禁物な捩じれを防止できないからである。以上の
ように小骨を配置すれば、飛翔体の面構造が出来上が
る。ただし、線（ａ−ａ）および線（ｃ−ｃ）では、ま
だ自由に折れ曲がることができる。
よう。ＮＦＯの骨材にカーボンファイバを使用する場
合、一つの飛翔体について、太骨（Ａ４×４のシートサ
イズでは１．４φ〜１．６φ）と小骨（０．８φ〜１．
０φ）の２種類が使われる。まず、小骨が面の裏面で次
のような順序で貼り付けられる。 (1) 左右対称図形の中心線（ａ−ａ）上 (2) 図９のように鳥のような横に伸びた図形の場合に
は、図形の左右約半分の位置にある中心線と平行な線
（ｃ−ｃ）上 (3) 前縁の近傍に複数本 (4) ペンギンの図形で見るように前縁を飛び出した部分
は複数の小骨で補強 (5) 前縁の小骨と線（ａ−ａ）および線（ｃ−ｃ）とに
またがる斜交い (6) 尾翼の外縁 このように骨材の配置は三角形を継ぎ合わせたようにす
ることが望ましい。四角形を継ぎ合わせた配置では、飛
翔体に禁物な捩じれを防止できないからである。以上の
ように小骨を配置すれば、飛翔体の面構造が出来上が
る。ただし、線（ａ−ａ）および線（ｃ−ｃ）では、ま
だ自由に折れ曲がることができる。
【００４２】次に、鳥の場合には線（ｃ−ｃ）との交点
に相当する部分両端側に小骨を継ぎ合わせた主骨が用意
され、これが面の表面で、図９に示す接合点で小骨に結
合される。左右の主骨は、図１０のようにバネで接合さ
れる。主骨をシートの前面に配置したのは、シートのキ
ャンバーが負になるのを防止するためである。主骨が図
１１の構造Ｂのようにシートの背面に貼り付ければ、図
のように負のキャンバーが形成される。これに対して、
構造Ａのようにシートに接着せずに前面に配置すれば、
シートが負のキャンバーを構成しないからである。ま
た、線（ａ−ａ）および線（ｃ−ｃ）が船底形に曲が
り、負のキャンパーが形成されるのを防ぐために、これ
らの線と前縁の骨との間に斜交いを入れてこれらの骨が
貼り付けられたシートの部分の剛性を高めた上で、これ
らの面が風とともに折れ曲がるように工夫している。
に相当する部分両端側に小骨を継ぎ合わせた主骨が用意
され、これが面の表面で、図９に示す接合点で小骨に結
合される。左右の主骨は、図１０のようにバネで接合さ
れる。主骨をシートの前面に配置したのは、シートのキ
ャンバーが負になるのを防止するためである。主骨が図
１１の構造Ｂのようにシートの背面に貼り付ければ、図
のように負のキャンバーが形成される。これに対して、
構造Ａのようにシートに接着せずに前面に配置すれば、
シートが負のキャンバーを構成しないからである。ま
た、線（ａ−ａ）および線（ｃ−ｃ）が船底形に曲が
り、負のキャンパーが形成されるのを防ぐために、これ
らの線と前縁の骨との間に斜交いを入れてこれらの骨が
貼り付けられたシートの部分の剛性を高めた上で、これ
らの面が風とともに折れ曲がるように工夫している。
【００４３】図１２は強風でこれらの面が二つに折れた
様子を示している。図のように二つに折れた剛性のある
面の稜線に小骨があるので、稜線の剛性は極めて高く、
いかなる強風下でも船底形に曲がる心配はない。とく
に、中心線（ａ−ａ）には図１２および図１３に示すよ
うに糸目が付けられているので、中心線の剛性はより一
層高くなっている。
様子を示している。図のように二つに折れた剛性のある
面の稜線に小骨があるので、稜線の剛性は極めて高く、
いかなる強風下でも船底形に曲がる心配はない。とく
に、中心線（ａ−ａ）には図１２および図１３に示すよ
うに糸目が付けられているので、中心線の剛性はより一
層高くなっている。
【００４４】図１３は尾翼の形成法の例を示している。
図１３に示すように、中心線を跨いで後尾に向かって開
く三角形の部分を中心線で二つ折れにして貼り合わせる
と、前述の負の迎角ｉが形成できる。貼り合わせによっ
てできた図のクロスハッチの部分によって、横揺れ運動
を防ぐのに役立つ垂直尾翼を形成することができる。な
お、水平尾翼に積極的に負の迎角を設けずに単に水平尾
翼部の剛性を小さくするだけでも、飛行状態での風圧力
によって負の迎角が形成される現象がある。実際に凧を
製作するに当たっては、この現象を利用してもよい。
図１３に示すように、中心線を跨いで後尾に向かって開
く三角形の部分を中心線で二つ折れにして貼り合わせる
と、前述の負の迎角ｉが形成できる。貼り合わせによっ
てできた図のクロスハッチの部分によって、横揺れ運動
を防ぐのに役立つ垂直尾翼を形成することができる。な
お、水平尾翼に積極的に負の迎角を設けずに単に水平尾
翼部の剛性を小さくするだけでも、飛行状態での風圧力
によって負の迎角が形成される現象がある。実際に凧を
製作するに当たっては、この現象を利用してもよい。
【００４５】２．６ ＮＦＯの教材としての特徴 (1) 創造性と機械工学の同時習得：ＮＦＯを教材とした
学習では、学生は、空に揚げたい任意の形を創造し、機
械工学の広い分野（流体力学、材料力学、制御工学な
ど）をフルに活用して、これに最高の凧としての性能を
与えるように飛翔体の構造を創造する。その結果、学生
は機械工学を広範囲に習得できるだけでなく、創造性を
習得することができる。 (2) ＰＣ活用の習得：ＮＦＯが層流領域を使っているの
で、ＮＦＯの設計に必要な技術のうち最も複雑な流体力
学の理論式は、解析関数で表現できる。したがって、す
べての技術知識がMathematica や Mathcad等のプログラ
ムで記述できる。その結果、学生は時間がかかり間違い
の多い数式の演算から開放された形で技術知識を習得で
きる。 (3) すべての式が従来のように紙の上に記述されている
のではなく、Mathematica や Mathcad等のプログラムで
記述されているので、学生は習得後、飛翔体の釣り合い
条件、静的安定、動的安定の問題を定量的に検討できる
だけでなく、実際の挙動をＰＣ上でシミュレーションで
きる。 (4) 学習の結果を実験で確認することができる。その結
果学生は実験の意義について多くを学ぶことができる。
学習では、学生は、空に揚げたい任意の形を創造し、機
械工学の広い分野（流体力学、材料力学、制御工学な
ど）をフルに活用して、これに最高の凧としての性能を
与えるように飛翔体の構造を創造する。その結果、学生
は機械工学を広範囲に習得できるだけでなく、創造性を
習得することができる。 (2) ＰＣ活用の習得：ＮＦＯが層流領域を使っているの
で、ＮＦＯの設計に必要な技術のうち最も複雑な流体力
学の理論式は、解析関数で表現できる。したがって、す
べての技術知識がMathematica や Mathcad等のプログラ
ムで記述できる。その結果、学生は時間がかかり間違い
の多い数式の演算から開放された形で技術知識を習得で
きる。 (3) すべての式が従来のように紙の上に記述されている
のではなく、Mathematica や Mathcad等のプログラムで
記述されているので、学生は習得後、飛翔体の釣り合い
条件、静的安定、動的安定の問題を定量的に検討できる
だけでなく、実際の挙動をＰＣ上でシミュレーションで
きる。 (4) 学習の結果を実験で確認することができる。その結
果学生は実験の意義について多くを学ぶことができる。
【００４６】３．流体力学シミュレーションプログラム
の構成 本発明の技術教育システムで用いる流体力学シミュレー
ションプログラムは、以下の機能を具備している。流体
力学特に航空機力学の基礎方程式にもとづいて、運動す
る物体の挙動を模擬できるものであり、運動物体として
飛行機を取扱うことができる。また、凧、飛行機または
グライダー等のそれぞれの拘束条件の違いを反映したモ
デルの構成を模擬できるものである。また、凧としての
構造諸元の入力、および飛行状態の出力を効率的に行う
インターフェイス機能を備えている。出力機能として
は、飛翔体の飛行動作の実時間表示、飛行状態指標の時
間関数表示やパラメータ関数表示、設計パラメータの作
用効果表示等を備えている。また、このシミュレーショ
ンプログラムは、自然環境での多様な変化を伴う風を模
擬する風のシミュレータを備えている。このシミュレー
タを備えていることにより、想定した凧の設計例を実際
に自然環境中で飛行させる実験を、計算機上で模擬する
ことができる。本発明の飛翔体は層流条件で飛行するも
のであるため、飛行のシミュレーションを解析関数とし
て扱うことができ、小規模な計算機(ＰＣ）によって詳
細な解析を短時間で行なうことができる。更に、教科書
としての機能も有し、学生は教材の飛翔体をシミュレー
トしながら流体力学の学習を効率的に行うことができ
る。
の構成 本発明の技術教育システムで用いる流体力学シミュレー
ションプログラムは、以下の機能を具備している。流体
力学特に航空機力学の基礎方程式にもとづいて、運動す
る物体の挙動を模擬できるものであり、運動物体として
飛行機を取扱うことができる。また、凧、飛行機または
グライダー等のそれぞれの拘束条件の違いを反映したモ
デルの構成を模擬できるものである。また、凧としての
構造諸元の入力、および飛行状態の出力を効率的に行う
インターフェイス機能を備えている。出力機能として
は、飛翔体の飛行動作の実時間表示、飛行状態指標の時
間関数表示やパラメータ関数表示、設計パラメータの作
用効果表示等を備えている。また、このシミュレーショ
ンプログラムは、自然環境での多様な変化を伴う風を模
擬する風のシミュレータを備えている。このシミュレー
タを備えていることにより、想定した凧の設計例を実際
に自然環境中で飛行させる実験を、計算機上で模擬する
ことができる。本発明の飛翔体は層流条件で飛行するも
のであるため、飛行のシミュレーションを解析関数とし
て扱うことができ、小規模な計算機(ＰＣ）によって詳
細な解析を短時間で行なうことができる。更に、教科書
としての機能も有し、学生は教材の飛翔体をシミュレー
トしながら流体力学の学習を効率的に行うことができ
る。
【００４７】４．教材による学習の詳細 (1) 教材の飛翔体がもつ流体力学特に航空機力学上の機
能を計算機上のシミュレーションにより理解する。飛翔
体の構成を変化させ、それによる飛行特性の変化を確認
する作業をくり返すことが効果的である。 (2) 飛翔体の製作 シミュレーションで学んだ知識を用いて、飛翔体を設計
し、製作する。基本的な構成条件を満たす範囲内で種々
の変形飛翔体を製作する。複数の学生が互いに異なる変
形飛翔体を製作すると、多くの変形が得られて有益であ
る。 (3) 飛翔体の飛行実験 製作した飛翔体を屋外で凧として飛行実験を行なう。変
形飛翔体の飛行動作特性を比較し、変形と飛行特性の関
係の理解を試みる。学習の手順の例として以下に述べる
過程に従うと効率よく学習することができる。
能を計算機上のシミュレーションにより理解する。飛翔
体の構成を変化させ、それによる飛行特性の変化を確認
する作業をくり返すことが効果的である。 (2) 飛翔体の製作 シミュレーションで学んだ知識を用いて、飛翔体を設計
し、製作する。基本的な構成条件を満たす範囲内で種々
の変形飛翔体を製作する。複数の学生が互いに異なる変
形飛翔体を製作すると、多くの変形が得られて有益であ
る。 (3) 飛翔体の飛行実験 製作した飛翔体を屋外で凧として飛行実験を行なう。変
形飛翔体の飛行動作特性を比較し、変形と飛行特性の関
係の理解を試みる。学習の手順の例として以下に述べる
過程に従うと効率よく学習することができる。
【００４８】実験で得られた変形飛翔体の飛行特性の違
いを説明できる仮説を立て、仮説に対応する特徴を誇張
した変形飛翔体を製作し、飛行実験によって仮説の正当
性を確認する。飛翔体の各部分毎に変形と仮説の検証を
試みる。多数の仮説を総合して飛行性能を向上させる方
向性を見出し、飛翔体の設計に反映する。これにより改
良された飛翔体の製作と飛行実験を試みる。
いを説明できる仮説を立て、仮説に対応する特徴を誇張
した変形飛翔体を製作し、飛行実験によって仮説の正当
性を確認する。飛翔体の各部分毎に変形と仮説の検証を
試みる。多数の仮説を総合して飛行性能を向上させる方
向性を見出し、飛翔体の設計に反映する。これにより改
良された飛翔体の製作と飛行実験を試みる。
【００４９】以上の実験で得られた知見をシミュレーシ
ョンで再現し、認識事項を確認する。シミュレーション
によれば、自然環境の不安定性に影響されずに飛行特性
を確認できるので、実験と相補的に組合わせることによ
り、飛行性能の改良を効率的に行なうことができる。
ョンで再現し、認識事項を確認する。シミュレーション
によれば、自然環境の不安定性に影響されずに飛行特性
を確認できるので、実験と相補的に組合わせることによ
り、飛行性能の改良を効率的に行なうことができる。
【００５０】以上のプロセスを経験することにより、流
体力学の原理を深く理解することができる。また、原理
の理解を、飛行性能の改良された飛翔体の創作という自
主的な知的創作活動に結びつけることが可能な高いレベ
ルに引き上げることができる。
体力学の原理を深く理解することができる。また、原理
の理解を、飛行性能の改良された飛翔体の創作という自
主的な知的創作活動に結びつけることが可能な高いレベ
ルに引き上げることができる。
【００５１】実施の形態２．飛翔体の別の形態の実験と
して、糸を用いず、飛翔体の最前部に錘りを追加して重
心を浮力中心より前方に形成し、グライダーとして滑空
可能な条件を付与する。この飛翔体を用いて無風の空中
で滑空実験を行なう。この実験により、凧としての飛行
機能の、別の側面からの理解が得られる。翼の形が同じ
もの同志しでは、滑空性能の良いものが凧として飛行さ
せた場合の飛行性能も良いものであることが認識でき
る。但し、凧としての飛行性能のよいものが必ずしもグ
ライダーとして飛行性能が良いとは限らず、これによっ
て本発明の飛翔体とグライダーあるいは飛行機との相異
点を認識することもできる。
して、糸を用いず、飛翔体の最前部に錘りを追加して重
心を浮力中心より前方に形成し、グライダーとして滑空
可能な条件を付与する。この飛翔体を用いて無風の空中
で滑空実験を行なう。この実験により、凧としての飛行
機能の、別の側面からの理解が得られる。翼の形が同じ
もの同志しでは、滑空性能の良いものが凧として飛行さ
せた場合の飛行性能も良いものであることが認識でき
る。但し、凧としての飛行性能のよいものが必ずしもグ
ライダーとして飛行性能が良いとは限らず、これによっ
て本発明の飛翔体とグライダーあるいは飛行機との相異
点を認識することもできる。
【００５２】
【発明の効果】本発明の技術教育システムにおいては、
教育過程で、有効で適切な教材飛翔体を用いた設計、製
作、飛行実験の経験を通して、改良された飛翔体の創作
活動を実践することができるので、流体力学の理解のレ
ベルを、受動的な理解のレベルに留めず、創作活動とい
う知的生産活動の可能なレベルに高めることができる。
教育過程で、有効で適切な教材飛翔体を用いた設計、製
作、飛行実験の経験を通して、改良された飛翔体の創作
活動を実践することができるので、流体力学の理解のレ
ベルを、受動的な理解のレベルに留めず、創作活動とい
う知的生産活動の可能なレベルに高めることができる。
【図１】 凧の飛翔状態を説明する図である。
【図２】 凧の迎角と風圧力中心の位置関係を示す図で
ある。
ある。
【図３】 キャンパーの異なる凧の迎角と揚力の関係を
示す図である。
示す図である。
【図４】 従来の凧に働く風圧力と迎角の関係を示す図
である。
である。
【図５】 従来の凧に働く風圧力の垂直成分と迎角の関
係を示す図である。
係を示す図である。
【図６】 垂平尾翼のある飛翔体の飛行原理を説明する
図である。
図である。
【図７】 垂平尾翼のある飛翔体の飛行特性を示す図で
ある。
ある。
【図８】 垂平尾翼のある飛翔体の飛行特性を示す図で
ある。
ある。
【図９】 飛翔体の形状例を示す図である。
【図１０】 飛翔体の形状例を示す正面図である。
【図１１】 飛翔体の骨組みの原理を説明する図であ
る。
る。
【図１２】 飛翔体の骨組みの作用を説明する図であ
る。
る。
【図１３】 飛翔体の尾翼の形式方法を示す図である。
１ 主翼、２ 尾翼、３ 糸、４ 空力中心。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮崎 政行 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 坂本 博夫 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 辰巳 四郎 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 鵜飼 義一 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 澤谷 政治 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2C032 BB10 2C150 BA06 CA09 DA17 DA18 EB16 EG27 EG29
Claims (3)
- 【請求項１】 下記の教育過程を有する技術教育システ
ム。 （ａ）流体力学の基礎方程式にもとづく飛行機能のシミ
ュレーションプログラムにより、飛翔体の挙動をシミュ
レートし、教材の機能と基礎方程式の関係を理解する教
育過程。 （ｂ）前記飛翔体を設計し、製作する教育過程。 （ｃ）前記飛翔体の挙動を実験により確認する教育過
程。 （ｄ）前記飛翔体を、目的とする機能に最適化する教育
過程。 - 【請求項２】 下記の装置を備えた技術教育用システ
ム。 （ａ）流体力学の基礎方程式にもとづいて、飛翔体の挙
動を解析するシミュレーションプログラム。 （ｂ）前記飛翔体の挙動を解析するシミュレーションプ
ログラムの実行手段。 （ｃ）前記飛翔体の製作手段。 - 【請求項３】 下記の条件を備えた物理的教材としての
飛翔体。 （１）シート状面構成材料と骨材からなり、自形を維持
できる面構造体であること。 （２）主翼と、少なくとも水平尾翼を有すること。 （３）少なくとも主翼は上反角を有すること。 （４）水平尾翼は負の迎角を有すること。 （５）凧として飛行させる時の糸の張力中心は、空力中
心より前方に位置すること。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10266408A JP2000098878A (ja) | 1998-09-21 | 1998-09-21 | 飛翔体を用いた技術教育システムおよびその飛翔体 |
| DE19945139A DE19945139A1 (de) | 1998-09-21 | 1999-09-21 | Verfahren zur technischen Unterrichtung unter Verwendung von fliegenden Objekten und dafür verwendete fliegende Objekte |
| US09/883,392 US20010031448A1 (en) | 1998-09-21 | 2001-06-19 | Method of technical education employing flying objects and flying objects used therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10266408A JP2000098878A (ja) | 1998-09-21 | 1998-09-21 | 飛翔体を用いた技術教育システムおよびその飛翔体 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005135184A Division JP2005242388A (ja) | 2005-05-06 | 2005-05-06 | 飛翔体を用いた技術教育システムおよびその飛翔体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000098878A true JP2000098878A (ja) | 2000-04-07 |
Family
ID=17430528
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10266408A Pending JP2000098878A (ja) | 1998-09-21 | 1998-09-21 | 飛翔体を用いた技術教育システムおよびその飛翔体 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20010031448A1 (ja) |
| JP (1) | JP2000098878A (ja) |
| DE (1) | DE19945139A1 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006106154A (ja) * | 2004-10-01 | 2006-04-20 | Shinko Gijutsu Kenkyusho:Kk | 被験者の技能評価システム |
| JP2009142471A (ja) * | 2007-12-14 | 2009-07-02 | Morihisa Engineering:Kk | 凧 |
| JP2018175460A (ja) * | 2017-04-14 | 2018-11-15 | 有限会社メイアイ | 自動移動糸目を有する模型飛行機。 |
| CN112614392A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-04-06 | 上海宇馨信息科技有限公司 | 一种用于教学的仿真平台 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2983907B1 (fr) * | 2011-12-08 | 2015-05-22 | Snecma | Procede pour realiser un element de liaison dispose entre deux pieces d’une structure, element de liaison et turbomoteur a double flux comprenant un tel element de liaison. |
| RU2624890C1 (ru) * | 2016-02-02 | 2017-07-07 | Закрытое акционерное общество "Научно-технический центр "КАЧЕСТВО" (ЗАО "НТЦ "КАЧЕСТВО") | Процедурный тренажер с системой инженерной поддержки технической эксплуатации воздушных судов |
| CN110104172B (zh) * | 2019-05-14 | 2022-05-27 | 吉林大学 | 一种曲面滑块式三自由度微型扑翼飞行器 |
| CN113415102A (zh) * | 2021-06-21 | 2021-09-21 | 李明渊 | 一种滚动研究摆件 |
-
1998
- 1998-09-21 JP JP10266408A patent/JP2000098878A/ja active Pending
-
1999
- 1999-09-21 DE DE19945139A patent/DE19945139A1/de not_active Withdrawn
-
2001
- 2001-06-19 US US09/883,392 patent/US20010031448A1/en not_active Abandoned
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006106154A (ja) * | 2004-10-01 | 2006-04-20 | Shinko Gijutsu Kenkyusho:Kk | 被験者の技能評価システム |
| JP2009142471A (ja) * | 2007-12-14 | 2009-07-02 | Morihisa Engineering:Kk | 凧 |
| JP2018175460A (ja) * | 2017-04-14 | 2018-11-15 | 有限会社メイアイ | 自動移動糸目を有する模型飛行機。 |
| CN112614392A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-04-06 | 上海宇馨信息科技有限公司 | 一种用于教学的仿真平台 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20010031448A1 (en) | 2001-10-18 |
| DE19945139A1 (de) | 2000-05-31 |
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| A521 | Written amendment |
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