研究の動機と前回まで

　小学1年生の時、ストローの両側にリング状の羽根を付けただけのストロー飛行機がよく飛んでいることに興味を持ち、この研究を始めた。1年目は基本のストロー飛行機を作って飛ばし、10回の平均で3.16mの飛行に成功した。2年目からは前後の羽根のバランスを変えたり、羽根の素材をさまざま変えて試したりして研究を重ね、4年目には100回平均で9.20m飛ぶようになった。前回の研究では実験の精度を上げるために発射台を製作し、高さ、角度、動力の強さの条件を固定させることに成功した。さらにストロー3本の飛行機が安定して飛ぶことも突き止め、製作した発射台1号機を使った30回平均で16.35m飛ばすことができた。

今回の研究内容

　前回、青森県立三沢航空科学館で、よく飛ぶストロー飛行機には揚力（浮く力）と推進力（前へ進む力）のバランスが必要だと教えていただいた。今回は、ストロー飛行機の揚力と推進力が、飛び方にどう影響を与えるのか、研究したいと思った。
　そのためには、より性能が高い発射台が必要だった。1号機は初速平均40km/h台を安定して出すことができる。しかしそれ以上を出そうとすると、数回でゴムが切れてしまう。そこで、初速平均60km/h台が安定して出せる発射台2号機を作製した。①土台を1号機より長く作ってゴムを引ける距離を延ばしたこと、②三脚2台で土台を支えたことが、1号機との大きな違いだ。

今回作成した発射台2号機

実験1～2

基本の実験1

　ストロー飛行機に揚力が本当にあるのかどうかを確かめるため、実験を行うことにした。実験に使うのは、重さ5.5gのストロー3本の飛行機だ。ストロー飛行機と比較するため、同じ5.5gのストローロケットも用意した。ストローロケットは1本のストローの端にテープを巻きつけて重さ5.5gにしたもので、羽根はないが発射台から発射することができる。そして今回はすべての実験を動画撮影し、飛行軌道や落下までの秒数を検証した。

　実験1ではまず、ストロー飛行機とストローロケットを両手に持ち、発射台と同じ高さ1.4mから同時に落下させた。床に落ちるまでの時間を10回くり返して計測した結果、どちらも10回すべて0.60秒だった。
　この結果から、ストロー飛行機本体には揚力がないことがわかる。
　ストロー飛行機本体に揚力はないのだから、飛ばすことで揚力が発生するという仮説を立てた。この仮説を検証するため、ストロー飛行機とストローロケットに同条件で推進力を加えて飛ばすことにした。ストロー飛行機の飛距離がストローロケットよりも長ければ、ストロー飛行機に揚力が発生することが証明できる。
　発射台1号機を使用して、角度0度、高さ1.4m、初速平均33.87～34.93km/hでストロー飛行機とストローロケットをそれぞれ30回ずつ飛ばしてみた。30回の平均値が、下の表だ。

　ストローロケットは上昇するような飛び方ではなく、発射後、少しずつ落下していった。発射台で推進力を加えても、落下させた時と同じ0.60秒で落下、発射後から落下するまでの速度はほとんど変わらない。
　ストロー飛行機は発射後、少し下降し、その後2mくらいの高さまでゆるやかに上昇してから落下した。推進力を加えずに落下させた時の0.60秒より長時間飛行し、発射から落下まで速度が少しずつ遅くなっていた。推進力を加えることでストロー飛行機はよく飛んでいるが、ストローロケットはあまり飛ばなかった。以上の結果、発射台から発射して推進力を加えたことで、ストロー飛行機が揚力を得たことが証明できた。

推進力を変えて調べる実験2

　揚力が推進力によって生まれるなら、より遠くに飛ばすには推進力がカギになるのではないか。発射台のゴムの張り方を変えることで推進力が変えられるので、角度0度、高さ1.4mは固定して、初速平均20km/h台の「ゴムゆるめ」と、実験1でも使用した基準となる初速平均30km/台の「ゴム普通」、さらに発射台2号機でゴムを強く張った初速平均50km/hの「ゴム強め①」、発射台2号機で最も強くゴムを張った初速平均60km/h台「ゴム強め②」の4パターンで、ストロー飛行機とストローロケットを飛ばす実験を行った。全パターンでストロー飛行機、ストローロケットの飛行をそれぞれ30回ずつ試し、出した平均値が下の表だ。

　実験でのストローロケットの飛び方は、次のようなものだった。

　ストローロケットはゴムを張るほど遠くへは飛ぶが、上昇するような飛び方ではなく、必ず発射台から少しずつ落下していく。単に落下させた時とほぼ同じ0.60～0.70秒で落ち、揚力は働いていない。発射から落下するまでの速度はほとんど変わらなかった。
　続いてストロー飛行機の飛び方は、次のとおり。

　ストロー飛行機はゴムゆるめの場合、発射後に少し下降し、その後やや水平に飛んでから落下した。ゴム普通は発射後に少し下降し、その後2mくらいの高さまでゆるやかに上昇して落下した。ゴム強め①は発射後水平に飛行し、その後3mくらいの高さまで急上昇して落下した。ゴム強め②は発射後に急下降したがその後3.5mほどの高さまで急上昇し、落下した。ゴム強め②の急下降は初速に羽根が耐えられず、変形した可能性が考えられる。

研究のまとめ

　ストロー飛行機は推進力を得ることで揚力を働かせ、上昇する力を得ていた。推進力が大きくなり、揚力が地球の重力を上回るとストロー飛行機は上昇を続ける。ジェット機が離陸する時と同じ状態だ。推進力が一定で揚力と重力がつり合った状態の時、ストロー飛行機は上昇も下降もせずに高度を維持する。ジェット機の水平飛行と同じ状態だ。推進力が小さくなり、揚力が重力を下回った時、ストロー飛行機は下降して落下する。ジェット機が着陸する時と同じ状態だ。ストロー飛行機がより長い距離を飛ぶためには、揚力と重力がつり合った状態を長く保つ必要がある。6年目の研究となった今回、ストロー飛行機の30回平均飛距離は最長の19.70mとなった。