「ヤルノ・スミーツ」と真の人間飛行の物理学

人間が鳥のように飛ぶという概念は、普遍的で永続的な魅力を持っているため、「Jarno Smeets」の「Human Bird Wings」ビデオが数日で急速に広まったのも不思議ではありません。しかし、8か月かけて作られた手の込んだ作り話であることが明らかになり、私たちの夢が打ち砕かれた今、ビデオの科学的な危険信号を調べてみましょう。追求すると、空想的な前提全体が崩壊します。それは速度の問題です。ビデオをご覧ください。彼は地面から浮き上がるとき、実際にはそれほど速く動いていないので、あまり正しく見えません。それを分析してみましょう。

結局のところ、問題は次のようになります。ビデオで見るものは、基本的な物理法則に従っていなければ実現できません。そして、それらの基本法則を知れば、すべての誤りを暴くことができます。鳥の飛行をシミュレートする試みを評価するには、飛ぶ鳥の物理学を分析に適用するのが当然です。

鳥の飛行をシミュレートする場合、システムに作用する 4 つの関連する力を特定できます。上向きの揚力によって相殺される下向きに作用する重力 (重量)、前進運動を妨げる空気抵抗力、および前方への推力 (または推進力) です。

揚力の概念に注目してみましょう。これは重要な点につながります。上向きに加速するためには、ニュートンの第 2 法則によれば、揚力は重力の力を超えなければなりません。(飛行中は、高度を維持するために揚力が重力の力と等しくなければなりません。)

数学的には：

これは、体重が 1 ニュートン (0.225 ポンド) の鳥の場合、少なくともその程度の上向きの揚力を発生させることができなければならないことを意味します。

体重 800 ニュートンの男性が、（推定）300 ニュートン相当の装置を装着している場合、少なくとも 1100 ニュートンの揚力が必要になります。

質問：ビデオで見たものに基づくと、これは実現可能でしょうか？

答えは「いいえ」です。

ビデオ内のアクションをデータとして使用し、物理学と空気力学の基本原理を適用すると、それが不可能であることがわかります。

これを示すために、鳥 (そして飛行機も) が揚力を生み出す仕組みを見てみましょう。基本的に、翼が流体中を移動すると、翼の形状と迎え角が連動して翼の上部と下部の間に圧力差が生じ、上向きの揚力が生じます (迎え角とは、向かってくる気流に対する翼の角度です)。詳細は、湾曲した翼の上の気流にベルヌーイの式を適用したり、向かってくる空気と翼の間にニュートンの第 3 法則を適用したりする一般的な説明よりもはるかに複雑ですが、揚力の完全な説明には両方の原理が関係し、関連しています。

鳥が揚力を生み出すには、空気が翼の上を流れるように、空中を前進する必要があります。鳥は飛行機のように翼を静止させるのではなく羽ばたきますが、鳥の揚力の大部分は、翼を下向きに押し出すパタパタという動きではなく、翼の前方滑空運動によって生み出されます。鳥の前進が速いほど、揚力は大きくなります。

翼面の揚力の推定方法の 1 つは、次の式を使用することです。

ここで、L は揚力、ρ は流体 (この場合は空気) の密度、C は特定の迎え角における揚力係数 (通常は実験的に測定)、A は翼の表面積、v は向かってくる空気に対する翼の速度です。

この方程式を人間の鳥の翼に適用して、何が得られるかを見てみましょう。次の推定を行います。翼の静止画像に基づいて、翼の表面積を 7 平方メートルと推定しました。海面での空気の密度は約 1.25 kg/m3 です。鳥の飛行に関する研究を調べると、鳥の最大揚力係数は 0.8 から 1.2 の範囲にあることがわかります。翼の揚力係数を 1.2 とします。最後に、速度が揚力生成に及ぼす重要な影響があります。人間の鳥の翼の Web サイトでは、架空の人物 Jarno Smeets が約 100 メートル飛んだと主張しています。ビデオ クリップの時間を計り、カットなどを考慮して、移動時間を 25 秒と推定します。これは、速度に相当します。

これらすべてを上記の式に代入すると、揚力は次のようになります (ドラムロールをお願いします)。

きゃー。

楽しみのために、計算を逆にして、1100 N の揚力を発生させるにはどのくらいの速さで移動する必要があるかを調べてみましょう。v を解くと次のようになります。

ここで注目すべきは、CGI アーティストの Floris Kaayk (別名 Jarno Smeets) が、この成果を成し遂げるために多大な時間と労力を費やしたということです。彼は、数か月にわたって「人間鳥の翼」の開発を「記録」した毎週のブログ投稿に加えて、彼の偽の機械の翼が鳥の翼の動きを模倣する方法を示すためにかなりの努力を払っています。彼は、人間の腕の筋肉がこの作業にはまったく不十分であるという明白な事実を暗黙のうちに認めており、彼の腕の動きを Wii コントローラーを使用してモーターの動きにリモートで同期させるという驚くべき制御システムで私たちの興味をそそります。最後に、ビデオ制作には疑わしい側面がいくつかありますが (一部のエンターテイメント メディアの専門家が指摘しているように)、彼はかなり優れた俳優であり、「飛行」の後は本当に興奮しているように見え、行動します。

今回のように、私たちの直感が常に正しいとは限りませんが、このような巧妙に編集されたビデオが急増している現状に直面し、基本的な物理学を使って手がかりを追うと、ますます重要になっている「それは本物か、それとも偽物か」という疑問を解明するのに大いに役立つでしょう。