2023.11.30
なぜタイヤには溝があるの？ キャタピラーはなぜギザギザなの？
物のかたち図鑑 チャプター16 ～タイヤとキャタピラーのかたち～
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飛行機を正面のほうから見ると胴体が丸いかたちをしていることがわかります。とくに旅客機はまんまるですね。
この胴体の丸さはプロペラ機もジェット機もおなじです。飛行機はトンネルやエントツにつばさを付けたようなかたちですね。どうして、胴体は四角や三角でなくて、丸なのでしょうか？ 探ってみましょう。
この胴体の丸さはプロペラ機もジェット機もおなじです。飛行機はトンネルやエントツにつばさを付けたようなかたちですね。どうして、胴体は四角や三角でなくて、丸なのでしょうか？ 探ってみましょう。
正面から見ると丸い飛行機の胴体 写真提供：日本航空
飛行機は地上の５分の１気圧の空を飛ぶ
なぜ飛行機の胴体は、新幹線やバスとはちがうかたちをしているのでしょうか。その理由は、やはり空を飛ぶことと関係があります。
飛行機は、地上から１万2000メートル前後の高さを飛びます。このとき飛行機の外の気圧は地上の５分の１ていど。とても低い気圧です。
なぜそんなに低い気圧になるのでしょうか。
空気は下へいくほど圧縮され重くなります。ですから空気は地上がいちばん重く、空気の量もいちばん多いのです。
気圧というのは空気の重さですから、地上がいちばん気圧が高く、上へいくほど低くなります。
気圧が下がると空気もすくなくなり、気温も下がってしまいます。気圧が地上の５分の１になると、飛行機の外の気温は地上にくらべ40℃から50℃ほど50度ほど下がります。地上が20℃だったら空の上は零下20℃から30℃という超低温です。
飛行機は、地上から１万2000メートル前後の高さを飛びます。このとき飛行機の外の気圧は地上の５分の１ていど。とても低い気圧です。
なぜそんなに低い気圧になるのでしょうか。
空気は下へいくほど圧縮され重くなります。ですから空気は地上がいちばん重く、空気の量もいちばん多いのです。
気圧というのは空気の重さですから、地上がいちばん気圧が高く、上へいくほど低くなります。
気圧が下がると空気もすくなくなり、気温も下がってしまいます。気圧が地上の５分の１になると、飛行機の外の気温は地上にくらべ40℃から50℃ほど50度ほど下がります。地上が20℃だったら空の上は零下20℃から30℃という超低温です。
高度と気圧
飛行機には人がたくさん乗っているのに、こんな低い気温で息も満足にできなくなってはとても危険ですよね。
そこで乗客の安全のために、飛行機は外に空気や熱がもれないように密閉して、機内は地上に近い（地上の５分の４程度の）気圧にしています。
すると、飛行機の中と外で大きな気圧の差ができます。
気圧が下がると空気の量は減ってしまい、飛行機の外は気圧が低く、とても空気のすくない状態で、反対に飛行機の中は空気がたくさんある状態です。
空気には物を押す力があります。この押す力は空気の量が多いほど強くなります。
ですから、低い気圧のすくない空気も、飛行機の胴体を外から押していますが、飛行機の中のほうが空気がたくさんあるので、外よりずっと強い力で中から外へ向かって押しています。
中と外の押し合いでは、高い気圧の飛行機の中の空気のほうが強いので、風船がふくらむように、外へ向かって胴体をふくらまそうとするのです。
風船と同じでふくらみすぎると、飛行機の胴体も破裂してしまいますから、飛行機はこの圧力に耐えられなければなりません。
この力に耐えるのに、いちばんよいかたちが丸いかたちなのです。
そこで乗客の安全のために、飛行機は外に空気や熱がもれないように密閉して、機内は地上に近い（地上の５分の４程度の）気圧にしています。
すると、飛行機の中と外で大きな気圧の差ができます。
気圧が下がると空気の量は減ってしまい、飛行機の外は気圧が低く、とても空気のすくない状態で、反対に飛行機の中は空気がたくさんある状態です。
空気には物を押す力があります。この押す力は空気の量が多いほど強くなります。
ですから、低い気圧のすくない空気も、飛行機の胴体を外から押していますが、飛行機の中のほうが空気がたくさんあるので、外よりずっと強い力で中から外へ向かって押しています。
中と外の押し合いでは、高い気圧の飛行機の中の空気のほうが強いので、風船がふくらむように、外へ向かって胴体をふくらまそうとするのです。
風船と同じでふくらみすぎると、飛行機の胴体も破裂してしまいますから、飛行機はこの圧力に耐えられなければなりません。
この力に耐えるのに、いちばんよいかたちが丸いかたちなのです。
丸いかたちは圧力に強い理由
新幹線やバスは、こんな低い気圧になるような高いところは走りませんから、丸いかたちでなくてもよいのですね。
丸い形は圧力が均等にかかる
丸いかたちだと外から引っ張る力、つまり中から外へふくらむ力が、飛行機の胴体全体に均等にはたらきます。
丸いかたちじゃないと場所によって力がかたよって、力が集中したところからこわれやすくなってしまいます。
丸いかたちだと力が分散するので、中から外へふくらむ力や外から押す力にも強いのです。
丸いかたちじゃないと場所によって力がかたよって、力が集中したところからこわれやすくなってしまいます。
丸いかたちだと力が分散するので、中から外へふくらむ力や外から押す力にも強いのです。
ほかの形だと力がかたよる
飛行機の胴体には、内側から外側へふくらむ力が働きますが、飛行機と反対に外から力のかかるのが潜水艦です。
潜水艦の胴体も飛行機と同じかたち
潜水艦は水の中をもぐっていますから外は水。ですから潜水艦は、外から水が入ってこないように密閉していますし、強い水圧にも耐えなければなりません。
深くもぐればもぐるほど水圧は高くなります。
100メートルの深さでは、潜水艦を押す圧力は水面に浮かんでいるときの約11倍かかります。500メートルだと約51倍ですね。
潜水艦のかたちは、この水圧につぶされないためのかたちなのです。高い水圧に耐えるのに、いちばん強いかたちもやはり丸いかたちなので、潜水艦の胴体も丸いかたちをしています。
深くもぐればもぐるほど水圧は高くなります。
100メートルの深さでは、潜水艦を押す圧力は水面に浮かんでいるときの約11倍かかります。500メートルだと約51倍ですね。
潜水艦のかたちは、この水圧につぶされないためのかたちなのです。高い水圧に耐えるのに、いちばん強いかたちもやはり丸いかたちなので、潜水艦の胴体も丸いかたちをしています。
潜水艦
丸い胴体は外から押しつぶす力である高い水圧を、全体で均等に受けるので強い。また、低い気圧の中を飛ぶ飛行機の機体が、内側から外側にふくらもうとする力にも強いかたち、ということがいえますね。
飛行機は高い空の上、潜水艦は深い海の中という正反対の環境ですが、どちらも同じかたちをしているのです。なんだか不思議な気がしますね。
飛行機は高い空の上、潜水艦は深い海の中という正反対の環境ですが、どちらも同じかたちをしているのです。なんだか不思議な気がしますね。
丸い胴体は空気や水の中を進みやすい
飛行機や潜水艦は空気や水の中を進みます。
丸いかたちには、空気や水の抵抗がちいさく、スピードを出しやすいという長所もあります。
飛行機や潜水艦のように丸い胴体で後ろのほうへいくほど細くなっている、水滴のようなかたちは流線形といわれるかたちです。
丸いかたちには、空気や水の抵抗がちいさく、スピードを出しやすいという長所もあります。
飛行機や潜水艦のように丸い胴体で後ろのほうへいくほど細くなっている、水滴のようなかたちは流線形といわれるかたちです。
丸い形の流線形は空気の抵抗が少ない 写真提供日本航空
このかたちは表面を流れる空気や水が、スムーズに前から後ろへと進むので、空気や水の抵抗がちいさいかたちでもあります。
空気や水の抵抗がちいさければ、それだけスピードを出しやすいのですから、丸い胴体は強くて速いかたちということもできるのです。
空気や水の抵抗がちいさければ、それだけスピードを出しやすいのですから、丸い胴体は強くて速いかたちということもできるのです。
謎のこたえ 圧力に強いしスピードも上がる形だから！)
『物のかたち図鑑』の書籍を発売します！
連載中『物のかたち図鑑』の本を2023年11月２日（木）に発売することになりました！
公開中の「マンホールはなぜ丸いのか？」「ヨットの帆はなぜ三角なのか？」などのほか、新しいかたちの謎も加わり、大ボリュームの内容になっています。大手企業のご協力も得て、写真、図版も満載！ 大人も子どもも楽しめる一冊です。お楽しみに！
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