グライダー、飛行機の話し

駄菓子屋のおもちゃは子どものお小遣いで買えるのでたいして価値のないものと思われがちですが、昔から多くの人たちが工夫し、積み重さねてきたもので実は奥が深いのものがたくさんあります。そうしたおもちゃをご紹介するのがこのおもちゃカテゴリーです。初回の投稿として「グライダー、飛行機」を取り上げます。内容としては
１扱いおもちゃの紹介と遊び方
２上手に遊ぶための原理とヒント
３関連商品
４遊びのひろがり
５歴史的な背景やエピソード
といった内容になります。
結構長い文章になりますので、興味のあるところだけを選んでご覧ください。またこれ以後の投稿についてもこのような構成で記事にする予定です。

駄菓子屋のグライダー、模型飛行機

現在販売されているうちの代表的な商品で説明します。

取扱商品の一部を紹介します①は板状の発泡スチィロール製で一番手軽な普及品。胴体部の前後に翼を差し込み先頭に重りを差し込みます。これで完成。側面にはキャラクターが印刷されています。②は堅めのスチィロール製でやはり①の商品と同じように差し込みます。素材が丈夫なため組みあがりもしっかりしているので、よく飛びます。①と②の商品は外部からの力を利用して飛んでいくので、グライダーということになりますが、③の商品は取り付けたゴムのほどける力を利用してプロペラを回し、自分の力で飛ぶので飛行機ということになります。組み立て方はどれも同じですが、プロペラとゴムが追加されています。複雑さが増す分、飛ぶ力(滞空時間や飛行距離)も①、②、③という順番になります。
簡単に組み立てられる飛行機ですが、組み立て方や飛ばし方によって上手に飛んだり、全くうまく飛ばない場合があります。はじめて経験した子供はおそらくうまく飛ばせないでしょう。しかし飛ばす度に投げ方や翼の位置を工夫したりしてこれを幾度も繰り返すことで段々うまく飛ばせるようになります。

飛行の原理

－翼と空気の流れについて

上記で紹介したグライダーも飛行機も材料、飛ぶ距離、滞空時間は違っても皆同じ形をしています。それには理由があります。それには理由があります。中学校の理科で習うかもしれませんが復習をしてみます。この飛行機の中心は前方にある大きな主翼でこれが風をおけることで上方に浮き上がります。①の図では主翼の断面図と空気の流れの関係を示しています。空気の中を翼が前に進むとA地点の空気はB地点に移動します。このとき空気は翼と上側と下側に分かれてB地点で同時に合流します。ところが翼の長さが上側のほうが下側の長さより長いので、この翼の近くながれる空気は下側の空気よりもスピードが速くなります。スピードが速くなると翼を押す圧力が弱くなるので、下側の空気が強くその結果翼が上に揚がるのです。この力を揚力といいます。しかし飛行機の場合には更に翼が流れに対して上に向いていることも上に押し上げる力となります。この流れの速度の変化と圧力の関係を説明する原理が「ベルヌーイの法則」というもので、中学理科で習いました。

－飛行機にかかる力
飛行機には4種類の力がかかります。（図②）中心の赤丸は飛行機の重心です。この重心のまわりの４つの矢印が力です。上向きは揚力。前向きは推進力。下向きは機体の重さ(重力)。後ろ向きは(抵抗)です。力の働き方としては、前に進む推進力で,翼に揚力が働き、この2つをプラスの力とすれば、飛行機の重さの重力と風を受けることによる抵抗力という２つのマイナスの力の引っ張り合いでプラスの力が大きければ飛行機は飛びます。

－飛行機の形
プラスの力が大きいだけではただ空中を前に進むだけで、たとえば途中でひっくり返ったりして飛び続けることはできません。姿勢が安定していることが必要です。それを説明するのが③図です。空中の飛行機は重心を中心に前後方向、左右方向、上下方向という3つの方向に回転してしまう可能性があります。
X軸の周りに回転すること(ピンク色矢印の回転)をローリング、Y軸の周りに回転すること(緑色の上下の矢印)をピッチング、Z軸の周りに回転すること(紺色の矢印の回転)をヨーイングといいます。
ローリングを防ぐのが大きな主翼をはじめとした左右の対称形の形。ピッチングを防ぐのが胴体後部の水平尾翼、ヨーイングを防ぐのが後部の垂直尾翼ということになります。
さらに後ろ向きに働く力の抵抗力を減らすために全体をみた形が頭部が大きく後部がほそくなるような形をしています。この形は線が流れる様子示したもので文字通り流線型といいます。この形は飛行機に限らず、高速走る乗り物の新幹線や、スポーツｶｰそれに魚の形などに見られます。これらの理由により飛行機もみな同じような形をしているのです。

関連したおもちゃ

－吹き上げパイプ
駄菓子屋の定番で「吹き上げパイプ」というおもちゃがありますが、これもベルヌーイの定理を応用したものです。

①が通常の吹き上げパイプ。②がパイプの途中で風車が回る「風車吹き上げ」パイプです。パイプの口元から息を吹くとバスケットに入れた赤玉が空中に浮き上がり、飛び出さずに上空でふわふわしながら浮き続けます。これは不思議にみえるので人気があります。③の図はこの種明かしです。バスケットから吹き出た空気は赤玉を押し上げますが、空気は赤玉の周りを迂回して上に昇ります。このとき赤玉に近い緑色の空気の流れと外側の青色の空気の流れを比べた場合、内側の流れの方が、速度が速く気圧が外側に比べて低くなるので結果的に回りからの空気に押されて飛び出さないのです。もっともあまり強く息を吹くと圧力より飛び出す力が大きくなって浮き続けられません。この微妙の調整体で覚えていくことが実は子供にとっては訓練であり学びの一つになります。

－ヘリコプター、竹とんぼ

プロペラの原理を利用したおもちゃ

プロペラも翼と同じ働きをします。これを利用したのが、竹とんぼやヘリコプターのおもちゃです。写真①と②の名前は竹トンボですが実際の材料はプラスティックです。残念なことに現在は材料費とか製造コストの面で安価な竹加工ができなくなってきています。しかし働きは竹製と同じです。②の竹トンボの羽は素直に片側が斜めに削られていますが、①のプロペラはねじれています。これはプロペラの回転速度や抵抗との関係で効率のよい形がきまります。③の図で説明します。時計周りと反対にプロペラが回転していますが、１回転するとき中心に近い部分と円周に近い部分では動く距離が違い外周部分のほうが長いので速度が速く、気圧が低くなります。そうすると空気の乱れが出きて、これを調整するため内側と外側で空気に向かう角度をかえます。横から見ても縦から見ても翼の形のように見えます。④、⑤，⑥はヘリコプターです。ヘリコプターは竹トンボが手動なのにたいし、ゴム動力やバネ動力で回転するので回転数が大きく推進力も強くなってより上空へ飛んでいきます。推進力が大きいのでプロペラも羽根も3枚とか4枚にしても抵抗力よりも推進力のほうが大きいので羽根が多い分これも追伸力に加味されます。
－模型飛行機の工作(参考番外編)
もっと本格的に飛行機を楽しみたい場合には自分で作るという方法もあります。こちらの方が手間もかかる分、深く学べます。小学校高学年以上向きです。実は時代の趨勢で、自作より購買という風潮になっていて、おもちゃに限らずすべてそういう傾向が万事に強くなっていますので、この模型製作キットも生産量がへってしまい、以前は子供の小遣いでもちょっと奮発すれば買えたのに、結果的に五倍以上に価格があがってしまい、現在当店では取り扱いを留保しています。以下の製作のプロセスを読んで大勢の人が関心をもって再び大勢の子供たちに手軽に製作を楽しめる機会がくることを期待しています。そうすればお手頃価格に戻ることでしょう。
昔の小学校上学年の児童は模型飛行機を工作しました

①②まず製作に必要な道具を用意します。(これは万事に必要なことです)
③キットに含まれた部品を確認します。
④飛行機の原寸大の設計図をみて製作のプロセスをシミュレーションします。(スポーツ選手がやっているイメージトレーニングみたいなもので、これをやるかどうかで製作の能率や完成度が違ってきます)
⑤プロペラと脚の部分をペンチで組み立てます。
⑥飛行機は翼の部分がカーブしています。キットには事前にカーブした資材の竹籤が附属していますが、それぞれの翼はカーブの形が違いますので、修正しなければなりません。そのためには沸騰した鍋に竹籤をつけて、設計図の図面にあわせて形を整えなければなりません。この工作一番難しいところかもしれません。これがうまくできるかどうかでよく飛ぶかどうか影響してきます。
⑦竹籤をニュー菅で繋ぎ流線型をしたリブ(あばら骨)を接着して主翼ができます。
⑧水平尾翼の製作
⑨垂直尾翼の製作
⑩骨組みが完成したところ。
⑪翼に紙を張ります。障子張りの要領です。最後に口に水を含み翼に霧吹きをします。乾燥すると翼紙の緩みがとれすっきりした飛行機が完成します。
⑫プロペラのシャフトにコムを渡し指をプロペラにかけて回してゴムを巻き、プロペラ押さえながら空に向かって手を離せば飛行機は勢いよく飛んでいきます。

飛行機の操縦

しかしながらおもちゃ屋の飛行機には限界があります。それは手を離した瞬間にすべてが決まってしまい、後は飛行機任せ風任せです。実際には自由自在に飛べてこそ空を飛んだことになります。ここではおもちゃの飛行機を離れての話になります。

飛行機の構造で翼の部分に黄色の部分があります。ここを動かすことで縦横高の三方向の回転を制御できるのです。もちろん推進力はゴムではなくエンジンやモーターを使います。実際の飛行機はパイロットが制御しますが、模型飛行機では無線操縦機械(プロポ)を使って制御します。空中で操縦するのは三方向と推進力の組み合わせをしないとうまくいかないのでかなりの練習が必要になります。ところが最近ドローンという機械ができました。これはヘリコプターの応用でさらに制御部は４つのプロペラの回転数を変えることで、たとえば前、後、右、左、上昇、下降、右回転、左回転が比較的簡単にできます。これもITの進歩した結果です。ドローンは今まで難しかった空中写真やビデオ撮影が簡単にできて実用的です。もちろんおもちゃの飛行機遊びの経験がなくてもドローンは飛ばせますが、飛行機遊びの経験があればより有効な使い方ができるのではないでしょうか。

まとめ（飛行機が生まれた歴史的背景）

－空への飛行計画

空を鳥のように飛びたいというのは、人類の古来からの夢で、ギリシャ神話を始めそのあこがれが絵画や文章の形で残っています。しかし実際に自力で空を飛べるようになったのは長い歴史の中でほんの100年前の事です。
ヨーロッパの近代化のきっかけであったイタリアルネサンス期の絵画が参考になります。左の絵画はフラ・アンジェリコ（1395-1455）、真中はそれから約50年後のレオナルド・ダ・ビンチ(1452-1519)の作品です。絵画のテーマは共に「受胎告知」。「神の子キリスト(救世主)が貴方の胎内にやどりました」と大天使ガブリエルがマリアに伝える場面です。「絶対者の神が人間から生まれるのか」という問いはキリスト教にとっては大問題で、その解決は重要なテーマです。ここで問題にしたいのはその教義ではなく、大天使の背中にある翼の事です。空を飛ぶには翼が必要でそれも鳥のような形をしています。ところがよくみると2つの絵画では翼の形が違っています。ダビンチのほうがメカニックに見えます。一番右のイラストは、レオナルド・ダ・ビンチが描いた飛行物体の設計図です。いまでいうヘリコプターの原型です。おそらく風に飛ぶ植物の種(風媒花)からの連想かもしれません。万能の天才と言われたダビンチですので、飛行の工学的発想があったのだと思います。しかし実現にはあと400年待たねばなりませんでした。ちなみにこのヘリコプターのデザインはかつて全日空(全日本空輸ＡＮＡ)のロゴマークに使われていて、飛行機搭乗記念として大きなこのロゴマークのついた青色の鞄をお土産にもらい、子供心に親近感を覚えたことがありました。

近代ヨーロッパのテクノロジの歴史－ダニエル・ベルヌーイの時代
ルネサンスをきっかけに、当時イスラム世界や東アジアに後れを取っていた西欧地域が一気に奇跡の発展をします。要因は大航海技術の研究実行と科学技術革命(エネルギー革命)です。ダビンチの後、ガリレオが天体観測や時計、運動の実験を研究資料を残します。します。ガリレオと同時代のケプラーの天体観測の資料も基にしてニュートンが運動の統一的理論を作ります。理論をまとめるにあたって微分積分の数学理論を考えます。この理論は驚くべき理論で、この考えや、手法を使うことで外的世界つまり人間界を取り巻く物の世界を認識制御出来るようになり、人類の生活に大きな変化がおきます。一言でいえばエネルギー革命です。それまで人類は生命や社会を維持するために人力、家畜、風力、水力をつかって細々と生活をしていたのに自然の力を制御することで桁違いのエネルギーを利用でいるようになりました。生活が楽になり時間に余裕が出来き、そこから考える時間が出来知識はおおいに発展します。大航海時代を迎え世界から新しい資源、植物、知識が集まります。正の循環です。現在の科学工学部門すべての領域にわたってこの微分積分がなければ成立しません。人類史上ナンバーワンの人と呼ばれる所以です。
飛行の原理のベルヌーイ定理由来のベルヌーイは流れる物体について圧力や温度体積の関係を研究しました。飛行機を研究したわけではありせん。後世の研究で、翼の理論を説明できるのでその名前がついています。これは余談ですが、物理や数学の本を読んでいるとベルヌーイの法則とか微分方程式とかたくさん名前が出てきます。一つだけでも天才だと思うのですが、実は一人ではないのです。翼の定理の当事者はダニエル・ベルヌーイです。実はこの一族はスイスの天才家系一族といわれていて親子4代にわたって優れた学者や芸術家を輩出していて「遺伝学」の研究でもよく注目されているのです。凄い家系があったものです。
圧力や温度、体積の研究分野は熱力学といわれ、ジェームス・ワットの蒸気機関の実用化へ発展します。ここから有名な産業革命がはじまり、西欧世界は一気に世界の先進国になっていきます。19世紀になると電磁気の研究が始まります。人間が空を飛ぶには背中についた翼ではなく、熱力学に従う強力なエンジンが必要でした。翼の理論とこのエンジンを使って1903年に人類は初めて自力で空を飛べたのです。

－日本の文明開化
話のついでに西欧と日本の関係をこのエネルギーの観点でみると日本にとってはかなりシビアな問題がありました。西欧の大航海時代1543年に日本の種子島にポルトガルから鉄砲が伝来します。藩主は２丁購入します。代価は今の価格で5000万円とか1億円といわれています。味をしめた商人は次回大量の鉄砲を運んできたところ、すでに日本では自前で大量の鉄砲を製造できていて、商人は大損したという話です。それだけ日本の技術力はあったということです。その後文明をもたらすキリスト教の布教は植民地政策と表裏一体だとわかり徳川幕府は鎖国を断行します。宗教活動ぬきでプロテスタントのオランダだけとは西欧貿易のパイプをつなぎました。西欧に対して強く出られたのは、技術力で対抗できたためでした。このときの船は風任せの帆船です。ところが300年後に来航した黒船は強力で制御可能な蒸気船に大砲を積んでいます。力の差は圧倒的です。日本は海軍力と大砲の力で国をこじ開けられたといわれています。開国に当たっては勤皇派と佐幕派で内乱となりますがうまく収拾できました。
幕府が開国派であったことには理由があります。オランダとは交易していましたから鎖国をしていても世界の情報は入ってきました。オランダは長崎商館の館長が変わるたびに長崎から江戸の将軍に挨拶に来るのです。そのとき世界の情勢を記した「風説書」を持参します。オランダとイギリスは競争相手でもあったので清国英国間の1840年のアヘン戦争のこともつぶさに「風説書」に書いてあります。それで黒船来航の前から危機感はもっていました。西欧からの300年の後れを取り戻し植民地にもならず近代国家を作り上げた明治人の苦労や努力は並大抵なものではないことが、おもちゃの立場から見ても推し量られます。

－駄菓子屋のおもちゃとお菓子
駄菓子の話をするのになぜ世界史の話をするのかと疑問を持たれるかもしれません。これには理由があります。
世間一般の通念では駄菓子屋は日本古来の伝統だと思われていますが、これは間違いです。
マイナーな世界ですから、研究している人もいませんし、しっかりした書籍、ましてや教科書で取り上げられることもありません。たまにマスコミなどで取り上げられても、たいして根拠のない適当な話題づくりで、要するにエンターメントの世界です。これが通念です。しかし当事者としては、これは大変残念なことだと思っています。長年しらべていると駄菓子屋のおもちゃやお菓子のほとんどは西欧由来であることが解ります。日本由来はこれら中身ではなく入れ物の「駄菓子屋」や「縁日」のほうです。おもちゃの要件として、「光るもの」、「音のするもの」、「動くもの」というのがあります。
日本の伝統的なおもちゃもあることはありますが、動きのある面白さや興味をひく点では、西欧のルネサンス以後につくられたものが多いのです。またお菓子に関しても上記年表の黄緑色の帯のうち18世紀に「博物学の時代」と表記してありますが、これは大航海の時代新大陸やアジアから珍しい文物や食物が西欧にもたらされています。プラントハンターと呼ばれる人たちが多数活躍しています。植物園、動物園、博物館、見世物、万国博覧会などもこれらの結果です。西欧の食事情も変化し豊かになっています。新しい食品も生まれています。そして、こうしたおもちゃやお菓子、イベントなどが明治の文明開化でどっと日本に流れ込んで日本の近代化がはじまります。明治時代に加えて、もうひとつの波が昭和20年以後の敗戦進駐軍により日本改造事業一環として欧米の食品文化一般がおしよせます。明治初期も、昭和20年代も人口爆発で子どもの数も多く、子ども相手の商売も増えたということです。
以上こうした理由により、これからの投稿でいろいろな記事を説明するにも、世界史の予備知識をもっていただいているほうがお互い説明が明確になるのではないかと思っています。
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今回最初の投稿にあたり説明内容が長くなってしまったのはこうした事情です。通常の商品なら商品自体の一覧と遊び方の説明をすればそれで十分紹介の役割はたせるはずですが、商品の存在自体を知らない方が多い現在では、まず商品自体の故事来歴から説明しなければなりません。視点が一点に収まっていないのがこのブログの厳しいところでが。もちろん商品に馴染みある方には必要ないと思いますので、適宜の記事を選択してお読みいただければ幸いです。これからの投稿記事も同じスタイルで書いていきます。

－幼児にとっての遊びと学び
もう一つのご批判は、幼児や子どもにとって必要なのは遊び方で、あとの理屈は必要ないし第一難しい話は理解できないのだから無意味なことだという考えがあります。たしかにこの投稿記事の趣旨と内容は矛盾しています。実はこの投稿は保護者の方や、子供の教育に関係する方、昔遊んでそれを懐かしく思っている方にむけて書いています。子どもたちは無条件に遊びが好きです。わかってもわからなくても色々試します。この経験が貴重です。この理屈っぽい話はいずれ学校で学びます。そのとき幼児子どものときに、体で体験していて「そういえば、小さいときに似たようなことをしていたな」ということを思い出せば、学校での勉強の理解も容易になるかもしれません。知識は積み重ねですから少しでも関係や連想できる知識を知っているほうが習得には有利です。こういう理由により保護者の方には子どもの行動に理解をお願いしたいのです。誰でも昔は子供なのに大人になると子どもの頃の気持ちはすっかり忘れてしまうのが人情ですので、なおさら投稿記事を読んで幼児期の気持ちを呼び起こしていただければと思います。

－今後の予定投稿
次は「風船」の記事を予定しています。年表の「フランス革命」の表記の上側に「熱気球」とう項目を忍ばせておきました。空気が横に流れて飛行機になりますが、空気が上に流れて温度や気圧、体積が変化した場合が風船に関係した現象です。そのあとの投稿記事として「おもちゃのカテゴリー」では
こま・ヨーヨー、シャボン玉、花火、くじ、パズル・ゲーム、ビー玉・おはじき、縁日夜店のおもちゃ、お正月おもちゃ(双六、カルタ、たこ揚げ)、などを予定しています。
おもちゃの話」のカテゴリーの外にさらに、「菓子のカテゴリー」、「縁日のカテゴリー」、「駄菓子屋のカテゴリー」、「遊びのカテゴリー」、「学びのカテゴリー」と続きます。プログ完成までには長丁場になりそうですが、気長にお付き合いいただければ幸いです。