月刊ポピュラーサイエンス/第08巻/1876年2月号/飛行機械とペノーの人工鳥

飛行機械とペノーの人工鳥
JOURNAL DE PHYSIQUEから訳

空中を自走できる機械を作ろうと、さまざまな時代に数多くの試みがなされてきた。スクリュー、鼓動する翼、往復運動で開閉する傘、傾斜面、車輪など、あらゆる種類の航空プロペラが試みられてきた。しかし、これらのプロジェクトの多くは、かなりの発明能力を必要としたが、ごく最近まで、ヘリコプテロン（έλικός「螺旋状のもの」とπτερόν「翼」からなる）は、飛行中に自分自身を上昇させることに成功した唯一のタイプの機械だった。1784年にビエンヴニュが最初の飛行機を製作して以来、いくつかのヘリコプテロンが製作された。最もよく知られ、最も完成度が高いのは、1864年にポン・ダメットが製作したもので、急激な動きで一瞬、2.5メートルの高さまで上昇した。これは、2つの重なり合った左右のネジで構成されており、時計のゼンマイで動きます。プロペラで鳥のように翼を動かして人工的に飛翔させる方法など、他のすべての方法は効果がなく、飛翔の本質については相反する仮説が立てられていた。

我々は研究を始めるにあたり、仮説の多さや意見の対立を解消する最良の方法は、これまでに発明された飛行機械を少数の一般的なタイプに分け、次にこれらのタイプのそれぞれを本質的な要素に還元し、最終的にこれらの単純化されたタイプのそれぞれについて、本当に必要な部分をすべて持ち、構築が容易な飛行機械を設計することであると考えた。

明らかに欠陥のある発明は考慮に入れないで、人工的な飛行システムの大部分をヘリコプテロン、エリアプレーン、オルトプテロン（ὸρθός（直進）とπτερόν（翼）から）に分けることができると考えたのである。ヘリコプテロンは、回転軸がほぼ垂直なスクリューによって維持されている。この垂直なスクリューを使って進むこともできるし、特殊なスクリュープロペラを使って進むこともできる。アイソプレーンは、ほぼ平面で地平線に対してわずかに傾いた推進面を持つ。これらの面には、通常、スクリューによって水平方向の動きが与えられる。最後に、オルトプテロンの推進器官は、垂直方向に動く表面で、一般に往復運動をする。このシステムには、鳥類の翼や魚類の尾の運動面が含まれる。

空気の抵抗に関する知識は、機械がこの流体上の推進面の作用によって維持される方法を完全に理解するための唯一の指針であると考えられた。私たちは、持続するねじ、空中傾斜面、飛行機械の平衡理論など、私たちにとって非常に重要であると思われる、不完全に理解されているいくつかの点について、熱心な研究を始めた。スクリュープロペラは、船の推進力としての効果からよく理解されていた。これらの研究により、非常に単純な一般法則がいくつか得られたので、我々が作りたいと思っている機械の動作方法や比率を決定することができた。

後は、最も簡単に使用できるモーターを見つけることだ。木、鯨の骨、鉄は、その重さに比べて最小の力しか出さない。そこで私たちは、カウトシュックのねじれの弾性を利用することを考え、最終的には、簡単で、シンプルで、効果的な飛行機械のモデルを構築する方法を導き出した。

私たちは、この新しいモーターをまずヘリコプテロンに応用した。それ以前に、さまざまな連続したねじりを受けたときのカウチュークの不思議で貴重な作用を調べていたからである。1870年4月、私たちはランデル氏に、飛行中に15メートル以上の高さまで上昇し、大きな傾斜円の中をホバリングしたりフライングしたりして、20秒以上もその状態を維持する模型を提出した。

これらの結果は、それまでのヘリコプテロンで得られたものよりも非常に優れていたため、私たちはモーターを他の人工飛行システムに応用することにした。1871年8月18日、航空航法学会の出席のもと、チュイルリー公園の円の周りを、様々な速度と方向で、単葉機を飛行させることに成功した。この機械の上昇運動と完全な平衡状態が成功したことで、箱ひげ型の機械の展示会が初めて成功したのである。

どんな仮説にもとらわれずに直接測定したところ、単葉機とヘリコプテロンを維持・推進するために必要な力は比較的中程度であることが判明し、Navier氏が以前に示した素晴らしい推定値には及ばなかった。この実験により、鳥類の筋力は、同じ重さであれば哺乳類よりも著しく大きいものの、合理的な推定値を超えないことが示された。

1875年7月2日、物理学会の前で成功を収めた我々のヘリコプテロンとアイソプレーンには、数多くの子孫がいる。これらはCrocé-SpinelliやMM.Montfallet、Pétard、Petardによって様々な成功を収めて模倣されている。Montfallet, Pétard, Tantinが様々な成功を収めている。

これらの機械の働きは、大気の抵抗に関する我々の考えや計算を完全に裏付けるものであり、我々は羽ばたきのある機械的な鳥の製作を試みることにした。フランスとイギリスで提案された飛行の性質に関する仮説の多様性は、この機構の構築が困難であることを物語っているが、この問題を特別に興味深いものにしている。

機械式の鳥を使ったこれまでの実験は、非常にがっかりさせられるものだった。M.アーティングストールとM.マレーだけが有効な結果を得た。M.アーティングストールは、30年ほど前に、蒸気ボイラーにジョイントしたチューブの先で飛ぶ人工の鳥を作ったと述べている。美しい生理学的実験で知られるM.マレーは、1870年に人工昆虫を作り、その重量の3分の2に相当するカウンターポイズを搭載した放射状のチューブに取り付け、翼の力で上昇して円を描くように飛行させた。翼を動かす圧縮空気は、手動で作動する圧縮ポンプから放射状の管を通って昆虫に送られていた^[2]。 あとは、外部から昆虫に伝えられる力で翼を動かすのではなく、昆虫の3分の2の重さを得て、昆虫にモーターを搭載させるだけであった。

ボレリ、フーバー、デュトロシェ、シュトラウス・デュルケイム、リエス、ペティグリュー、マレー、デステルノ、デ・ルーシー、アーティングストールなどによる翼の作用に関する様々な仮説を網羅している。私たちは、空気の抵抗の法則と最も単純な観察事実に基づいて、飛行に必要な翼の動きは何かを自分たちで推論することにした。その結果、1.飛行経路に対して横方向に翼が二重に振動し、落ち込み、上昇すること。2. 2.この二重の動きの間に翼の平面が変化すること。翼の下面は、鳥を支えるために、落ち込みの間は下と後ろを向き、上昇の間は翼の同じ面が下と前を向き、鳥が飛んでいる間に翼の端で空気を切ることで抵抗を最小限にして上昇する。さらに、これらの動きは多くの観測者によって正しいと認められ、Strauss-Durckeim、Liais、Mareyによって簡潔に実証されている。

しかし、この機械式鳥の構造の難しさを考えると、私たちは、単純で理解しやすい機械を作りたいと思っていたにもかかわらず、私たちがやや簡単に説明した動作を完璧にすることを試みざるを得なかった。翼の基部から末端までの異なる部分が、非常に異なる条件で空気に作用することは明らかである。翼の内側の部分は、速度が小さいため、どの瞬間に動いても推進力はほとんどないが、役に立たないわけではなく、下面を下に向け、わずかに正面を向くことで、鳥の急速な移動中に凧のような働きをし、翼が上昇している間も下降している間も同じように働き、鳥の体重の一部を継続的に支えることができる。翼の中央部分は、翼の内側と外側（端）の中間の接合部を持っているので、翼はその動作中、基部から端まで連続的に自分自身にねじれている。翼の基部の平面は飛行中にほとんど変化しないものの、翼の中央部の平面はその平均的な位置の一方と他方で非常に大きくずれている。翼のこの反りは、上昇と下降の各瞬間に、先ほど示した方法で変更されます。このように、翼の動きは、傾斜面と、ピッチが非常に長く連続的に変化するスクリューの中間的なものであることがわかる。

様々な作家の仮説を互いに比較したり、先ほどの仮説と比較したりして、その中に相違点があることがわかったにもかかわらず、これらの作家のいずれか一方が、先ほどの考えの大部分を裏付けているのである。このように、翼のねじれはデュトロシェによってすでに指摘されており、特にペティグリューは長い間この意見を維持していた。ただ、彼は我々の見解によれば、翼の上昇時に生じる形態の変化を、翼の下降時に生じる形態の変化とみなしており、その逆もまた然りである。これらの著者は、骨の関節、翼の靭帯、羽毛の結合と弾性がどのようにして上記の結果をもたらすかを明確に見ていた。M.デステルノは、翼の内側の部分が下降と上昇の間、凧のように連続的に作用することを説明し、M.マレーは翼のその部分を非常に適切に「受動的」としたが、同時に、飛行中の翼の最も重要な作用は、上腕骨の自転によって生じる平面の全般的な変化によるものであるとしている。

我々の見解によれば、ホバリングと通常の飛行とは明確に区別されるが、翼端の平面の変化の振幅は、基本的に鳥の移動速度の関数である。平面の最も大きな変化が起こる翼の端では、ホバリング中にこれらの変化は90°以上になるが、進行飛行では平面の変位ははるかに小さくなる。我々の計算によると、カラスの翼の末端羽毛の表面の最重要部分は、自由飛行中、翼の下降時には水平より7°から11°だけ前方に傾き、翼の上昇時には水平面より15°から20°だけ上方に傾きます。翼の基部の平面は、上記の動きの間、わずか2°から4°の角度で傾いた凧のように作用する。

翼がわずかに傾いていること、そしてその結果として空中での作用角が小さいことは、水平な視線の中を移動する飛翔する鳥を観察することで簡単に確認することができます、なぜなら私たちは翼の端しか見ていないからである。要するに、翼がその平面を変化させるというのは不正確であり、かろうじて平面を変化させると言うことができるだけである。実際には、根元から先端に向かって、だんだんと曲がっていくのである。実際、英国のある作家がそのように理解していた。彼の研究には、私たちが鳥を作った後に知り合いたが、彼のおかげでいくつかの研究を省くことができた。1810年に発表されたG.ケイリー卿の理論は、いくつかの点で我々の理論と異なっている。彼は、上昇中の翼の外側が常に推進力を発揮すると考えており、翼の推進部分と維持するカイトのような部分の比率を、私たちが計算で導き出した比率とは相対的に逆にしている。

1871年9月にアカデミーで好意的に評価されたこれらのアイデアをもとに、私たちは機械式鳥の問題にカウチュークのねじりを応用することに着手した。この鳥の翼は、クランクとコンロッドを使って同一平面上で鼓動するようになっている。何度か大まかな試験を行った後、機械の運動の変換には、その重量に比べて非常に頑丈な機構が必要であることがわかったので、有能な機械工であるM.Tobertに依頼して、私の兄であるE.Pénaudが設計した機構の一部を鋼で製作してもらった。C C'は機械の脊柱である剛体の棒P Aの上に置かれたねじれたカオトウキのモーターで、この棒からAとAで2本の剛体のフォークが上がっており、このフォークは下でねじれたカオトウキに取り付けられたクランクC Rを支える役割を果たしており、フォークの端OとOで上には翼が振動するピボットがある。Qのところには、孔雀の尾の長い羽の1つを使って経験的に作ったのが最も良いと思われる操舵尾があり、上向き、下向き、片側に傾けることができ、機械の重心を適切な位置に持ってくるためにワックスを積むことができる。

ペノーの人工鳥

翼（O L）の反りは、翼とそれを支える小指（M N）が大きな棒（O M L）の上で動くことによって得られるが、この棒はこの回転を伴わない。 翼の後側の内角と機械の中央の棒の中央部をつなぐのは、カウチュークの小さな靭帯（D B）である。この靭帯は、その機能がコウモリの後足に似ていることから、スクーナー船のトップセイルに酷似した翼の弾性シートの役割を果たしている。このようにして、翼のねじれは、空気の圧力とこの弾性靭帯の複合作用によって、必要に応じて自動的に調整される。翼の表面の内側3分の1は、翼の上昇時と下降時に凧のような働きをする。外側の3分の2は、鳥の第一羽毛と第二羽毛に相当し、翼の下降運動の際に機械を推進し維持する。隅にある小さな絵は、翼がちょうど下向きの動きを始めようとしているところである。翼が上昇している間、末端の羽毛は空気中を進行する正弦波の軌道に沿っているため、大気に逆らうことなく大気を切るだけである。この機械を始動させるには、空中に放置するだけでよい。

この機械は，1872年6月2日に航空航法学会に展示され，15°から20°に傾いた飛行線に沿って，加速された速度で連続的に上昇しながら，公会堂の長さである7m以上を数回飛行した。開放された空間では、この人工鳥は12～15メートルの距離を飛び、その間に約2メートルの高さまで上昇した。また、1874年10月に同学会で展示された別のモデルは、水平線上を垂直に上昇し、斜めにも上昇した。

昨年11月27日の公開展示会では、この模型が園芸協会のホールの端から端まで飛行した（1875年2月のAéronauteを参照）。1875年7月2日には、フランス物理学会で成功を収めた。その飛行速度は毎秒5～7メートルである。

ねじれたカウチュークの鳥は大成功を収めている。

M. 1868年以来、飛行理論に多くの貢献をし、肩甲骨と上腕骨の関節軸の地平線への傾きとその後方への収束について論じてきたユーロ・ド・ビルヌーブは、1872年6月20日、捻ったカオトウキで動かした鳥を展示した。その後も粘り強く研究を続け、1875年1月13日には、私の鳥と同じような翼を装備し、私の機械を成功させたいくつかの特徴を採用した上で、再び自分の装置を航空航法学会に展示した。その後、彼は自分の機械に持続的な飛行を与えることに成功し、私たち自身、手からのわずかな刺激で始動した後、7メートル近く水平に飛ぶのを目にしている。M.タタンも1874年に、ねじったクークーをモーターにして、非常に興味深い2つの人工鳥を作った。M.マレーによれば、昨年11月に彼の庭で、1番目の鳥が8～10メートルの高さを飛ぶのを見たという。私たちは、この鳥とほぼ同じものである2番目の鳥が、さらに満足のいく方法で飛ぶのを見た。

脚注

1. 1875年6月に開催されたパリ科学アカデミーでは、この記事に記載されている発見・発明に対してペノー氏に賞が授与された
2. インターナショナル・サイエンティフィック・シリーズ "に掲載されたマレーの "動物のメカニズム "の202ページの図87を参照