月刊ポピュラーサイエンス/第34巻/1888年11月号/飛行機械における諸問題

JOSEPH LE CONTE, カリフォルニア大学の地質学・自然史教授。

1885年11月の "The Popular Science Monthly"（第28巻、p.1）では、メイザー氏が飛行機械に関する素晴らしい記事を次のような重みのある言葉で締めくくっている。「これらはこの分野の最も重要な発明、すなわち、自力で上昇し、自走する機械である。この分野における最も重要な発明である。しかし、そこには鳥がいて、飛行機械を作るのは不可能だと言う人々の議論に完全に反論している」。

さて、この結論について、私はメイザー氏に異議を唱えたい。私は、鳥の存在にもかかわらず、上記の意味での空飛ぶ機械、すなわち、自力で上昇し、自力で推進する機械は不可能であると考える者の一人である。もちろん、私が言っているのは鳥や昆虫のような真の飛行であって、気球や、気球と飛行の組み合わせではないことは理解されている。このことは、"自己上昇と自己推進"という語彙に十分に含まれている。私は今、非常に簡単に、自説を信奉する理由を述べたいと思う。私は、簡潔かつ明確に、一連の命題によってそれを行うのが最善であると考えている。このことは、根拠のない期待を確認し、努力を正しい方向に向けるために重要であると考えている。

1. 「空飛ぶ機械よりもはるかに素晴らしく、実現する前ははるかに不可能と思われた多くのことが、それでも実際に実現している」という反論に、私はこの論題の入り口で出会った。では、なぜこれもダメなのか?この急速な進歩と驚異的な発明の時代に不可能なことはないと断言する大胆な人だ」と。私は答えます。確かに、多くの素晴らしい、明らかに不可能なことが、実際に実現してきました。しかし、不可能なことには2種類あり、それは見かけ上のものと実際のものである。不可能と思われるものは、その問題に関わる原理をまだ理解しておらず、その適用を成功させるために必要な条件を考えられないために、不可能だと思われるものである。例えば、機関車、電信、電話などのように、科学の勝利として最も容易に頭に浮かぶ事例はすべてそうである。それとは逆に、本当の意味での不可能は、問題に関わるすべての原理とその適用可能な限界を明確に見通すことができるので、そのようなものであることがわかる。この種の問題としては、永久機関と無限の長さを持つ自立した円弧の問題がある。さて、よく考えてみると、この2種類の不可能なもののうち、反省していない人にとっては、見えるものの方がはるかに不可能で素晴らしいものである。実際、ほとんどの人にとって、本当の不可能は、不可能にも、素晴らしいにも、困難にも全く見えません。それゆえ、どの時代にも、どの国にも、永久機関を作ろうとする無駄な試みに人生を費やす人々がいる。不定形の円弧についても同様である。ほとんどの人は、長さに比例して大きくて強い円弧さえあれば、どんな長さの円弧でも自分自身を支えることができない理由がすぐにはわからない。

私は何年も前に、レミントン橋（木製の吊り橋）の旅行代理店に会ったことを覚えている。彼は展示用に小さな模型を持っていましたが、それは設置すると長さが約20フィートで、索は私の指ほどの大きさでした。この小さな模型は、自分自身を支えるだけでなく、「太って脂ぎった市民」と呼ばれる太った見物人の体重を支え、橋そのものの20倍の重さになった。"さて、「橋の長さを長くするのに比例して、索の大きさと強さを増すならば、このパターンの橋は、どんな長さでも、自分自身を支えるだけでなく、自分の体重の20倍の荷車を支えることができるのは明らかである」と、もっともらしいことを言ってみせた。もちろん、そんなことはないことは技術者なら誰でも知っている。なぜなら、橋の重量はすべての部品の直径の3乗に比例して増加するが、索の強度は直径の2乗に比例して増加するだけだからである。そのため、すべての寸法を大きくすると、重量が強度をすぐに追い越してしまうのである。したがって、円弧や吊り橋が自立するには限界がある。この事実は十分に認識されているので、あえて言及する必要はないだろう。私がこの話を持ち出したのは、この原理を、それほど認識されていない他の事例にも適用したいと考えたからである。

2. さて、この原理は、橋や円弧だけでなく、あらゆる種類の構造物に適用され、したがって、自然か人工かにかかわらず、運動機械にも適用される。例えば、歩く機械をうまく作ることができない大きさの限界があり、それを超えると、歩く動物は存在しないことになる。その限界を超えると、動物の体重で支えている骨が潰れてしまうからだ。動物が大きくなるのに比例して、骨や筋肉を太く丈夫にしようと言っても無駄である。動物が大きくなると、その重さは体積または立方体として増加するが、骨や筋肉の強さは断面または直径の二乗としてのみ増加する。したがって、動物が大きくなるにつれて、全体の力のうちのより長い部分が支持に消費され、運動のために残された部分はますます少なくなり、ついには、重量が、骨が支持するための、あるいは筋肉が動かすための最大限の力を追い越してしまうのである。例えば、マーシュとコープの研究によって最近明らかになったジュラ紀の巨大な恐竜のように、地球上を歩いてきた最大の動物では、効率的な歩行機械の限界に実際に達している可能性が高い。クジラはおそらく限界を超えたので、形を変えて水の中に入り、泳ぐ機械にならざるを得なかったのだ。あるいは、より確実に、より真の意味で言うならば、はるか昔、おそらく第三紀の初期に、真のクジラ科になる前のクジラ科が、食物のために、あるいは安全のために、水に入ることが有益であることを発見し、それによって形態の変化を決定しただけでなく、陸上での歩行に適した大きさよりも大きな大きさになることができた。

この原理は、他の方法では説明できない自然界の多くの事柄を説明する。多くの種類のハエの矢のような迅速な飛行、ノミの驚異的な跳躍、アリが引きずる巨大な重さなど、昆虫の運動の驚くべき活発さとエネルギーは誰もが知っている。博物学の教科書には、脊椎動物と比較して昆虫の神経と筋肉のエネルギーがほとんど想像できない例として、これらが挙げられている。よく言われるのは、もし私たちの神経と筋肉のエネルギーがノミと同じくらい大きければ、4分の1マイルを簡単に飛び越えることができるだろうということである。そうなると、鉄道や7リーグのブーツ、あるいは空飛ぶ機械などはほとんど使えなくなる。さて、これは全くの誤解である。私たちの筋力が昆虫の筋力よりも大幅に劣ると考える理由はありません。同じ断面の筋繊維の束を使った場合、私たちの収縮力が昆虫のそれよりも劣るということはありません。その理由は、上述の原理を見ればすぐにわかる。昆虫の一見驚異的な能力は、単に体の小ささの結果である。体重は体積に比例して、つまり三乗に比例して減少し、また増加もするが、筋肉の強さは断面に比例して、つまり直径の二乗に比例して減少する。したがって、サイズが小さくなるにつれて、重量は筋力よりもはるかに急速に減少し、したがって、サイズに対する筋力の割合が増加し、最終的には、支持のために消費されるエネルギーがますます少なくなり、運動のためにますます多くのエネルギーが残されることになる。このテーマをさらに追求したい人は、「月刊ポピュラー・サイエンス」の前号（1883年4月）のデルブーフによる「小人と巨人」の記事で完全に扱われている。

3.自然な飛行への適用 - さて、この同じ限界の原則が、飛行にも非常に大きな力で適用される。空を飛ぶ動物の大きさと重さには限界があり、飛翔運動に必要な莫大なエネルギーのために、その限界は非常に低く、50ポンド（約3.5kg）以上、100ポンド（約1.5kg）以下であることは間違いない。野鳥、七面鳥、コンドルのような最も大きな空飛ぶ鳥でも、上昇するのは難しい。明らかに限界に近いのである。確かに、ダチョウやエミュー、特に絶滅したディノルニスやエピオルニスのように、もっと大きな鳥もいるが、これらはすべて飛べない。彼らが飛ばないのは、翼が堕落しているからではなく、逆に飛ばないから翼が堕落したのであり、大きくなりすぎたから飛ばなかったのである。自然は彼らを飛べるようにすることができず、それゆえに試みなかったのである。というよりも、頑張ったけど失敗したと言った方がいいかもしれません。飛行可能な限界を超えてしまったために、彼らの翼は頓挫してしまったのである。彼らの進化の歴史は、簡単に言えば次のようなものだったのではないだろうか。元々は大型で飛行能力の高い鳥から生まれたが、厳しい競争からある程度隔離され、餌が豊富な島では、自然淘汰の結果、危険から逃れるための飛行の速さよりも、競争に勝つための大きさと強さが求められるようになった。彼らはすぐに飛行可能なサイズの限界を超えてしまい、翼が役に立たなくなったために中止されたのである。

4.飛行における上昇と推進力の関係 - 飛行にはもう一つの原理があるが、ここで述べなければなりません。考えるべきことは2つ、すなわち上昇と推進である。重さと強さの比率、つまり上昇の難しさは、大きさや重さが増すほど大きくなることはすでに示した。次に、空気中の運動に対する空気の抵抗、つまり空を飛ぶ動物の推進力の難しさは、同じ比率で減少することを付け加える。一方は大きさに応じて直接変化し、他方は反比例して変化する。

これは非常に広く応用できる原理であり、私はこれを多くの身近な現象で説明することにする。塵や煙の浮遊、雲の浮遊、細かい堆積物のゆっくりとした沈降などがその例である。粒子が小さくなると、空気や水がその中を落下するときの抵抗は、表面、すなわち粒子の直径の2乗（d 2）として減少するが、運動の力や重量は体積、すなわち直径の3乗（d 3）として減少する。明らかに、力は抵抗よりもはるかに速く減少するので、抵抗に対する力の比、すなわち運動の有効な力はますます小さくなり、非常に小さな粒子では消滅する量となる。このため、物質の比重がどんなに大きくても、粒子が十分に小さければ、空気中や水中で無限に浮遊することができる。金の粒子は、溶液からの沈殿によって非常に小さくなり、沈殿するのに数ヶ月かかることもある。クラカトアの塵（残照やビショップの指輪の本当の原因がそれであるならば）は2年以上も空気中に浮遊していた。空や山の湖の水がいつまでも青いのは、浮遊粒子のせいだ。

さて、この原理は、落下体の重力に対する空気の抵抗だけでなく、飛翔体の推進力に対する空気の抵抗にも当てはまります。飛翔体が小さくなると（小型の鳥や昆虫のように）、飛行エネルギー全体のうち、推進力に消費される割合が大きくなり、上昇に必要な割合は少なくなる。一方、鳥が大きくなると、飛行エネルギー全体のうち上昇に必要な部分がだんだん大きくなり、推進に必要な部分がだんだん小さくなり、最終的には全体が上昇に必要になる限界に達する。それ以上になると、当然ながら飛行は不可能になる。これが、コンドルのような大型の鳥が上昇するのに苦労するが、いったん上昇すると簡単かつ優雅に航行する理由である^[1]。一方、小型の鳥や昆虫は上昇するのは簡単だが、前進するのに急激で絶え間ない羽ばたきを必要とする。

5.空飛ぶ機械への応用-ここまで私の話に全面的に同意してついてきてくれた読者の多くは、ここでおそらく異議を唱えるだろう。空飛ぶ動物にはこれらすべてが当てはまるかもしれないが、空飛ぶ機械には少なくとも同じ程度には当てはまらないのではないか、つまり限界はそれほど低くないのではないかと。彼らは、蒸気、電気、爆発など、筋肉の収縮よりもはるかに強力な力があると言うだろう。特に電気は、漠然と、私たちのために多くの素晴らしいことをしてくれると考えられているが、この空を飛ぶということもその一つである。さて、これがまた大きな間違いなのである。筋肉の収縮によって作用する神経エネルギーと、油、脂肪、デンプン、砂糖、フィブリンなどの食物の燃焼によって供給されるエネルギーは、我々が知る限り最も完璧で効率的なエンジンを形成している。

数年前、フォーレの電池を使って、膨大な量の電気を小さなスペースに凝縮して蓄えようという、ゆるい話が盛んに行われていた。何百万フィートポンドもの電気を小さな箱に凝縮して蓄え、持ち運ぶことができると言われていた。反省していない人にとっては、数百万ポンドのフットポンドは非常に大きな量に見える。このようにして、一般の人々の間には贅沢な期待が高まった。私は当時、ある非常に聡明な紳士と、まさにこの飛行機械の話題について話していたことを覚えている。彼は私の議論に反論して、蓄電の利用を提案した。"私は、「ベストのポケットに入れられる一片の石炭に蓄えられるエネルギーは、300ポンドのフォーレの蓄電池に蓄えられるエネルギーよりも大きいのだ」と言った。フォーレの電池は確かに良いものだが、主にフライホイールのように、量を増やすのではなく、力の流れを調整するためのものである。彼は次に、ニトロ化合物のような爆発物の巨大な力を提案した。これをエンジンに供給すれば、連続した力を供給するように調節できるのではないかと、彼は正しく考えていた。しかし、ここにも誤認による誤りが潜んでいる。このような化合物の力は、量の多さよりも強さが特徴である。全体の力はほとんど無限に小さい時間の中に圧縮されており、それゆえに非常に強い。しかし、それを連続した力として伸ばしていくと、同重量の石炭を燃やしたときの力と変わらないか、おそらくそれ以下になるだろう。炭素と水素を燃やすことで得られるエネルギー以上のものは、この世に存在しないだろう。私たちが蒸気機関に使っているのも、電気を作るのに最も強力で経済的なのも、動物機械に使われているのも、この形態のエネルギーである。残る問題は、その使用の相対的な経済性だけである。さて、この点で動物の体に匹敵するエンジンがないことは、誰もが認めるところであろう。機械技術者の間では、炭化水素質の食物を燃やし、神経と筋肉を介して作用する動物の機械は、たとえ最高の蒸気機関であっても、可能な仕事の理論的限界にほぼ近づいていることが認められている。より正確には、動物の体は、最高のコーニッシュ式蒸気機関の約2倍の効果がある。

動物機械のこの素晴らしい効果の理由は明らかである。この機械が、無限の時代を通じて、特に鳥類において、どのように徐々に完成されてきたかを見てみよう。地球の全地質学的歴史の中で、この機械は、骨格の構造、筋肉のエネルギー、燃料の燃焼の速さを着実に向上させてきた。最も速く、最も元気で、最も血気盛んな者だけが命をかけて戦い、生き延びてきたのだが、鳥類ではほとんど信じられないほどの強度に達している。さらに、鳥類では、すべてのものが飛行という最高の必要性のために犠牲にされている。内臓、骨格、脚、頭、すべてが、翼を動かす大きな胸筋のための空間を確保するために、可能な限り小さく、軽く作られている。これに加えて、翼と羽の精巧な構造が最大の効果を発揮するように適応されている。同じ重量の機械、燃料、頭脳を使っても、これほど効果的な機械はないだろうと思う。それなのに、自然淘汰の無慈悲な行程によって無限の時間をかけて完成したこの機械は、重さが約50ポンドで限界に達してしまうのである。私は、「機械、燃料、頭脳の重さ」と言った。人工の機械に対する自然の機械のもう一つの大きな利点がここにある。空飛ぶ動物はそれ自体が操縦士であるが、空飛ぶ機械は操縦士を運ばなければならない。前者の指示機関（脳）はおそらく1オンスであるが、後者では150ポンドである。飛翔体の限界は五十ポンドである。必要な燃料と技術者を備えた飛行機械の最小の重量は、貨物や乗客を除いても、3～4百ポンドを下らないだろう。 さて、議論を完成させるために、この3つの紛れもない事実を並べてみよう。1. 動物が空を飛ぶことができない体重の低い限界があり、それは確かに50ポンドをはるかに超えない。自然はこの限界に達しているが、最大限の努力をしても越えられなかった。2. 2. 動物の機械は、我々が作ることができると期待されるものよりもはるかに効果的である。3. 3.空を飛ぶために作られた機械の重量は、燃料と操縦士を含めて、3～4百ポンド以下にはならない。真の飛行機械、すなわち自己上昇、自己維持、自己推進は、物理的に不可能であることが証明されているではないか。

6. しかし、このどうしようもない論理の苦しみから逃れる方法はないのだろうか。空を飛ぶ動物の体重の限界は約50ポンドだと言った。歩く動物の限界はもっと高く、おそらく数トンになるだろう。泳ぐ動物には重量や大きさの制限はありません。なぜなら、水が重量を支えているので、全エネルギーを推進力だけに使うことができるからである。さて、これで問題が解決したと思う人がいるかもしれない。なぜ機体で機械を支えないのか、そうすれば全エネルギーを推進力だけに使うことができるのではないか」と言うだろう。私は、飛行原理に気球の原理を加えたのと同じ割合で、動力の増加に対応することなくサイズが大きくなってしまうと答えた。しかし、次のように反論されるだろう。「魚の泳ぎ方を見てください。彼らは海流に翻弄されることはない。水の中に浮かんでいたり、流れに逆らって進んだり、滝を登ったり跳ねたり、つまり、水流とはほとんど無関係なのだ。さて、尾も含めて正確に魚の形をした機械を作り、気体を加えて空気と同じ比重にし、機械を使って魚のように尾をくねらせるとする。その違いはどこにあるのか。真の空飛ぶ機械ではなく、なぜ空飛ぶ機械を作ることができないのでしょうか?」 確かに、飛行ではなく、航空航法の問題を部分的に解決するには、この方向性を模索しなければならないだろう。しかし、上記の贅沢な期待に対する答えは明白である。魚の骨、筋肉、内臓、脳、つまり機械、燃料、操縦士の材料となるものは、魚が泳ぐ媒体（水）と同じ比重である。さて、機械、燃料、操縦士を作る材料として、空気と同じ比重のものを見つけることができれば、確かに、風に左右されない浮遊機械を成功させることができるだろう。しかし、材料が空気の6～7百倍（木）、5～6千倍（鉄）の重さである限り、成功しないだろう。なぜなら、使用せざるを得ない気体で満たされた巨大な空虚なる空間が存在し、空気の抵抗と風の力を増すだけで、推進力には何の影響もないからである。

したがって、繰り返しになるが、純粋な飛行機械は不可能である。我々が期待できること、真の科学者が期待していることは、気球の原理と真の飛行原理を巧みに組み合わせることによって、適度に良好な天候の下での航空航行を可能にすること、つまり、機関装備気球を作ること、あるいは、もし我々がそう呼ぶことを選ぶなら、航空浮遊機を作ることである。この種の本当に有用なものが最終的に作られることに、合理的な疑いを持つことはできない。

脚注

1. Marey氏は最近（1888年、"Nature"、vol.XXXVI、p.369）、鳥が順調に移動した後に飛行がより容易になるもう1つの理由があることを示した。発進時には、翼は羽ばたきのごく初期を除いて、すでに翼と同じ方向に動いている空気を押しているが、高速飛行では羽ばたき全体が静止した空気を押しているのである。