地面効果

どんな現象？

着陸まぎわの飛行機が、滑走路の上でなかなか沈まずにふわりと滑るあれです。翼が地面に近づくほど同じ速さでも浮きやすくなり、進むのに要る力も減ります。効きはじめるのは、地面までの高さが翼の端から端までの長さと同じくらいになったあたりで、その半分を切ると急に強まります。着陸の最後の数秒に、操縦する側がいちばん敏感に感じ取る変化です。

なぜ起きるか

翼は空気を下向きに曲げ、その反作用として上向きの力を受けています。ただし翼の端では下の空気が上面へ回り込み、渦になって流れを斜め下へ引き下ろしてしまう。地面が近いとこの回り込みが邪魔されて渦が弱まります。すると翼に当たる流れが下を向きにくくなり、倒れていた力が起き上がって抵抗が減り、浮く分が増えます。

どこで見られるか

旅客機の接地直前、海面すれすれを滑る大型の海鳥、水面近くを走るように設計された乗り物。主役はどちらも翼の端で、翼端渦と誘導抗力がその中身です。高さと端から端までの比だけで効き方がおおよそ決まるので、大きな翼ほど高い所から効きはじめます。競技用の車が床下を路面へ近づける工夫も、力の向きは逆ですが同じ土俵の話です。

勘違いしやすいところ

地面と翼のあいだに空気が閉じこめられて座布団になるという説明では足りません。主に効いているのは翼端の渦が弱まることで、空気を吹き下ろして浮く乗り物とは仕組みが別物です。効きすぎると着陸で降りられず滑走路を流れてしまうので、操縦では抑える側の手当てが要ります。

解説動画（海外・英語）: What is GROUND EFFECT?／flight-club

着陸で浮きたがる感じ: 地面のすぐ近くを飛ぶと、機体の振る舞いが変わる。とくに着陸のとき、クッションに乗ったような感じが出て、機体が地面の上で浮きたがる。パイロットが体感するこの現象が地面効果——動画はそこから仕組みの話に入る。

誘導抗力はどこから来るか: 高いところを飛ぶ普通の飛行で、機体は誘導抗力という好ましくない力を受けている。これは揚力を作ったことの副産物で、翼の下面側の流れが翼端を回り込むことで上面側へこぼれ、大きなねじれた渦になって生まれる。この翼端渦が流れを下向きに曲げるため、揚力のベクトルが後ろへ傾き、余分な抗力が出る。

地面が下向きの流れを抑える: 地面に近づくと、その下向きの流れが制限され、翼端の渦ができるのも抑えられる。すると揚力のベクトルは後ろへ傾く量が小さくなり、全体の抗力が減って、同じ速度を保つのに推力も少なくて済む。さらに翼の下面にかかる空気の圧力がわずかに上がるぶん揚力が増える。これがクッション感の中身。

効く高さは翼幅の半分: 動画が挙げる目安は、地面からの高さが全翼幅の半分より低いところ。そこで地面効果がいちばんはっきり出て、翼が地面に近いほど効果は強くなる。裏返せば、その高さを通るのは地面のすぐ上を飛ぶ離陸と着陸の場面で、動画も地面効果が効いてくるのはそこだと言っている。

離陸で上がらず着陸で浮く: 離陸では、地面効果を抜けて上昇していくところで翼が揚力を生む力が下がり、誘導抗力が増える。結果として上昇性能が落ちる。進入で地面効果に入れば、揚力が増えて抗力が減るぶん浮いている時間が長くなる。ほかに失速する迎角が下がる、対気速度計が低めに出る、安定性が変わることもある、と挙げている。