- 科目
- 流体力学
- 章
- 流れが物を押す力
- 図番
- 12 / 12
- 内容
- シミュレータ・例題3問
プロペラを2倍に大きくすると、要る動力は半分プロペラの推力(ドローンが浮く力)
プロペラは空気を下へ押し出し、その反動で浮く。1 kg のドローンは、直径 20 cm のプロペラ4枚で毎秒 0.861 kg の空気を押し下げ、理想の動力は 56 W。直径を2倍の 40 cm にすると 28 W で、半分で済む。重さには1.5乗で効き、実際の機体は理想の約3倍の電気を使う。

このページの内容
この単元のポイント
- プロペラは、空気を下へ押し出し、その反動で浮く(噴流の反動と同じ運動量の法則)。1 kg のドローン(直径 20 cm のプロペラ4枚)は、毎秒 0.861 kg の空気を、ずっと下で 11.4 m/s になるまで押し下げている。
- 浮いているだけで要る動力(理想)は、直径 20 cm で 56 W、40 cm にすると 28 W(直径2倍で半分)。たくさんの空気を、ゆっくり押し下げるほど少ない動力で済む。
- 機体が2倍重いと、動力は 2.83倍(重さの1.5乗)。実際の機体は理想の約3倍の電気を使うので(目安)、77 Wh の電池で浮いていられる時間は、1 kg で約 28 分、2 kg で約 9.8 分。
ドローンは、何を押して浮いている?
空撮用のドローンが、池の上で止まって浮いています。真下の水面には、外へ広がる波の輪ができています。プロペラの下から、強い風が吹き下ろしているのです。
ドローンが浮いていられるのは、この空気を下へ押し出しているからです。では、1 kg のドローンが浮いているには、どれだけの空気を、どれだけの速さで押し下げればよいのでしょうか。そのための動力はいくらでしょうか。
予想してから読む同じ重さのドローンで、プロペラの直径を2倍にした。浮いているだけで要る動力(理想)は、どうなる?
公式はこれ
| 記号 | 意味 | 1 kg のドローン(直径 20 cm × 4枚) |
|---|---|---|
| 浮いているだけで要る動力(理想)[W] | 55.8 W | |
| 推力(4枚の合計)。浮いているときは機体の重さ [N] | 9.81 N | |
| 空気の密度 [kg/m³] | 1.204 kg/m³ | |
| プロペラが回る円の面積(4枚の合計)[m²] | 0.126 m² |
「理想」は、プロペラの羽根の摩擦も、モーターの熱も無い、という意味です。これより少ない動力では、どんなプロペラでも浮けません。
押し下げた空気の反動で浮く
ふくらませた風船の口を結ばずに手を放すと、風船は空気を噴き出しながら、反対の向きへ飛んでいきます。
ホースや消防の筒先の反動と同じです。運動量の法則(噴流が押す力) の決まり「毎秒押し出した流体の質量 × 速さ = 力」です。プロペラも、空気を下へ押し出し、その反動で上向きの力(推力)を受けます。
プロペラを通る空気の速さを とすると、毎秒プロペラの円を通る空気の質量は
この空気は、プロペラを通り過ぎたあとも速くなり続け、ずっと下では、プロペラを通るときの2倍の速さ になります(理由は、下の「式の導き方」で)。推力は「毎秒の空気の質量 × 速さ」なので、
ちょうど 1 kg の物の重さです。1 kg のドローンは、毎秒 0.861 kg、つまり約 0.7 m³ の空気を、11.4 m/s まで押し下げて浮いています。
動力は、空気に渡す運動エネルギー
止まっていた空気を、毎秒 0.861 kg ずつ 11.4 m/s まで速くするには、エネルギーが要ります。ベルヌーイの定理 の「財布の中身の両替」で言えば、止まっていた空気の財布に、モーターが外から速さの分を足しているのです。毎秒渡す運動エネルギーが、浮いているのに要る動力です。
同じ値は「推力 × プロペラを通る空気の速さ」でも出ます。 です。
大きいプロペラほど得
同じ 9.81 N の推力は、「少しの空気を速く」押し下げても、「たくさんの空気をゆっくり」押し下げても作れます。推力は質量 × 速さ、動力は質量 × 速さの2乗に比例するので、ゆっくりのほうが少ない動力で済みます。たくさんの空気を通すには、プロペラを大きくします。
| プロペラの直径 | 毎秒の空気 | ずっと下での速さ | 理想の動力 |
|---|---|---|---|
| 10 cm | 0.431 kg | 22.8 m/s | 112 W |
| 20 cm | 0.861 kg | 11.4 m/s | 55.8 W |
| 40 cm | 1.72 kg | 5.69 m/s | 27.9 W |
直径を2倍にすると、円の面積は4倍。押し下げる空気は2倍に増え、速さは半分で済み、動力は半分になります。
大きな回転翼をゆっくり回すヘリコプターは、この考え方をいちばん先まで進めた形です。
重さには1.5乗で効く
直径 20 cm のまま、機体を重くしていくと、動力は次のようになります。
| 機体の質量 | 推力 | ずっと下での速さ | 理想の動力 |
|---|---|---|---|
| 1 kg | 9.81 N | 11.4 m/s | 55.8 W |
| 2 kg | 19.6 N | 16.1 m/s | 158 W |
| 4 kg | 39.2 N | 22.8 m/s | 447 W |
推力を2倍にするには、空気の量と速さを、どちらも √2 倍にします(√2 × √2 = 2)。動力は、推力の2倍に、プロペラを通る速さの √2 倍がかかって、 倍です。
実際の機体は、理想の約3倍の電気を使う
DJI の空撮ドローン Mavic 3 Pro は、離陸重量 958 g、プロペラの直径 23.9 cm(4枚)、電池 77 Wh で、その場に浮いていられる時間は最大 37 分です(DJI の公表値。無風・海抜 0 m で、電池を 100% から 0% まで使ったとき)。
37 分で 77 Wh を使うので、電池から出している平均の動力は 125 W です。公式で出す理想の動力は 43.8 W なので、実際は理想の 2.85倍 の電気を使っています。
差の一部は、プロペラとモーターの損失です。NASA が市販のドローンのプロペラを測った試験では、理想の動力と、プロペラを回すのに実際に要った動力の比(フィギュア・オブ・メリット)は 0.58〜0.72 でした。羽根が空気をこする摩擦や、吹き下ろしの速さがプロペラの円の中でそろわないことで、理想より多くの動力が要ります。モーターと、モーターに電気を送る回路を合わせた効率も 7〜8割ほどです(Russell ほか、2016年)。残りの差には、機体の電子回路やカメラが使う電気も入ります。この単元の盤では、目安として「電池から出す動力は、理想の約3倍」としています。
公式を、3つのかたまりに分けて読む
- 推力 浮いているときは、機体の重さそのものです。
- プロペラを通る空気の速さ 推力を、プロペラの円の面積で割った「1 m² あたりの推力」の √ で決まります。同じ推力でも、面積が広ければ、ゆっくりで済みます。
- かけ算で動力 「力 × 速さ」です。重さが増えると、推力も速さも増えるので、動力は重さの 1.5乗で増えます。
どの数字がいちばん効く?
1 kg・直径 20 cm から、それぞれの数字を 10% 変えたとき、理想の動力と浮いていられる時間がどう変わるかを並べます。
| 変えるもの | 理想の動力 | 浮いていられる時間 | 理由 |
|---|---|---|---|
| 機体の質量 を10%重く | +15% | −13% | 重さの1.5乗で効く |
| プロペラの直径 を10%大きく | −9.1% | +10% | 直径に反比例する |
| 空気の密度 を10%大きく | −4.7% | +4.9% | 密度の √ に反比例する |
| 電池のエネルギー を10%増やす | 0% | +10% | 時間に比例する(電池の重さは別に増える) |
いちばん効くのは、機体の重さです。電池を大きくすると、その分だけ機体が重くなるので、浮いていられる時間は電池の増えほどには延びません。
池の上のドローンに戻る
水面に波の輪ができていたのは、ドローンが毎秒 1 kg 近い空気を、10 m/s ほどの速さで下へ押し下げていたからでした。その反動が、機体を支える推力です。押し下げる空気が多く、遅いほど、少ない電気で浮いていられます。
つまり、ものを作るときは
長く浮いていたい機体には、置ける範囲でいちばん大きなプロペラを付け、ゆっくり回します。直径を2倍にすれば、理想の動力は半分です。
そして軽く作ります。重さは1.5乗で効くので、1割の軽量化で動力は約15%減ります。電池を足して重くすると、得はどんどん小さくなります。
動かしてみよう
機体の質量 のスライダーを動かしてみてください。上向きの推力の矢印と、下向きの重さの矢印が同じ長さで伸び、押し下げる空気の青い矢印も長くなります。
次に、プロペラの直径 を変えてみてください。プロペラの円が大きくなると、青い矢印は短くなり、下のグラフの点は、動力の曲線に沿って下がります。
「いまの図を残して比べる」を押してから直径を2倍にすると、動力が半分になるのが、並べて見られます。
試してみよう0 / 3
- 直径 20 cm のまま、機体の質量 m を4倍の 4 kg にして、押し下げる空気の速さと量を見る(まだ)
- 質量 1 kg のまま、プロペラの直径 D を2倍の 40 cm にして、理想の動力を見る(まだ)
- 直径 20 cm のまま、質量 m を2倍の 2 kg にして、動力と浮いていられる時間を見る(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- 浮くのに要る動力(理想)
- 推力(4枚の合計)
- 押し下げた空気の、ずっと下での速さ
- 毎秒押し下げる空気の質量
- 電池から出す動力(目安)
- 浮いていられる時間(目安)
ほかの値(2 個)
- プロペラが回る円の面積(4枚の合計)
- プロペラを通る空気の速さ
途中の計算(導出)を見る
浮いているときの推力(4枚の合計)は、機体の重さと同じ
プロペラが回る円の面積(4枚の合計)
プロペラを通る空気の速さ(推力 = 毎秒の空気の質量 × ずっと下での速さ 2v から)
浮くのに要る動力(理想)。推力 × プロペラを通る空気の速さ
浮いていられる時間(目安。電池から出す動力を、理想の 3 倍とみる)
よくある勘違い
「重さが2倍なら、要る動力も2倍」
2倍になるのは推力です。推力を2倍にするには、押し下げる空気の速さも √2 倍に上げる必要があるので、動力は 2 × √2 = 2.83倍になります。
「プロペラを速く回すほど、効率よく浮ける」
同じ重さを支えるなら、小さいプロペラを速く回すより、大きいプロペラをゆっくり回すほうが、少ない動力で済みます。
| 直径 20 cm | 直径 40 cm | |
|---|---|---|
| 押し下げる空気(毎秒) | 0.861 kg | 1.72 kg |
| ずっと下での速さ | 11.4 m/s | 5.69 m/s |
| 理想の動力 | 55.8 W | 27.9 W(半分) |
「プロペラの枚数を増やすほど、少ない動力で浮ける」
効くのは、プロペラが回る円の面積の合計です。同じ直径のプロペラを4枚から8枚にすれば面積は2倍ですが、機体が大きく重くなります。面積の合計が同じなら、枚数を変えても理想の動力は変わりません。
この公式が使える条件
- 空中の1か所に止まって浮いている(前へ進むとき、上がるときは、別の勘定になる)
- 風が無い
- 4枚のプロペラの円は重ならず、それぞれが自分の円を通る空気だけを押す
- プロペラを通る空気の速さは、円の中でどこも同じとみなす(運動量理論)
- 空気は押し縮められないとみなす
- 地面や水面から十分に離れている(低い所では、吹き下ろしが地面に当たって、少しの動力で浮ける)
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
運動量の勘定:プロペラのずっと上では、空気は止まっています。プロペラを通る空気の速さを 、ずっと下での速さを とします。毎秒プロペラを通る空気の質量は で、その空気の運動量は、毎秒 0 から に増えます。毎秒の運動量の増え = 力 なので、
エネルギーの勘定:プロペラが空気にする仕事は、毎秒「推力 × プロペラを通る空気の速さ」 です。損失がなければ、これがそっくり、押し下げた空気の運動エネルギー になります。
ずっと下での速さは、プロペラを通るときの2倍です。
速さと動力: を解いて、
1 kg・直径 20 cm × 4枚では、、 です。
例題
例題1 市販の空撮ドローンで確かめる
DJI の空撮ドローン Mavic 3 Pro は、離陸重量 958 g、プロペラの直径 23.9 cm(4枚)、電池のエネルギー 77 Wh で、その場に浮いていられる時間は最大 37 分です(DJI の公表値)。空気の密度は 1.204 kg/m³ とします。
(1) 浮いているのに要る理想の動力はいくらですか。(2) 37 分で 77 Wh を使い切るとして、電池から出している平均の動力はいくらですか。理想の何倍ですか。
ヒント 1 / 2
4枚の円の面積の合計は です。
ヒント 2 / 2
平均の動力 = エネルギー ÷ 時間。37 分は 37/60 時間です。
答えと解き方を見る
浮いているときの推力(4枚の合計)は、機体の重さと同じ
プロペラが回る円の面積(4枚の合計)
プロペラを通る空気の速さ(推力 = 毎秒の空気の質量 × ずっと下での速さ 2v から)
浮くのに要る動力(理想)。推力 × プロペラを通る空気の速さ
この単元の盤が「電池から出す動力は、理想の約3倍」としているのは、この比から決めた目安です。
DJI の時間は、無風・海抜 0 m で、電池を 100% から 0% まで使ったときの値です。実際に飛ばすときは、残りを残して降ろすので、もっと短くなります。
例題2 プロペラを大きくする
質量 2 kg のドローンを、4枚のプロペラで浮かせます。
(1) 直径 30 cm のプロペラのとき、プロペラを通る空気の速さと、理想の動力はいくらですか。(2) 直径 20 cm にすると、理想の動力はいくらになりますか。
ヒント 1 / 2
推力は機体の重さ 、面積は です。
ヒント 2 / 2
で、 は直径の2乗に比例します。
答えと解き方を見る
浮いているときの推力(4枚の合計)は、機体の重さと同じ
プロペラが回る円の面積(4枚の合計)
プロペラを通る空気の速さ(推力 = 毎秒の空気の質量 × ずっと下での速さ 2v から)
浮くのに要る動力(理想)。推力 × プロペラを通る空気の速さ
理想の動力は、直径に反比例します。直径を 1.5倍にすると、動力は 1.5 で割った分で済みます。
実際には、大きいプロペラは機体も大きく重くなります。2 kg の機体で 20 cm から 30 cm にすると、理想の動力は 52.6 W 減ります。
例題3 荷物を吊るすと
質量 1 kg のドローン(直径 20 cm のプロペラ 4枚、電池 77 Wh)が、0.5 kg の荷物を吊るして浮いています。
(1) 理想の動力は、荷物が無いときの何倍になりますか。(2) 電池から出す動力を理想の 3 倍とすると、浮いていられる時間は約何分になりますか。荷物が無いときと比べなさい。
ヒント 1 / 2
動力は推力の 1.5乗、 です。
ヒント 2 / 2
時間 = 電池のエネルギー ÷ 電池から出す動力。
答えと解き方を見る
重さが 1.5倍になると、押し下げる空気の量も速さも √1.5 倍に増え、動力は 1.5 × √1.5 ≒ 1.84倍になります。
浮いていられる時間は、動力に反比例して短くなります。