В этой статье мы разберем физические принципы, которые заставляют бумеранги работать, посмотрим, что происходит, когда бумеранг летит по воздуху, и узнаем, как правильно бросить бумеранг, чтобы он вернулся к вам. Мы также немного углубимся в историю бумерангов, чтобы понять, как они появились в первую очередь. Бумеранг — это удивительная демонстрация научных принципов, а также потрясающий вид спорта, которым вы можете наслаждаться в одиночку.
Когда мы говорим о бумерангах, мы обычно имеем в виду изогнутые устройства, которые возвращаются к вам, когда вы их бросаете, но на самом деле есть два разных вида бумерангов. Возвращающиеся бумеранги, с которыми мы все знакомы, представляют собой специально изготовленные легкие куски дерева, пластика или другого материала. Традиционно это в основном два крыла, соединенные вместе в одно целое в форме банана, но в наши дни можно найти множество различных конструкций бумерангов, некоторые с тремя или более крыльями. Большинство возвращающихся бумерангов имеют размеры от 1 до 2 футов (от 30 до 60 см) в поперечнике, но есть более крупные и мелкие разновидности. При правильном броске возвращающийся бумеранг летит по воздуху по круговой траектории и возвращается в исходную точку.
Возвращающиеся бумеранги не подходят для охоты — их очень трудно прицелить, и фактическое попадание в цель помешало бы им вернуться к метателю, что в значительной степени противоречит цели дизайна.
Возвращающиеся бумеранги развились из невозвращающихся бумерангов. Это также изогнутые куски дерева, но они обычно тяжелее и длиннее, обычно 3 фута (1 метр) или более в поперечнике. Невозвращающиеся бумеранги не имеют легкого веса и специальной конструкции крыльев, которые заставляют возвращающиеся бумеранги возвращаться к метателю, но их изогнутая форма позволяет им легко летать по воздуху. Невозвратные бумеранги являются эффективным охотничьим оружием, потому что их легко прицеливать, и они преодолевают большое расстояние с высокой скоростью. Существует также такая вещь, какбоевой бумеранг, который по сути является невозвратным бумерангом, используемым в рукопашном бою.
Бумеранг — это два крыла, объединенные в одно целое.
Если вы бросите прямой кусок дерева примерно того же размера, что и бумеранг, он будет просто продолжать двигаться в одном направлении, переворачиваясь с конца на конец, пока сила тяжести не притянет его к земле. Итак, вопрос в том, почему изменение формы этого куска дерева заставляет его дольше оставаться в воздухе и возвращаться к вам?
Первое, что отличает бумеранг от обычного куска дерева, это то, что он состоит как минимум из двух составных частей, тогда как прямой кусок дерева — это всего лишь одно целое. Это заставляет бумеранг вращаться вокруг центральной точки, стабилизируя его движение, когда он движется по воздуху. Невозвратные бумеранги — лучшее метательное оружие, чем прямые палки, из-за этого стабилизирующего эффекта: они летят дальше, и вы можете прицелиться из них с гораздо большей точностью.
Возвращающийся бумеранг имеет специализированные компоненты, которые заставляют его вести себя немного иначе, чем обычная изогнутая палка. Классический бумеранг в форме банана — это просто два крыла, соединенные в единое целое. Это ключ к его странной траектории полета.
Крылья установлены с небольшим наклоном и имеют аэродинамический профиль — они закруглены с одной стороны и плоские с другой, как крыло самолета. Если вы читали, как работают самолеты, то знаете, что эта конструкция обеспечивает подъемную силу крыла. Частицы воздуха быстрее перемещаются над верхней частью крыла, чем вдоль нижней части крыла, что создает разницу в давлении воздуха. Крыло имеет подъемную силу, когда оно движется, потому что давление под ним больше, чем над ним.
Передние кромки двух крыльев направлены в одном направлении, как лопасти пропеллера.
Как вы можете видеть на схеме, два крыла расположены так, что передние кромки направлены в одном направлении, как лопасти пропеллера. По сути, бумеранг — это просто пропеллер, который ни к чему не прикреплен. Пропеллеры, подобные тем, что находятся в передней части самолета или в верхней части вертолета, создают поступательную силу, вращая лопасти, которые являются просто маленькими крыльями, в воздухе. Эта сила действует на ось, центральную точку пропеллера. Чтобы переместить транспортное средство, подобное самолету или вертолету, вы просто прикрепляете его к этой оси.
Ось пропеллера классического бумеранга является только воображаемой, поэтому она, очевидно, ни к чему не прикреплена, но сам пропеллер перемещается под действием силы подъема крыльев. Тогда было бы разумно предположить, что при вращении бумеранг просто улетит в одном направлении, точно так же, как самолет с вращающимся пропеллером будет двигаться в одном направлении. Если бы вы держали его горизонтально, когда бросали, как вы делаете с фрисби, вы бы предположили, что движение вперед будет вверх, потому что именно в этом направлении направлена ось — бумеранг взлетел бы в небо, как взлетающий вертолет, пока он не перестал вращаться, и гравитация не потянула его внизеще раз. Если вы держали его вертикально, когда бросали, а это правильный способ бросить бумеранг, кажется, что он просто улетит вправо или влево. Но, очевидно, это не то, что происходит.
Ниже вы прочтете, почему бумеранг поворачивается и возвращается к вам.
Почему это возвращается?
В отличие от пропеллера самолета или вертолета, который начинает вращаться, когда транспортное средство полностью неподвижно, вы бросаете бумеранг, так что в дополнение к вращению пропеллера у него также есть движение полета по воздуху.
На приведенной ниже диаграмме вы можете видеть, что любое крыло, находящееся в верхней части вращения в любой момент времени, в конечном итоге движется в том же направлении, что и движение вперед при броске, в то время как любое крыло, находящееся в нижней части вращения, движется в направлении, противоположном броску. Это означает, что, хотя крыло вверху вращается с той же скоростью, что и крыло внизу, на самом деле оно движется по воздуху с более высокой скоростью.
Когда крыло движется по воздуху быстрее, под ним проходит больше воздуха. Это приводит к увеличению подъемной силы, потому что крылу приходится прилагать больше усилий, чтобы сбросить увеличенную массу. Итак, это как если бы кто-то постоянно толкал весь вращающийся пропеллер бумеранга в верхней части вращения.
Но все знают, что когда вы толкаете что-то сверху, скажем, стул, вы опрокидываете предмет, и он падает на землю. Почему этого не происходит, когда вы нажимаете на вершину вращающегося бумеранга?
Если вы читали, как работают гироскопы, то, возможно, уже догадались, о чем здесь идет речь. Когда вы нажимаете на одну точку вращающегося объекта, такого как колесо, пропеллер самолета или бумеранг, объект реагирует не так, как вы могли бы ожидать. Например, когда вы нажимаете на вращающееся колесо, колесо реагирует на силу, как если бы вы толкнули его в точке, отклоненной на 90 градусов от того места, где вы его фактически толкнули. Чтобы увидеть это, прокатите велосипедное колесо рядом с собой и нажмите на него сверху. Колесо будет поворачиваться влево или вправо, как если бы на переднюю часть колеса действовала сила. Это потому, что при вращении объекта точка, на которую вы нажимаете, не неподвижна, она вращается вокруг оси! Вы приложили силу к точке в верхней части колеса, но эта точка немедленно переместилась к передней части колеса, пока она все еще ощущала силу, которую вы приложили. Существует своего рода замедленная реакция, и сила на самом деле оказывает самое сильное воздействие на объект примерно на 90 градусов от того места, где она была впервые применена.
В этом сценарии колесо быстро выпрямится после небольшого поворота, потому что, когда точка силы вращается вокруг колеса, она в конечном итоге прикладывает силу к противоположным концам колеса, что уравновешивает действие силы. Но постоянное нажатие на верхнюю часть колеса будет поддерживать постоянную силу, действующую на переднюю часть колеса. Эта сила была бы сильнее, чем уравновешивающие силы, поэтому колесо продолжало бы вращаться, двигаясь по кругу.
Если вы когда-либо управляли велосипедом, не используя руль, вы испытали этот эффект. Вы переносили свой вес на велосипед, чтобы верхняя часть колеса сдвинулась в сторону, но каждый велосипедист знает, что велосипед не переворачивается, как если бы он стоял на месте, а вместо этого поворачивается вправо или влево.
Это то же самое, что происходит в бумеранге. Неравномерная сила, вызванная разницей в скорости между двумя крыльями, создает постоянную силу в верхней части вращающегося бумеранга, которая фактически ощущается на передней стороне вращения. Итак, подобно наклонному велосипедному колесу, бумеранг постоянно поворачивается влево или вправо, так что он движется по кругу и возвращается в исходную точку.
