Бумеранги бывают совершенно причудливой формы. Мой фаворит - бумеранг Pacific Beach
Запускают бумеранг почти вертикально. Надо сильно бросить его вперед и при этом как можно сильнее закрутить.
Когда бумеранг вращается, то лопасти у него создают подъемную силу, направленную вбок перпендикулярно плоскости вращения и направлению броска. Но поскольку он не только вращается, но еще и летит вперед, то сила эта распределена неравномерно. Та лопасть, которая в данный момент находится вверху и идет вперед по направлению движения, тянет бумеранг вбок сильнее, чем та, которая находится внизу и идет против движения.
Скорость вращения верхней лопасти суммируется со скоростью движения бумеранга, и относительно воздуха она движется быстрее, это и увеличивает ее подъемную силу.
Ловить бумеранг надо плашмя ладонями двух рук, чтобы не пораниться. Или вообще не ловить, а уворачиваться, чтобы не получилось, как в фильме Mad Max 2.
Поскольку бумеранг быстро вращается, он работает, как - противится изменению угла вращения. Но поскольку на лопасти действует сила неравномерно, то возникает явление прецессии.
Прецессия - это то, что заставляет ось волчка вращаться под углом к поверхности. Сила тяжести тянет ось волчка вниз, но из-за быстрого вращения эта сила трансформируется в силу прецессии, которая действует перпендикулярно силе тяжести и поворачивает ось волчка по кругу. С бумерангом происходит то же самое, что и с волчком. Лопасти пытаются повернуть бумеранг в плоскости, параллельной полету, а из-за прецессии вместо этого отклоняет бумеранг от прямого курса.
Благодаря вращению и движению вперед бумеранг постоянно отклоняется от своего направления перпендикулярно плоскости вращения. А поскольку мы запускаем бумеранг почти вертикально, он постоянно поворачивает вбок, делает круг и возвращается обратно.
Бумеранг можно сделать и самому из любого куска плотной бумаги, например, из визитки. Для этого надо вырезать уголок визитки буквой Г и подогнуть лопасти против часовой стрелки. Чтобы запустить такой бумеранг, надо зажать его легонько за самый уголок и щелкнуть пальцами по лопасти.
Почему же бумеранг всегда возвращается? Все предельно просто! Лопасти бумеранга похожи на крылья самолета: нижняя часть — плоская, а верхняя — выпуклая. Поток воздуха, обтекающий бумеранг сверху, движется быстрее, чем тот, что обтекает его снизу. Поэтому давление воздуха на верхнюю часть лопасти уменьшается, а более сильное давление снизу подталкивает бумеранг и первую половину пути заставляет его лететь вверх. Далее мы описали четыре основные стадии полета бумеранга.
Как возвращается бумеранг: 4 стадии полета
1 стадия. Бумеранг бросают под углом 45 градусов по отношению к потоку ветра. Скорость бумеранга достигает 80 км/ч.
2 стадия. Из-за особенности движения бумеранга (движение с одновременным вращением) на лопасть, которая в полете оказывается сверху, действует большая подъемная сила, чем на нижнюю лопасть. Такое неравномерное распределение подъемной силы создает опрокидывающий эффект и заставляет бумеранг отклоняться от прямого курса в сторону и лететь по круговой траектории.
3 стадия. Центр тяжести бумеранга оказывается напротив центра подъемной силы. Один тянет бумеранг вниз, другой — вверх. Бумерангу ничего не остается, как гордо поднять «нос». Но при этом он не перестает вращаться вокруг своей оси, что и заставляет его разворачиваться и идти «колесом». В таком положении подъемная сила оказывается сильнее силы тяжести, а потому бумеранг, вместо того чтобы рухнуть на землю, продолжает полет.
4 стадия. При возвращении траектория бумеранга смещается на 90 градусов вправо. Сейчас он летит горизонтально, поэтому на него все больше начинает действовать сила тяжести, и он постепенно спускается вниз.
Виды бумерангов
1.
Трехлопастный возвращающийся спортивный бумеранг;
2.
Г-образный, или охотничий, возвращающийся бумеранг;
3.
Невозвращающийся бумеранг «Пиль-пиль» (боевой). Разные по форме крылья позволяют ему лететь далеко, долго сохраняя скорость, что сказывается на силе удара;
4.
Бумеранг «Кайли» (боевой). Если пускать его против ветра, он может и вернуться (конечно, в том случае, если не настиг цель);
5.
Невозвращающийся боевой прямолетящий бумеранг;
6.
Х-образный возвращающийся спортивный бумеранг.
Бумеранг - это одна из разновидностей метательной дубинки.
Такие дубинки известны на протяжение 10000 лет. Археологи находят их в захоронениях Древнего Египта. Индейцы хопи из Аризоны использовали еще недавно метательные дубинки для охоты на кроликов. Австралийские аборигены изобрели бумеранг - метательное орудие, которое после броска возвращается к бросившему его человеку Но в отличие от бумеранга, который мы знаем и любим, никакая другая мета тельная дубинка никогда не возвращается к бросившему ее человеку. Единственный в мире возвращающийся метательный снаряд был изобретен в Австралии.
Австралийские аборигены, жившие первобытным племенным строем (первые обитатели Зеленого континента), для охоты обычно пользовались заурядными не возвращающимися метательными снарядами. Но они же изобрели и возвращающийся бумеранг.
Некоторые ученые считают, что австралийские аборигены первоначально применяли бумеранги, что бы загонять в сети морских птиц. Другие, и, как ни странно, их большинство, утверждают, что бумеранг - это просто забавная игрушка. Обычный, выполненный в виде банана бумеранг может иметь в длину от 40 сантиметров до 1 метра. Современные бумеранги, как правило, изготовляют из фанеры, они очень легкие: 85 - 110 граммов. Чтобы возвращаться к метателю, бумерангу необязательно иметь форму банана. Он может быть в форме звезды, индейского томагавка и буквы «Н».
Так какая же сила заставляет бумеранг возвращаться? Нидерландский физик Феликс Гесс задумался над этим вопросом, будучи еще маленьким мальчиком. После того как он вырос и прилежно изучил в школе и университете математику и физику, он написал 600 - страничную книгу о том, почему бумеранг возвращается к хозяину. Гесс полагает, что бумеранг возвращается по двум причинам. Первая заключается в форме бумеранга, вторая - в способе метания.
Представьте себе, что два плеча изогнутого в форме банана бумеранга - это его крылья. Так же, как у крыльев самолета, нижняя их поверхность плоская, а верхняя - выпуклая. Такая поверхность заставляет воздух, который в полете обтекает бумеранг, создавать подъемную силу. Весь секрет заключается в том, что одно «крыло» бумеранга отличается от другого. Закругление криволинейной поверхности одного крыла смотрит вперед, а другого - назад. Это все равно, что приделать к самолету одно крыло задом наперед. Пилоту такого аэроплана не позавидуешь. Аэроплан так же, как и бумеранг, органически неспособен летать прямо.
Форма лопастей бумеранга возвращает его после полета к месту броска
Способ метания - вторая причина, заставляющая бумеранг описывать в полете окружность. Бумеранг перед броском держат вертикально. Плоская поверхность обращена от метателя. Затем резким круговым движением кисти бумеранг запускается в воздух. Начальная скорость бумеранга должна быть не менее 10 километров в час, а скорость вращения - не менее 10 оборотов в секунду. Брошенный правой рукой бумеранг в полете начинает постепенно забирать влево. Гесс предположил, что полет бумеранга напоминает езду на велосипеде «без рук». Когда при этом корпус наклоняют слегка влево, то переднее колесо также слегка поворачивается влево, даже если при этом не прикасаться к рулю.
В случае с бумерангом секрет его автоматического поворота влево заключается в способе, которым поток воздуха обтекает его лопасти. Сам бумеранг летит вперед, но когда одна лопасть идет вниз и назад, создается тяга, которая толкает снаряд назад. Вот эта сила, действующая на бумеранг сверху вниз, и играет в данном случае роль легкого наклона корпуса при езде на велосипеде. Мало - помалу бумеранг поворачивает влево. Вовремя полета он переходит из вертикального положения в горизонтальное и в конце полета выглядит, как маленький вертолет. Правильно брошенный бумеранг, описав окружность, падает к ногам хозяина.
Бумеранг не дает до сих пор покоя многим поколениям ученых. Объяснить его полет оказалось делом далеко не простым.
Что же заставляет это нехитрое приспособление совершать замысловатый полет? Ответ может дать только аэродинамика: ведь бумеранг, запущенный в вакууме, летел бы как обычный камень, повинуясь лишь силе притяжения.
Бумеранг бросают, придав ему большую скорость (до 100 километров, в час), держа строго вертикально и сообщая быстрое вращение (примерно 10 оборотов в секунду). Сначала он летит параллельно земле, затем взмывает вверх, постепенно уклоняется влево и, описав плавную дугу, возвращается к одной точке. Иногда он «рисует» в воздухе более причудливую линию, напоминающую восьмерку. Искусный охотник может бросить бумеранг на расстояние до 150 метров. При этом бумеранг взлетает ввысь почти на высоту пятиэтажного дома. Древнейшая математизация принципов аэродинамики!
Всем известна задача из школьного курса: обруч катится по полу с определенной скоростью. Надо найти скорость верхней точки обруча. Оказывается, она вдвое большие скорости обруча. Скорость вращения и скорость движения сложились. Аналогично и с бумерангом. Его переднее «плечо» движется как бы быстрее, а заднее - медленнее.
В этом случае и аэродинамические силы неравны. Получается «палка о двух силах». Эти силы дают импульс, стремящийся наклонить бумеранг. Поэтому он слегка наклоняется и продолжает полет. В чем дело? Вернемся опять к элементарной физике. Попробуйте чуть отклонить вращающийся волчок от оси вращения. Он не упадет. Но верхушка начнет описывать небольшие окружности - по-научному, прецессировать. Вы уже догадались, что речь идет о гироскопическом эффекте. Бумеранг вращается достаточно быстро, поэтому аналогия с гироскопом к нему вполне применима. Аэродинамические силы действительно отклоняют ось вращения, но на небольшой угол. Гироскопический эффект не дает ему падать. В результате бумеранг чуть наклоняется, и подъемная сила уже не горизонтальна, а «наклонена». Появляется составляющая, действующая вертикально, и бумеранг забирает вверх и вбок. Наконец, сопротивление воздуха и сила земного притяжения делают свое, и метательный снаряд послушно возвращается. Ведь он «работает», как гироскоп, - ось его вращения движется по образующей огромного конуса, а центр вращения описывает замкнутую кривую. Так выяснилось, что в необычном поведении бумеранга «виноваты» аэродинамика и гироскопический эффект.
Когда вся физика движения бумеранга стала ясно проглядываться, наступил следующий этап исследования: расчет и сравнение с экспериментом. Уравнения движения бумеранга оказались столь сложными, что пришлось звать на помощь компьютер. После решения уравнений, описывающих некий воображаемый, нарисованный на бумаге бумеранг, опять же на бумаге машина изобразила его траекторию. Далее нужен был эксперимент. Но как «нарисовать» траекторию стремительно летящего, вращающегося бумеранга? Задача не из легких. Решение пришло неожиданное и остроумное. Нужно сделать траекторию «видимой». Для этого в центре бумеранга укрепили лампочки и запускали его ночью. Далее работала кинокамера.
Всем известно – австралийские аборигены придумали удивительный метательный снаряд, который, если не поразил цель, возвратится назад к тому, кто его бросил. Это кажется явлением удивительным. На самом деле метательные снаряды, вращающиеся в полете, известны у многих народов. Вращение делает оружие устойчивым и усиливает его поражающие свойства. Например, если такая «дубинка» вращается, от нее труднее прикрыться обычным щитом. Известно, что оружием, похожим на бумеранг, небольшими такими «рогаликами», в Древней Греции охотились на зайцев. А древнеримские авторы описывали, что подобное оружие имело место у кельтов, галлов и германцев.
Но ясно, что в лесах, где обитали древние насельники Европы, такое оружие не было эффективным. Меж деревьев не пролетишь! А вот у аборигенов Австралии бумеранги приобрели большое распространение из-за того, что те обитали в местности степной и даже полупустынной. На местности открытой – кидай подальше, ничего не помешает. Кроме того, австралийские аборигены не изобрели лука, поэтому они совершенствовали метательные снаряды. И усовершенствовали!
Не всякий бумеранг возвращается.
Более того, обычно бумеранги назад не летят. Как говорят знатоки, даже у коренных жителей Австралии возвращающиеся бумеранги встречались не часто. Обычно они использовались для развлечения и для игр. По крайней мере, как утверждают антропологи, использования возвращающихся бумерангов для охоты, хотя бы на мелкую дичь, зафиксировано не было. А кому же верить, как не специалистам?
Был еще один специалист-физик, Феликс Гесс (Felix Hess) который всерьез заинтересовался исследованием аэродинамики полета бумеранга. В 1968 году он опубликовал статью в журнале «Scientific American», а затем – в виде книжки в 600 страниц! Серьезное научное исследование!
Причины странностей бумеранга
По словам Гесса, на полет бумеранга (в том числе, и на возвратный) оказывают влияние две причины:
1. Форма метательного снаряда
2. Способ его запуска (метания)
Не возвращающийся бумеранг может пролететь до 180 метров, поднимаясь при этом над поверхностью земли на 15 метров.
Возвращающийся же бумеранг легче того, который не возвращается. Длина такого снаряда 250-750 мм, ширина – 30-50 мм, а толщина - до 15 мм. Обычно летающий бумеранг имеет два плеча, угол между которыми может варьироваться от 80 до 140 градусов. Масса обычного возвращающегося бумеранга - около 700 граммов.
Так почему же он возвращается?
Два плеча бумеранга – это как бы его крылья. Нижняя поверхность у них плоская, а верхняя – выпуклая, так же как и у крыла самолета. Как известно, когда предмет такой формы попадает в поток воздуха, этот поток, обтекая предмет, будет создавать подъемную силу, направленную в сторону выпуклости. Крыло стремится взлететь!
Всякий, кто видел крыло самолета (хотя бы из иллюминатора при полете), обратил внимание на то, что крыло имеет каплеобразную форму – выпуклая верхняя часть крыла смещена вперед.
Так вот, в бумеранге одно плечо сделано в виде крыла, направленного в одну сторону (условно говоря, «вперед»), а другое плечо – в виде крыла, направленного в противоположную сторону («назад») . Если обдуть потоком воздуха первоначально неподвижный бумеранг (например, в аэродинамической трубе), он начнет вращаться вокруг оси, проходящей через место, где соединяются два плеча бумеранга. На бумеранг же, брошенный вперед и предварительно закрученный в вертикальной плоскости будут действовать как аэродинамические силы, стремящиеся закрутить бумеранг, так и гироскопическая сила, препятствующая этому повороту. По мере полета бумеранга, скорость его вращение будет ослабевать, и бумеранг начнет разворачиваться из вертикальной плоскости в горизонтальную. Одновременно искривляется траектория полета брошенного снаряда. Он начинает подниматься, а потом по широкой, почти округлой, петле возвращается в точку, из которой был запущен. Т очность возвращения и степень замкнутости траектории сильно зависит от мастерства метателя.
Многие европейцы и американцы так натренировались в запуске бумерангов, что на их соревнования приходит множество зрителей, потому что возврат брошенного метательного снаряда в бросившие его руки, в самом деле, завораживает.
