Бумеранг: аэродинамика и механика полета возвращающегося оружия

Среди различных видов оружия и изобретений народов мира особый научный и практический интерес представляет бумеранг австралийских аборигенов (см. рис. 10). Его уникальная способность совершать сложные траектории полета, включая возврат к метателю, долгое время считалась почти мифической. Современная физика, однако, дает исчерпывающее объяснение этому феномену, связывая его с законами аэродинамики и гироскопического эффекта. Изучение бумеранга позволяет наглядно продемонстрировать фундаментальные принципы механики.

Рис. 9. Обычная форма бумеранга

Конструктивно бумеранг представляет собой плоский, тонкий и легкий снаряд, изготавливаемый из твердых пород дерева. Его характерная форма — это изогнутая пластина с заостренными краями и слегка вогнутой аэродинамической поверхностью. Угол между плечами оружия не является строго фиксированным и часто определяется естественным направлением древесных волокон. Важно отметить, что оба плеча бумеранга не лежат строго в одной плоскости, а скручены относительно друг друга, что является ключевым фактором для создания подъемной силы.

Рис. 10. Австралиец, бросающий бумеранг

Полет бумеранга обусловлен не только его специфической формой, но и особым способом броска. Если просто бросить плоский предмет, подобный листу бумаги, он начнет беспорядочно кувыркаться и быстро упадет. Для стабилизации полета метатель должен сообщить бумерангу быстрое вращательное движение вокруг вертикальной оси. Это вращение придает снаряду гироскопическую устойчивость, предотвращая его опрокидывание и хаотическое движение. Таким образом, бумеранг сочетает в себе поступательное движение вперед и стабилизирующее вращение.

Принцип гироскопической стабилизации подробно рассматривается в теории гироскопа (см. ч. 1, гл. 3, разд. I). Вращающееся тело активно сопротивляется попыткам изменить плоскость своего вращения. Это свойство, известное как гироскопическая прецессия, и позволяет бумерангу сохранять ориентацию в пространстве. Любое внешнее воздействие, стремящееся отклонить его ось, приводит не к немедленному опрокидыванию, а к предсказуемому и плавному изменению траектории. Именно эта физическая основа обеспечивает управляемость полета.

Техника броска, показанная на рис. 9, заключается в следующем. Предположим, оружие метается справа налево (по направлению стрелки E). В момент броска большой палец (C) толкает бумеранг, в то время как остальные пальцы (D) создают упор. Чтобы преодолеть это препятствие, снаряд получает закручивающий импульс в направлении стрелок G и H. Этот щелчковый толчок и придает бумерангу необходимое высокоскоростное вращение, которое стабилизирует его полет сразу после выброса из руки.

Однако вращение само по себе не объясняет знаменитую способность бумеранга возвращаться. Ключевую роль здесь играет аэродинамическая форма его плеч. Благодаря скрученному профилю и углу атаки, каждое плечо, движущееся вперед по ходу вращения, создает подъемную силу, подобно крылу самолета или лопасти винта. Так как одно плечо движется в направлении полета быстрее другого, создается разность подъемных сил. Эта разность, взаимодействуя с гироскопическим эффектом, заставляет плоскость вращения медленно прецессировать, описывая в воздухе широкую круговую траекторию.

Таким образом, бумеранг не "возвращается" в прямом смысле, а совершает петлю, постепенно меняя плоскость своего полета под действием аэродинамических сил. Его траектория напоминает движение по наклонной воображаемой плоскости. Набрав высоту в начале полета, он достигает верхней точки, а затем, продолжая прецессировать, опускается, часто возвращаясь вблизи точки броска. Аналогичный, хотя и менее выраженный эффект, можно наблюдать, бросив с вращением прямоугольный кусок плотного картона.

Конструкция бумерангов может варьироваться. Некоторые модели имеют не просто изогнутый, а винтообразно закрученный профиль, как показано на рис. 12. В таком случае плечо напоминает лопасть воздушного винта или колесо ветряной мельницы. При вращении такой профиль создает еще более значительную подъемную силу, способную на некоторое время полностью компенсировать силу тяжести. Чем сильнее начальное вращение, тем выше и дальше может улететь такой бумеранг, вплоть до того, что он опишет петлю и упадет позади метателя.

Рис. 12. К объяснению винтовых движений бумеранга

Сложные траектории в виде эллипсов или восьмерок возникают из-за комбинации нескольких факторов: поступательной скорости, скорости вращения, аэродинамического профиля и гравитации. Поскольку более быстро движущееся плечо (находящееся с одной стороны от центра масс) создает большую подъемную силу, возникает постоянный вращающий момент. Гироскопическая прецессия преобразует этот момент в плавное изменение направления всего снаряда. В результате результирующая траектория становится криволинейной, а ее форма зависит от начальных условий броска.

Рис. 13. Пути, которые бумеранг может описывать во время полета

На рис. 13 представлены реальные траектории полета бумеранга, полученные экспериментальным путем. Среди них можно видеть как простые петли возврата, так и более сложные движения, включая отскоки от земли. Вертикальная линия на схеме обозначает позицию метателя. Эти разнообразные пути наглядно иллюстрируют, как малейшее изменение силы броска, угла запуска или скорости вращения кардинально меняет характер полета.

При наличии определенной сноровки и подходящей заготовки из твердого дерева (например, акации или гикори) можно изготовить функциональный бумеранг самостоятельно. Его форма должна быть тщательно сбалансирована, а поверхности отшлифованы для снижения аэродинамического сопротивления. Практические эксперименты с таким снарядом на открытом пространстве позволяют наглядно проверить все описанные физические принципы. Готовые бумеранги также доступны в качестве спортивного инвентаря.

Для демонстрации основных явлений в помещении можно использовать упрощенные модели. Например, бумеранг можно вырезать из плотного картона или тонкого пластика. Чтобы придать ему необходимое вращение и скорость, удобно использовать простейший метательный станок, схема которого приведена на рис. 14. Этот аппарат состоит из деревянной основы с упругой пластиной (пружиной) из китового уса или стали.

Рис. 14. Бумеранг и аппарат для его бросания в комнате

Принцип действия устройства прост: оттянутая пружина (AB) фиксируется, после чего в желоб укладывается картонный бумеранг. При освобождении пружина ударяет по торцу модели, сообщая ей одновременно и поступательное движение, и быстрое вращение. Меняя жесткость пружины, вес и форму миниатюрного бумеранга, можно воспроизводить различные типы траекторий в условиях ограниченного пространства, что делает этот эксперимент идеальным для учебных целей.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.