The Brain
21 марта 2019
Почему бумеранг поворачивает во время полета?
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.
Так еще одно «явление природы» получило строго научное истолкование.
