Jak funguje bumerang?

Bumerangy vypadají jednoduše, ale přitom používají dokonalou kombinaci fyziky a aerodynamiky pro svůj úžasný vracející se let.
Bumerang je efektivní spojení aerodynamických křídel a setrvačníku (gyroskopu). Vracející se bumerang je v základním provedení tvořen dvěma křídly spojenými v úhlu mezi 80° až 120°. (Křídel může být i více). Funkce křídel nejlépe vynikne právě když bumerang rotuje, než kdyby letěl přímo jako letadlo.
Kombinace rotace a dopředného letového pohybu způsobuje v určité chvíli na křídlech nevyrovnaný vztlak – jedno křídlo rotuje dopředu ve směru stejném jako je let, zatímco druhé křídlo rotuje pozpátku, proti směru letu. Vzduch proudící nad křídlem na straně rotace ve směru letu má vyšší rychlost proudění než na druhém křídle a tak vytváří větší vztlak.
Nevyrovnaný vztlak se snaží bumerang překlopit, ale rotace překoná překlápěcí sílu v pravých úhlech a udržuje bumerang v zakřivené dráze letu. Další překlápěcí síla způsobená centrem vztlaku je také překonána a bumerang se v letu položí.
Spojení těchto kroutících pohybů je gyroskopická precese.


Při správném vržení bumerang letí v obloukové křivce a vrátí se zpět k vrhači.

Letová dráha bumerangu
Jak se bumerang vrací zpět
Pohled shora na letovou dráhu bumerangu
Jak se bumerang vrací zpět:

  1. Vržení bumerangu
  2. Bumerang v letu zatáčí
  3. Bumerang se v letu pokládá
  4. Bumerang se snáší zpět

Fyzika & Aerodynamika:

Let bumerangu je ovlivňován:
A. vlastní konstrukcí:

  • tvar bumerangu a počet křídel
  • délka a plocha křídel
  • velikost úhlů mezi křídly
  • aerodynamika profilů křídel
  • materiál, umístění těžiště, případně závaží, …atd.

B. vnějšími vlivy:

  • dopředná rychlost a rotace udělená při vrhu
  • úhel naklonění bumerangu
  • úhel a směr vrhu
  • síla a směr větru, hustota vzduchu
  • gravitace, zkušenosti vrhače, atd.

1. Vržení bumerangu

Vržení bumerangu


Bumerang je vržen téměř vztyčeně (vertikálně), 45° směrem doprava od větru* a zamířen vzhůru zhruba 5o (těsně nad horizont). Bumerang je držen pevně plochou stranou ven (doprava*) a je nahnut zpět (ohlým zápěstím) tak daleko jak to pohodlně jde pro udělení maximální rotace.
*Levorucí vrhači by měli používat levoruký bumerang a házet 45° směrem doleva od větru. Levoruký bumerang musí být držen plochou stranou doleva.


2. Bumerang v letu zatáčí

Letová dráha se začíná zatáčet
Rotace spolu s pohybem vpřed způsobí nevyrovnaný vztlak na křídlech bumerangu. Křídlo ve vrchní části cyklu má svůj rotační pohyb spojen s pohybem vpřed, produkuje větší rychlost vzduchu a větší vztlak než druhé křídlo.
Tento nevyrovnaný vztlak na druhé straně plochy rotace produkuje nakláněcí sílu na ose rotace. Z důvodu gyroskopické precese je tato síla na ose natočena v pravých úhlech a způsobí zakřivení letu bumerangu po obloukové dráze.


3. Bumerang se v letu pokládá

Bumerang se v letu pokládá

 

Vzdálenost mezi centrem vztlaku bumerangu a jeho těžištěm zapříčiní, že přední hrana disku rotace se zdvihá (moment stoupání). Z důvodu gyroskopické precese , tato síla vychyluje osu otáčení v pravých úhlech, čímž bumerang v letu položí. Toto uspořádá více celkové vztlakové síly bumerangu oproti síle gravitace, a výsledkem je to, že bumerang se dostatečně zvedá a po jistou dobu udržuje vznášející se let namísto toho, aby hned spadl na zem.

4. Bumerang se snáší zpět

Bumerang se snáší zpět

Směrem ke konci letu, se osa rotace bumerangu efektivně otočí o 90o od své původní orientace při vržení. To znamená, že bumerang nyní rotuje vodorovně a zbývající vztlak produkovaný křídly působí optimálně proti gravitaci, produkuje pomalý, vznášecí sestup jako helikoptéra.
Dobře vyrobený a hozený bumerang bude v této chvíli mít vypotřebován svůj dopředný pohyb z důvodu složité souhry aerodynamických a gyroskopických sil, které způsobují, že bumerang je bržděn v letu. Zajímavé je, že jeho rychlost otáčení nyní trochu narůstá, aby si uchoval úhlovou hybnost a ještě více zpomalil svůj sestup. Celková energie bumerangu byla nyní vyčerpána aerodynamickým odporem a spotřebována akcelerací bumerangu při zakřivené dráze letu. V této chvíli může být chycen (opatrně).

Vztlak bumerangu

 

Vztlak

Křídla letícího bumerangu rozráží vzduch. Speciální příčný průřez křídla nazývaný aerodynamický profil způsobí, že rychlost průtoku vzduchu na křídlem je větší než po ním. To způsobí pokles tlaku v pravých úhlech ve vztahu k proudění vzduchu, což se na křídle projeví jako vztlak. Tento jev objevil švýcarský matematik Bernoulli. Nazývá se “Bernoulliho zákon”.

Zkuste si to názorně: přiložte si konec proužku papíru na spodní ret a foukněte nad ním. Papír je překvapivě přisáván nahoru (poklesem tlaku v pravém úhlu vůči rychlému pohybu vzduchu).


Vztlak levorukého profilu křídla bumerangu
Vztlak levorukého profilu křídla bumerangu


Vztlak pravorukého profilu křídla bumerangu 

Vztlak pravorukého profilu křídla bumerangu


Akcelerace

Běžně se tím myslí zvyšování rychlosti a akcelerace také znamená změnu směru. Pro akceleraci auta (stroje) je požadována síla. Podobně i bumerang používá sílu vrhu – v kombinaci s gyroskopickými a aerodynamickými silami – pro zakřivení letové dráhy a návrat zpět. Energie počátečního vrhu se spotřebuje během letového procesu, takže bumerang má při návratu mnohem méně energie, než měl právě při vržení.

Aerodynamický odpor

Jakýkoli předmět pohybující se ve vzduchu produkuje turbulenci, která působí jako tření, které ho zpomaluje. Zpětnou sílu lze snadno cítit vložením ruky do pohybujícího se proudu vzduchu. Pokud nedojde ke kompenzaci pohonné (poháněcí) síly, jakýkoli letící předmět ztratí následkem tohoto odporu rychlost.

Úhlová hybnost

Toto je tendence rotujícího předmětu zachovat si rotační energii – t.j. udržet se v rotaci. Toto je důvodem, proč se Země točí kolem své osy bez použití jakékoli vnější síly. Úhlová hybnost rotujícího předmětu také způsobuje, že jeho osa otáčení se stále udržuje ve stejném směru. Když se naklápěcí síla aplikuje na osu otáčení, je to precese v pravých úhlech na směr síly.

Úhlová hybnost bumerangu je rozložena do jeho rotace a stejně tak do zakřivené dráhy letu. Jelikož celková úhlová hybnost systému je zachována, zmenšení dráhy letu se projeví ve zvýšené rychlosti otáčení.


Centrum vztlaku bumerangu

Centrum vztlaku
V jakémkoli létajícím prostředku těžším než vzduch (včetně bumerangů, kluzáků a letadel) se bod, skrze který se projevuje celkový vztlak prostředku, nazývá “centrum vztlaku”. V případě 2-ramenného bumerangu tento bod neleží obvykle v bumerangu samém, ale v bodě mezi dvěma křídly.

Gyroskopická precese bumerangu

Gyroskop

Toto je tendence osy otáčení rotujícího tělesa natáčet se v pravých úhlech vůči jakékoli aplikované nakláněcí síle. Toto působí na všechna rotující tělesa včetně planety Země, která se ve své ose viklá a způsobuje tak precesi rovnodennosti. Tuto sílu můžete ucítit, pokud chytíte osu točícího se kola a pokusíte se ho naklonit. Výsledný zvláštní kroutící pohyb je způsoben gyroskopickou precesí. Stejný efekt způsobuje, že kola bicyklu zahnou směrem, jímž se jezdec naklání.


Centrum těžiště bumerangu

Centrum těžiště

V jakémkoli předmětu (včetně bumerangů) je bod, skrze který se celková hmotnost předmětu projevuje a nazývá se “centrum těžiště”. V případě 2-ramenného bumerangu tento bod neleží v bumerangu samém, ale “je” v bodě mezi dvěma křídly.