بومرنگ چگونه کار می‌کند؟ | هوافضای جوان

بومرنگ چگونه کار می‌کند؟

در بخش کارگاه، چند روش مختلف برای ساخت بومرنگ مورد بررسی قرار گرفت. هدف از نگارش این مطلب، اینه که شما بتونید بومرنگ دلخواه خودتون رو بسازید و طراحی اون رو بهینه کنید. سعی شده توضیحات به زبان ساده و مفهومی باشه.همونطور که می‌دونید، به شکل سطح مقطع بال هواپیما ایرفویل گفته می‌شه. ایرفویل به گونه ای طراحی میشه که با حرکت به سمت جلو بیشترین نیروی برآ و کمترین پسا رو تولید کنه.(برای آشنایی بیشتر با نیروهای برآ و پسا به بخش آموزش سایت مراجعه کنید.) به لبه‌ای از ایرفویل که در جلو بال قرار می‌گیره لبه حمله و به انتهای ایرفویل که هوا بعد از عبور از روی بال، از اونجا بال رو ترک می‌کنه، لبه فرار گفته می‌شه. به طور کلی لبه حمله منحنی شکله و حالتی آیرودینامیک داره و لبه فرار تیزه.

321px-Aerofoil.svg

بومرنگ یک بال خمیده است که ایرفویل دو قسمت بالا و پایین بال، در جهت عکس هم قرار دارند. دلیلش هم اینه که با چرخیدن بال، قسمت بالایی بال به سمت جلو حرکت می‌کنه و قسمت پایینی اون به سمت عقب، و با توجه به توضیحات بالا، ایرفویل در هر قسمت بال به صورتی قرار می‌گیره که لبه حمله در قسمت جلو بال قرار بگیره. مطابق شکل زیر.

 

Sketch

با توجه به شکل بالا چرخش بومرنگ و حرکت رو به جلوی اون باعث می‌شه که سرعت باد روی بال بالا بیشتر از بال پایین باشه، در نتیجه نیروی برآی بیشتری در بال بالا تولید می‌شه و این اختلاف نیروی برآ موجب تغییر صفحه چرخیدن بومرنگ می‌شه.

brngb_1

در ابتدا اینطور به نظر میاد که این اختلاف در نیروی برآ باعث می‌شه که صفحه چرخیدن بومرنگ در هوا کاملا پشت و رو بشه! خب باید بگم اگر بومرنگ اشتباه طراحی بشه یا به بیانی ایرفویل بال، با وزن بومرنگ و سرعت چرخش اولیه همخونی نداشته باشه، این اتفاق رخ خواهد داد. برای دیدن این اتفاق کافیه که یک بومرنگ مقوایی با بال خمیده درست کنید ( یک خمیدگی در طول بال ایجاد کنید یا اینکه لبه فرار رو به سمت پایین خم کنید) و این بومرنگ رو با سرعت چرخش اولیه بالا پرتاب کنید.

ولی در اثر گشتاور ناشی از اختلاف نیروی برآ، صفحه چرخش بومرنگی که بین اجزا مختلف و نحوه پرتابش تناسب وجود داشته باشه خیلی کمتر از حد انتظار تغییر پیدا می‌کنه. این مساله خیلی ملموس نیست ولی با روابط ریاضی قابل اثباته.

brng

کلیت ماجرا از این قراره که وقتی شما بومرنگ رو پرتاب می‌کنید، بومرنگ با انرژی اولیه‌ای که شما بهش دادید، شروع می‌کنه به چرخیدن حول مرکز جرم خودش. حالا به تصویر زیر نگاه کنید:

Gyroscope_precessionحتما دیدید که وقتی یک فرفره رو روی میز می‌ذاریم و می‌چرخونیم، حرکتی مشابه شکل بالا رو انجام میده. ماجرا از این قراره که وقتی به یک جسم دوار گشتاوری عمود بر محور چرخش وارد بشه، این جسم حول محوری عمود بر محور چرخش اولیه، و محور گشتاور، شروع به چرخیدن می کند. به این پدیده حرکت ژیروسکوپی یا حرکت تقدیمی میگن. این همون مساله ای هست که گفتم توجیه ملموس فیزیکیش سخته.

Gyroscope_wheel_animation_1حالا برای درک تلفیق اثر نیروی برا و حرکت ژیروسکوپی، اثر هر کدوم رو به طور مجزا نشون میدیم.

اول فرض کنید که هیچ حرکت ژیروسکوپی وجود نداره، بومرنگ به دلیل اختلاف نیروی برا در بالا و پایین، یک حرکت چرخشی انجام میده…

1

تصویر بالا به خوبی چرخش صفحه بومرنگ رو نشون میده، ولی نیروی برا فقط همین اثر رو نداره، برایند نیروی برا روی بومرنگ باعث میشه که بومرنگ علاوه بر چرخیدن صفحه، یک حرکت انتقالی به سمت بالا و چپ (بسته به جهت چرخش بومرنگ) داشته باشه.

3

اگر فقط نیروی برا مسیر حرکت بومرنگ رو تعیین می کرد، بومرنگ به جای یک حرکت رفت و برگشتی، روی یک مسیر مارپیچ پرواز میکرد. در شکل زیر سعی کردم که این حرکت رو به تصویر بکشم

4_حالا حالت رو در نظر می گیریم که نیروی برا هیچ تاثیری روی مسیر حرکت نداشته و بومرنگ فقط حرکت ژیروسکوپی انجام میده. در این حالت، صفحه چرخشه بومرنگ، حول راستای عمود بر نیروی گشتاور نیروی برا و محور چرخش بومرنگ شروع به چرخیدن میکنه. این چرخش صفحه، جهت نیروی برا رو به سمت مرکز دایره پرواز بومرنگ بر میگردونه و باعث میشه که نیروی برا، بومرنگ رو در مسیری دایروی به پرواز در بیاره.

6

البته ذکر این نکته در اینجا ضروری هست که تکانه زاویه ای بومرنگ، در برابر تغییر صفحه بومرنگ تحت تاثیر گشتاور نیروی برا مقاومت زیادی میکنه و از حرکت مارپیچی بومرنگ در هوا جلوگیری میکنه. اگر شما یک بومرنگ سبک، با بال هایی با ضریب برای بالا بسازید، میبینید که تکانه زاویه ای به اندازه کافی بزرگ نیست و بومرنگ در هوا حرکت مارپیچی انجام میده.

با ترکیب دو حرکت فوق به خوبی میشه نیمه اول مسیر پرواز بومرنگ رو تحلیل کرد، ولی در عمل بومرنگی که با زاویه ۴۵ درجه پرتاب میشه، در پایان مسیر به صورت افقی به سمت فرد پرتاب کننده برمی گرده نه با زاویه ای بیش از ۴۵ درجه. این مساله یه مقدار برای خود من هم پیچیده هست و تا الان ندیدم جایی کسی این مساله رو به خوبی توجیه کرده باشه. تصویر زیر نیمه اول مسیر پرواز بومرنگ رو نشون میده.

7

خب تموم شد. الان بلند بشید و چند دور بر خلاف جهت عقربه های ساعت دور خودتون بچرخید تا سرگیجتون برطرف بشه.


2 دیدگاه در ”بومرنگ چگونه کار می‌کند؟

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.