Возвращение бумеранга — сочетание аэродинамического и гироскопического эффектов. По сути дела, бумеранг — вращающееся крыло из двух и более лопастей аэродинамического профиля. Его бросают так, чтобы плоскость вращения находилась под углом 20° к вертикали и чтобы он быстро вращался (делал около 10 оборотов в секунду), чтобы верхние лопасти двигались в общем направлении движения. Поэтому верхняя часть бумеранга движется по воздуху быстрее нижней. Быстро движущиеся лопасти создают большую подъемную силу, чем медленно движущиеся. Возникает общая сила в направлении поворота плюс опрокидывающий вращающий момент.
Благодаря вращению бумеранг ведет себя как гироскоп. Когда возникает вращающий момент, гироскопический эффект заставляет бумеранг повернуться вокруг другой, почти вертикальной, оси. Таким образом меняется плоскость вращения бумеранга — он описывает дугу и возвращается к хозяину.
В движении бумеранга прослеживаются и другие эффекты — например, стремление к плоскому движению на обратном пути: вместо того чтобы двигаться под углом 20° к вертикали, он перемещается почти горизонтально. Это явление вызвано рядом аэродинамических эффектов в сочетании с гироскопической прецессией. Наиболее значительный эффект заключается в том, что лопасти на ведущей стороне вращающегося бумеранга создают подъемную силу большей величины, чем лопасти на ведомой стороне, из-за нарушения структуры воздушного
потока со стороны ведомых лопастей. Это вновь вызывает вращение, которое поворачивает бумеранг к горизонтальной плоскости. Подробно весь процесс объясняется в статье Феликса Гесса в ноябрьском номере Scientific Americanза 1968 год.
Ричард Келсо и Филип КатлерУниверситет Аделаиды, Южная Австралия
Если ограничиться простым ответом, большинство бумерангов не вернулись и возвращаться не собирались. Австралийские аборигены изготавливают бумеранги для охоты и сражений, а не для развлечения и игр, поэтому бумеранги, прилетающие обратно к хозяевам, известны далеко не на всем австралийском материке. Многим аборигенам улетевший бумеранг заменяют свежая пища или поверженный враг.
Я видел, как племя варлпири бросает бумеранг карли и поражает цель с расстояния более 100 метров. Наиболее опытные охотники мечут это смертоносное оружие с поразительной легкостью. Кроме того, варлпири в качестве оружия используют бумеранги вирлки (крючкообразные или в форме семерки).
Даже в тех районах Австралии, где летающие бумеранги не изготавливают, похожие на них парные лопасти используют в качестве ударных инструментов для церемоний. Такие бумеранги привозят для ритуальных целей за тысячи километров.
В Австралии делают множество самых разнообразных бумерангов. О них можно узнать в книге «Бумеранг: символ Австралии» (Boomerang: Behind an Australian Icon) Филипа Джонса, изданной Музеем Южной Австралии.
Чипе МаккинолтиНайтклифф, Северная территория, Австралия!
«Почему конец кнута щелкает?»
Щелканье кнута — на самом деле звуковой удар, вызванный достижением звукового барьера. Это вполне возможно, потому что кнут суживается к кончику. При взмахе энергия, приданная ручке, волной проходит по всей длине кнута. Пока волна движется по суживающемуся кнуту, поперечное сечение и масса кнута на ее пути уменьшаются. Энергия этой волны — функция массы и скорости, и, поскольку она должна быть сохранена, при уменьшении массы скорость возрастает. Следовательно, волна распространяется все быстрее и быстрее, а к моменту достижения кончика кнута приобретает скорость звука.
Майк КаппОксфорд, Великобритания
Когда волна достигает кончика кнута, ей предстоит рассеяться. Часть энергии уходит в воздух, часть — в отраженную волну, пробегающую по кнуту в обратном направлении. В тот момент, когда волна достигает кончика кнута и уже собирается в обратный путь, на краткое время она приобретает колоссальное ускорение. Результат этого ускорения имеет сверхзвуковую природу.
Эндрю ПлантЛаймингтон, Гемпшир, Великобритания
«На лабораторной работе по физике наш учитель поставил зажженную свечу на вращающийся столик. Мы думали, что при вращении столика увидим, как кончик свечи отклонится наружу, а он вместо этого указывал внутрь круга. Это явление не смог объяснить даже директор школы. Может быть, вы сможете?»
Да, читатели смогли, но несмотря на то что ответов пришло много, понадобилось объединить их, чтобы составить ясное представление. Скажем сразу, что задача действительно серьезная. — Ред.
Моей первой реакцией было недоверие. Я поставил опыт сам — и действительно, пламя повело себя по-другому. Оно тянулось за свечой, которая вращалась по орбите вокруг центра столика. Точно так же пламя ведет себя, когда мы несем в руках зажженную свечу.
Гарет КеллиУчитель физики, школа Пенглес, Аберистуит, Дивед, Великобритания
Прочитав вопрос, я нашел у себя на кухне свечу и поставил ее на вращающуюся доску для сыра. При скорости примерно 60 оборотов в минуту пламя просто тянулось за свечой и не отклонялось ни внутрь круга, ни наружу. Позднее в тот же день я повторил эксперимент с проигрывателем для пластинок, включенным на 78 оборотов в минуту, и результат оказался тем же. Или я что-то упустил?
Джон ЭштонМонмут, Гуэнт, Великобритания
Да, читатели из Диведа и Гуэнта, вы действительно кое-что упустили, хотя ваша деятельность и честность достойны похвал. Итак, сначала… — Ред.
Чтобы увидеть этот эффект, свечу следует поместить в какой-нибудь сосуд, иначе пламя оттянется назад. Итак, свечу — в банку, банку — на край вращающегося столика.
Дэвид МейУчитель физики, муниципальный колледж Хинд-Лейз, Шепшед, Лестершир, Великобритания
Причина, по которой пламя свечи направлено внутрь круга, — слабая центробежная сила, которую создает вращающийся столик.
Дэвид БлейкСтерлинг, Великобритания
По мере вращения воздуха в банке на центрифуге более плотный воздух выходит с предсказуемыми последствиями. — Ред.
Пламя свечи наклоняется к центру круга по тем же причинам, по которым пламя направлено вверх, а не вниз. Нагретый пламенем воздух не такой плотный, как окружающий, поэтому более плотный воздух выходит из банки, отклоняя пламя свечи внутрь.
Если бы я была придирой, то возразила бы, что движение менее плотного пламени свечи ускоряет та же центростремительная сила. Согласно известному закону Ньютона для одной и той же силы произведение массы и ускорения одинаково. Если же масса уменьшится, ускорение должно возрасти. А школьникам достаточно просто понять, что сила больше действует на плотный воздух.
Сью-Энн БоулингУниверситет Аляски, Фэрбенкс, Аляска, США
Можно также перейти к системам координат и математике. — Ред.
Понять, почему пламя свечи указывает внутрь круга, гораздо легче, если рассмотреть эту задачу в линейной системе координат. Представим, что вы едете в машине и держите за веревочку шарик с гелием. Вы резко затормозили. Что случилось с шариком? Ремень безопасности врезался вам в тело, а шарик отнесло к заднему сиденью. Все потому, что воздуху в машине присуща инерция, он продолжает двигаться вперед вместе с вами, а шарик стремится в область самого низкого давления и низкой плотности воздуха — в заднюю часть салона.