Klassikkokirjan takakannesta kuvattu bumerangin lentokuva. Bumerangin toiseen siipeen oli teipattu tähtisädetikku, jolloin siiven pään rata piirtyi filmille valotusajan ollessa koko lennon kestävä. Aika monta kertaa sai heittää, että sai näin hyvän radan filmille. Kuvan valkotakkinen heittäjä olen minä ja kameran takana lymysi sillä kertaa Sakari. Aika oli jotain 80-luvun puolta väliä. Kuun taivaalle väsäsin minä 90-luvulla ei niin kovin kaksisella kuvankäsittelytaidollani.
Paitsi bumerangin rata kuvasta siitä näkyy selvästi myös etenevän ja pyörimisliikkeen suhteiden muuttuminen. Alussa bumerangi ei ehdi tehdä montaakaan kierrosta, kun se on jo kaukana meikäläisen pesäpallon harjaannuttaman käden viskaamaana. Lopussa bumerangi tee teekään juuri muuta kuin pyörii. Jopa niin, että siiven lavan pää tekee silmukoita. Ilmanvastus vaikuttaa paljon enemmän etenevään liikkeeseen kuin pyörimiseen.
Hesarin lasten tiedekysymykset ovat olleet sydäntä
lähelläni, etenkin päivystävien dosenttien niihin antamat vastaukset. Nyt Eino
Hannunen, 10 v. kysyi "Minkä takia bumerangin lentorata ei ole suora?"
Aalto-yliopiston tutkimusinsinööri Mika Hurme (ikä tuntematon) tarttui vähintäänkin
haastavaan haasteeseen ja vastasi seuraavasti.
"Kaareva bumerangi muodostaa ikään kuin siiven, joka
nostaa bumerangia ylöspäin sen pyöriessä, vähän kuin helikopterin propelli.
Koska bumerangia ei kuitenkaan heitetä vaakatasossa vaan
kallellaan, osa nostovoimasta vie bumerangia sivulle.
Sivulle vievä voima ei vaikuta bumerangissa tasaisesti.
Bumerangin siivet pyörivät ylhäällä samaan suuntaan lentoradan kanssa. Yläosaan
syntyy suurempi voima kuin alaosaan. Se pyrkii kääntämään bumerangia
pystysuoraan asentoon.
Pyörivä bumerangi on kuitenkin kuin hyrrä, joka pyrkii
säilyttämään asentonsa. Sivuvoimat yrittävät kääntää bumerangia pystyyn, mutta
hyrrävoimat kääntävät sitä vaakasuunnassa.
Kun bumerangin asento muuttuu, kääntyy myös sivusuuntaan
vaikuttavan voiman suunta. Tämä muuttaa vähä vähältä bumerangin lentorataa. Se
kaareutuu takaisin kohti heittäjää."
Mitäs tähän sanoisi. Bumerangin käyttäytymisen
ymmärtämiseksi pitäisi hallita sekä aerodynamiikkaa että pyörivän kappaleen
dynamiikkaa. Kumpikaan ei ole ihan sieltä fysiikan helpoimmasta päästä. Suunnilleen
näin bumerangin lentoa yleensä selitellään.
Siinä on vain se huono puoli, että jo antiikin kreikkalaisten
filosofien aikoinaan esittämä vaatimus fysikaaliselle teorialle ei toteudu.
Selitys ei säilytä ilmiötä. Kuten videoista ja yllä olevasta valokuvasta käy
ilmi, niin bumerangin siivet, jotka ovat heitettäessä vähän vinossa
pystysuorasta, eivät käänny pystysuoraan vaan vaakasuoraan.
Mika Hurme selittää aivan oikein, että siihen siiven
puolikkaaseen, joka pyörii heiton suuntaan, kohdistuu suurempi nostovoima. Mitä
nopeammin lentokone lentää ilmaan nähden, sitä suurempi on nostovoima. Tämä
nostovoimien epäsymmetria pyrkii kallistamaan oikeakätistä bumerangia vasemmalle.
Aivan samalla periaatteella kuin moottoripyörä kääntyy vasemmalle kallistettaessa
sitä vasemmalle kääntyy bumerangikin vasemmalle. Tämä selittää bumerangin
enempi vähempi ympyrän muotoisen radan.
Perinteisissä selityksissä jätetään usein jostain syystä
toinen keskeinen ilmiö huomioimatta. Se on siiven taakseen jättämä virtaus. Kun
takana tuleva siipi osuu edellä menevän virtaukseen, niin siipeen kohdistuva
nostovoima pienenee. Voimakkaimmillaan tämä ilmiö on silloin, kun molemmat
siiven puolikkaat pyörivät liikkeen suuntaan. Tällöin etummaiseen siipeen
kohdistuva suurempi nostovoima pyrkii kääntämään, ei kallistamaan, bumerangia
vasemmalle. Tämän seuraus on ihan sama kuin jos koittaisi kääntää
moottoripyörää vasemmalle ohjaustangosta vääntämällä. Seurauksena olisikin
kallistuminen oikealle ja moottoripyörällä kaatuminen, bumerangilla siipien
pyörimisen kääntyminen vaakasuoraan suuntaan.
Kaavakuva etummaisen siiven ilmavirran vaikutuksesta takimmaiseen siipeen. Varsin ilmeistä, että tässä tilanteessa vaikutus on suurempi kuin nyt takana olevan siiven pyörähtäessä etummaiseksi siiveksi.
Tässä vaiheessa siipien nostovoima on pääasiassa ylöspäin ja
bumerangi tyypillisesti ottaa silloin reilusti korkeutta pudoten siististä
heittäjän luokse vauhdin loppuessa. Pyöriminen hidastuu paljon hitaammin kuin
eteneminen, mikä tuo vielä on lisätekijänsä bumerangin lentoon.
Hyvä video bumerangin lennosta. Tässä näkyy selvästi, miten bumerangin pyöriminen kääntyy ensin vaakasuoraksi ja vasta sen jälkeen bumerangi ottaa korkeutta.
Netti on täynnä erilaisia bumerangisivustoja. Korkeammalla ja vähemmän korkealla matematiikalla varustettuja. Kuten vaikka täällä. Ylempänä oleva kaavakuva on peräisin linkin julkaisusta.
Tarkoitukseni ei ollut mollata Hesarin tämänkertaista päivystävää
dosenttia, sillä kaikki tekstille asetetut rajoitukset huomioon ottaen hän oli
mahdottoman tehtävän edessä. Toivon, että tämä selitys antoi vähän enemmän
niille, joita bumerangin käyttäytyminen kiinnostaa. Täydellinen sekään ei ollut
- eikä ehkä edes ihan päteväkään kaikissa nyansseissaan. Se oli kuitenkin paras, minkä minä
pystyin esittämään.
