Πώς να σας γυρίσει … μπούμερανγκ

Συνήθως η έκφραση «γυρίζει μπούμεραγκ» έχει αρνητική σημασία, εκτός αν αφορά … στο πραγματικό μπούμεραγκ, οπότε αυτό είναι και το ζητούμενο.

Κατ’ αρχήν, να διευκρινιστεί ότι το μπούμεραγκ επιστρέφει σ’ αυτόν που το εκτόξευσε με την προφανή προϋπόθεση ότι δεν έχει χτυπήσει τον στόχο του, και την λιγότερο προφανή ότι ξέρει καλά τον χειρισμό του.

Το μπούμεραγκ είναι γνωστό ότι είχε αναπτυχθεί πριν πάρα πολλά χρόνια σαν όπλο από τους ιθαγενείς της Αυστραλίας, οι οποίοι βέβαια είχαν καταλήξει στο σχήμα και τον τρόπο χρήσης του από ένα συνδυασμό τυχαίων συμβάντων και πάρα πολλών δοκιμών και αποτυχιών.

Και αυτό επειδή, η Φυσική που εμπλέκεται στην πτήση του μπούμερανγκ χωρίς να είναι δύσκολο να γίνει κατανοητή, δεν είναι φανερή, και χωρίς αυτή την κατανόηση η τροχιά που διαγράφει μοιάζει πράγματι μαγική.

Παρατηρείστε στην εικόνα τη διαμόρφωση της διατομής του σώματος του μπούμερανγκ, που μοιάζει με πτέρυγα (ή έλικα) αερολάνου. Η κυρτή επιφάνεια είναι προς τα αριστερά του (δεξιόχειρα) ρίπτη.

Όπως φαίνεται στην εικόνα, το σώμα του μπούμερανγκ είναι διαμορφωμένο σαν πτέρυγα αεροπλάνου, και όπως στην πτέρυγα του αεροπλάνου, καθώς κινείται μέσα στον αέρα μετά τη ρίψη του, αναπτύσσεται επάνω του άνωση.
Η άνωση έχει κατεύθυνση προς τα αριστερά του (δεξιόχειρα) ρίπτη, αλλά δεν είναι ομοιόμορφη στα δύο σκέλη του μπούμερανγκ.

Επειδή το σκέλος που βρίσκεται πάνω από τον άξονα περιστροφής του κινείται ταχύτερα μέσα στον αέρα, σε σχέση με το κάτω τμήμα του που «οπισθοχωρεί», η άνωση στο επάνω τμήμα του είναι μεγαλύτερη, και θέλει να κάνει το μπούμερανγκ να γείρει αριστερά.

Μέχρι εδώ τα πράγματα είναι σχετικά απλά.

Τώρα όμως υπεισέρχεται ένα από τα πιο παράξενα φαινόμενα στη φύση, η γυροσκοπική μετάπτωση.

Όπως ενδεχομένως θυμάστε από το Λύκειο, ένα περιστρεφόμενο σώμα θέλει να διατηρήσει τον προσανατολισμό του στο χώρο και το πετυχαίνει, μέχρι κάποιος να σπρώξει τον άξονά του, όχι όμως πολύ κοντά στο κέντρο περιστροφής του.

Τότε το γυροσκόπιο θα αντιδράσει, αλλά με τον πιο παράξενο τρόπο, στρεφόμενο αλλά σαν η δύναμη που ασκήθηκε να είχε εφαρμοστεί παράλληλα μετατοπισμένη κατά 90^ο επάνω στην περιφέρειά του και προς την κατεύθυνση περιστροφής του.

Όσο και αν ακούγεται παράλογο έτσι ακριβώς συμβαίνει, και το φαινόμενο της μετάπτωσης έχει παρατηρηθεί από τις σβούρες μέχρι την περιστροφή της Γης.

Φαίνεται ότι αψηφά τους νόμους της βαρύτητας, όμως είναι σύμφωνο με τους νόμους της Φυσικής. Εφόσον ο τροχός περιστρέφεται με αρκετή ταχύτητα, αντί η δύναμη της βαρύτητας να τον τραβήξει προς τα κάτω, κάνει τον άξονα του τροχού να περιστρέφεται οριζόντια γύρω από το σημείο στήριξής του.

Για να επανέλθουμε στο μπούμερανγκ, η μεγαλύτερη άνωση στο επάνω μέρος του και προς τα αριστερά, έχει σαν συνέπεια το μπούμερανγκ να αρχίσει να στρίβει προς τα αριστερά και αυτή η ίδια η στροφή του προς τα αριστερά, πάλι εξαιτίας του φαινομένου της μετάπτωσης, το κάνει επίσης να γυρίζει προοδευτικά την καμπύλη επιφάνεια του προς τα επάνω.

Τώρα όμως συμπεριφέρεται σαν τον μεγάλο έλικα (κύριο στροφείο) ενός ελικόπτερο που κινείται προς τα εμπρός, άρα αποκτά αρκετή άνωση για την τελευταία φάση της πτήσης του, ώστε να καταλήξει οριζόντιο (και αισιόδοξα) στα χέρια του χειριστή του.

Και σαν να μην έφταναν τα παραπάνω, ο άνεμος επηρεάζει σημαντικά την τροχιά του, ειδικά όταν το μπούμερανγκ κινείται στο πιο απομακρυσμένο τμήμα της.

Τυπική τροχιά μπούμερανγκ, που αλλού σκοπεύεις, αλλού πηγαίνει και από αλλού επιστρέφει!

Δεν είναι πράγματι εύκολο να γίνει κατανοητή η πτήση του μπούμεραγκ, και φανταστείτε ότι η επόμενη εποχή στην οποία οι άνθρωποι αντιμετώπισαν ένα πολύ παρόμοιο φαινόμενο, ήταν κατά τον Α’ΠΠ όταν άρχισαν να χρησιμοποιούνται μονοκινητήρια καταδιωκτικά αεροσκάφη.

Τα αεροσκάφη αυτά, που είχαν μεγάλη και βαριά έλικα (και μάλιστα σε κάποιους τύπους περιστρέφονταν και ολόκληρος ο κινητήρας) όχι μόνο είχαν να αντιμετωπίσουν την ασύμμετρη έλξη από την έλικα καθώς κάθονταν με την ουρά χαμηλά στο έδαφος (χρησιμοποιούσαν ουραίο τροχό, ή πέδιλο), αλλά και την εκτροπή από τη γυροσκοπική μετάπτωσή της, τη στιγμή που η ουρά σηκώνονταν από το έδαφος για την απογείωση.

Δύσκολο για το καγκουρώ να φανταστεί από πού θα του έλθει το μπούμερανγκ!

Μετά από όλα αυτά μπορεί να αναρωτιέστε πώς οι Αβορίγινες κυνηγοί δεν πέθαναν από την πείνα, χρησιμοποιώντας ένα τόσο δύσκολο όπλο.
Η αλήθεια είναι ότι το μπούμερανγκ που επιτρέφει, χρησιμοποιήθηκε περισσότερο για παιχνίδι και επίδειξη ικανοτήτων, ενώ για το κυνήγι χρησιμοποιούσαν ένα μεγαλύτερο, βαρύτερο και ευθύβολο μπούμερανγκ, αλλά χωρίς τη δυνατότητα επιστροφής.
Ίσως σε τελική ανάλυση, το μπούμερανγκ που επιτρέφει να αναπτύχθηκε από τους λιγότερο ικανούς κυνηγούς, που όμως θα είχαν περισσότερες ευκαιρίες για εξάσκηση!

Μία ωραία φυσική εξήγηση από το διαδίκτυο (https://woodgears.ca/physics/gyro.html ) για το γυροσκοπικό φαινόμενο, που αναπαράγεται εδώ:

Φανταστείτε μια σειρά από δορυφόρους που περιστρέφονται σε ισημερινή τροχιά γύρω από τη Γη (μπλε κουκίδες στην πρώτη εικόνα). Για περισσότερη απλοποίηση, φανταστείτε τη Γη ακίνητη.

Θέλοντας  να τους αλλάξουμε τροχιά, την ώρα που περνούν από εμπρός μας, τους ωθούμε προς τα επάνω (δεύτερη εικόνα). 

Αυτή η ώθηση, θα έχει σαν αποτέλεσμα η τροχιά τους να αποκλίνει προς τα επάνω (κόκκινες κουκίδες), αφού όμως θα έχουν περάσει από εμπρός μας και μάλιστα η μέγιστη απόκλιση θα συμβεί όταν θα έχουν απομακρυνθεί κατά 90 μοίρες προς τη φορά κίνησής τους.

Αν συνεχίσουμε να τους ωθούμε προς τα επάνω κάθε φορά που περνούν από εμπρός μας (ενώ ταυτόχρονα στην αντιδαμετρική πλευρά της τροχιάς, τους ωθούμε προς τα κάτω), θα καταλήξουν να αλλάξουν τροχιά, όπως δείχνει η τρίτη εικόνα.

Αν τώρα φανταστούμε ότι ενώνουμε τη σειρά των δορυφόρων με ένα στεφάνι, έχουμε έναν σφόνδυλο στον οποίο όταν εφαρμόζουμε ροπή για να τον περιστρέψουμε Βορρά – Νότο εμπρός μας, θα αλλάξει πράγματι κατεύθυνση, αλλά σαν να είχαμε εφαρμόσει τη ροπή  μετά από 90 μοίρες προς την κατεύθυνση περιστροφής του.

Στις αρχές του 20ου αιώνα, ό “μάγος” Selbit σε ένα από τα νούμερά του προσκαλούσε στη σκηνή αρκετούς άντρες, ζητώντας τους να ρίξουν στο πλάι ένα μεγάλο κεφάλι τυρί μέσα σε ορισμένο χρόνο. Φυσικά κανείς δεν τα κατάφερνε, επειδή μέσα στο ψεύτικο τυρί κρύβονταν ένας σιδερένιος δίσκος μεγάλης διαμέτρου, που ο Selbit είχε φροντίσει λίγο πριν και εκτός σκηνής να τον περιστρέψει σε υψηλό αριθμό στροφών, δημιουργώντας έτσι ένα ισχυρό γυροσκόπιο.