איך לבנות, איך לזרוק ואיך עובד בורמרנג?

בניסוי זה נבנה בוּמרנג ונלמד כיצד ליידות אותו נכון כך שיעוף במעגל ויחזור אל הזורק

ציוד

  • בריסטול דק וקשיח (למשל מאריזה של דגני בוקר)
  • מספריים
  • עט או עפרון
  • סרגל
  • מד זווית
  • שדכן

הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

הסבר

בומרנג המעופף וחוזר הוא חפץ מאוד ייחודי ויוצא דופן. הרי כל אחד יודע מחיי היום יום, שכאשר זורקים חפץ, למשל כדור, הוא ממשיך לעוף בכיוון שאליו נזרק, עד שהוא נופל לקרקע.

זה למעשה עקרון ההתמדה הפיזיקלי – או החוק הראשון של ניוטון – חפץ יתמיד לנוע באותו כיוון ומהירות שנזרק, כל עוד לא פועלים עליו כוחות אחרים – ובזכות זה אנו יכולים למסור כדור אחד לשני. ואילו בומרנג לא עף ישר, ולמעשה - חוזר אל השולח, וגם לא נופל לקרקע, למרות זמן מעוף ארוך יחסית.

מסלול תעופה של אבן ושל בומרנג שנזרקים באוויר | איור: מריה גורוחובסקי
מסלול תעופה של אבן ושל בומרנג שנזרקים באוויר | איור: מריה גורוחובסקי

תופעה ייחודית זו מתאפשרת בזכות המבנה הייחודי בשילוב הזריקה הייחודית של הבומרנג.

הבומרנג נזרק באופן כזה שהוא עצמו מסתובב. הסיבוב מעניק לבומרנג גודל פיזיקלי שנקרא תנע זוויתי , הקיים בכל גוף מסתובב ומקנה לו יציבות בזמן מעופו. בדיוק כמו שסיבוב סביבון מעניק לו יציבות ומונע ממנו ליפול.

הבומרנג בנוי כמדחף של מטוס (פרופלור). בבומרנג שבנינו הכנפיים מוטות מעט, מה שגורם להן לדחוק אוויר לכיוון מסוים כאשר הבומרנג מסתובב, בדומה לעקרון הפעולה של מאוורר. כנפיים של בומרנגים 'מקצועיים' יותר בנויות ממש כמו להבי המדחף של מטוס. לפי החוק השלישי של ניוטון (עוד עקרון יסוד פיזיקלי) – בטבע לכל פעולה יש תגובה הפוכה בכיוונה וזהה בעוצמתה לפעולה המקורית – למשל, כאשר דוחפים קיר עם היד, היד נדחפת חזרה אחורה על ידי הקיר, ולכן כאשר מדחף מסתובב ודוחף אוויר לכיוון אחד, האוויר מפעיל עליו כוח (נקרא כוח עילוי) לכיוון הנגדי. מסוק, למשל, דוחף כמויות גדולות של אוויר כלפי מטה, ולכן נדחף כלפי מעלה. הבומרנג שלנו בנוי כך שאם זורקים אותו קדימה, הוא מסתובב ודוחף אוויר (עושה רוח) לצד ימין, ולכן נדחף לשמאל. אם זה היה כל הסיפור – היינו מצפים שכאשר אנו זורקים קדימה – תוספת הכוח הדוחף שמאלה הייתה גורמת לבומרנג רק לנוע באלכסון שמאלה:

המסלול הצפוי של בומרנג באוויר, אם הכוח היחידי שהיה פועל עליו היה כוח לצד שמאל | איור: מריה גורוחובסקי
המסלול הצפוי של בומרנג באוויר, אם הכוח היחיד שהיה פועל עליו היה כוח לצד שמאל | איור: מריה גורוחובסקי

אבל הבומרנג לא רק נע שמאלה אלא ממש עושה סיבוב שלם וחוזר חזרה. כיוון הזריקה גורם לכך שכוח העילוי לא פועל בצורה שווה על כנפי הבומרנג. הבומרנג נזרק כשהוא מאונך לקרקע. כאשר הוא מסתובב, הכנפיים שבחצי העליון של מסלול הסיבוב שלו נעות עם כיוון התנועה הכולל שלו (הכיוון אליו נזרק), ואלו שבחצי התחתון נעות נגד הכיוון, מה שגורם לכך שבחלק העליון התנועה של הכנפיים ביחס לאוויר מהירה יותר מהחלק התחתון, ולכן יותר אוויר נדחף, ויותר כוח עילוי פועל בחלק העליון מאשר על החלק התחתון של הבומרנג:

כוחות הפועלים על בומרנג שנזרק בעודו מסתובב באוויר, החצים הירוקים מציינים את כיוון הסיבוב של הבומרנג (שימו לב שבחלקו העליון הסיבוב והתנועה נעים יחדיו לאותו כיוון, ובחצי התחתון הכיוונים הפוכים) | איור: מריה גורוחובסקי
כוחות הפועלים על בומרנג שנזרק בעודו מסתובב באוויר, החצים הירוקים מציינים את כיוון הסיבוב של הבומרנג (שימו לב שבחלקו העליון הסיבוב והתנועה נעים יחדיו לאותו כיוון, ובחצי התחתון הכיוונים הפוכים) | איור: מריה גורוחובסקי

כל אחד יודע שאם דוחפים חפץ, למשל כסא, מחלקו העליון הוא נופל הצידה. כלומר היינו מצפים שאם על החלק העליון של הבומרנג המאונך מופעל כוח שמאלה, הוא פשוט ייפול שמאלה למצב מאוזן, ובמקום זה הוא עושה פנייה שמאלה תוך כדי המעוף. זה בגלל שהוא חפץ מסתובב, כאשר דוחפים חפץ מסתובב הוא לא מתנהג כמו חפץ דומם. כאשר דוחפים גלגל מסתובב, למשל, הגלגל מגיב כאילו דחפת אותו בנקודה המרוחקת ב 90 מעלות מהמקום שבו הפעלת את הכוח! אפשר לראות זאת בקטע הבא זמן 7:52-8:19:

אפשר להבין את התופעה בגלל הסיבוב עצמו. כאשר מפעילים כוח על גוף מסתובב, הכוח לא פועל על נקודה נייחת, אלא על נקודה שכל הזמן זזה לאזורים עם כוחות אחרים ואפילו הפוכים (בגלגל שדוחפים בנקודה מסוימת, אחרי סיבוב של 180 מעלות – הקצה נדחף לכיוון ההפוך), כש-90 הוא 'אמצע הדרך' בין התהפכות הכוחות.
כל מי שניסה לנסוע באופניים בלי לגעת בכידון – מכיר את התופעה של כוח הפועל ב-90 מעלות על גוף מסתובב: אם הוא רוצים להפנות את הכידון (והאופניים) שמאלה, צריך להטות את המשקל לצד שמאל. במקרה כזה האופניים לא יפלו לקרקע לצד שמאל, אלא הגלגל ישנה את כיוונו שמאלה. וכך בדיוק עושה גם הבומרנג שלנו. שינוי כיוון ציר של גוף מסתובב נקרא בפיזיקה נקיפה.

הפנייה (שינוי ציר הסיבוב) שמבצע בומרנג שנזרק קדימה, כאשר הוא מסתובב מאונך לקרקע | איור: מריה גורוחובסקי
הפנייה (שינוי ציר הסיבוב) שמבצע בומרנג שנזרק קדימה, כאשר הוא מסתובב מאונך לקרקע, והכוח המפנה החזק ביותר פועל עליו בחלקו העליון שמאלה | איור: מריה גורוחובסקי

עם סיום סיבובו של הבומרנג, הוא גם נשכב ימינה – כך שהוא פועל כמדחף שדוחק אוויר כלפי מטה. דחיקה מפעילה על הבומרנג כוח כלפי מעלה, בדומה למסוק, ומונעת ממנו ליפול לקרקע. מדוע הבומרנג נשכב ימינה? מקורות רבים טוענים שזה בגלל המבנה הלא-סימטרי של הבומרנג (בומרנגים 'קלאסיים' בנויים בצורת האות ר). אולם הבומרנג שלנו בעל סימטריה סיבובית, וגם הוא נשכב. מקורות אחרים טוענים שזה בגלל הטיה קטנה ימינה בעת הזריקה, שגורמת לו בסופו של דבר 'ליפול' ימינה (הסבר מתקבל על הדעת). סיבה נוספת היא שכאשר הוא מתחיל לפנות שמאלה, על הזרוע שנמצאת קדמית יותר פועל כוח דוחף (מהאוויר) חזק יותר מאשר הזרוע האחורית. חוסר איזון כזה בכוחות יוביל בהכרח, כפי שהוסבר למעלה, להטיה נוספת של ציר הסיבוב, הפעם לכיוון שוכב.

לסיכום, הצלחת הבומרנג מבוססת על שילוב של משקל נמוך, מבנה ייחודי, זריקה מדויקת, אווירודינמיקה (זרימת האוויר) וכמובן חוקי הפיזיקה הנוגעים לגוף מסתובב.
אם אחד מהגורמים לא מתקיים, הבומרנג לא יחזור אלינו (בומרנג שיזרוק אסטרונאוט בחלל החיצון לא יחזור כי אין אוויר...). לכן כאשר זורקים בומרנג לא להתייאש אם הוא לא עובד. יש להקפיד מאוד על הבנייה ולהתאמן הרבה בזריקה.