بومرنگ - جلسه دهم

اهداف: کشف مواردی که در طول تاریخ باعث پیشرفت بومرنگ شده اند تا این وسیله به شکل امروزی در آید.

وسایل مورد نیاز:

عکس های گرفته شده در طول پروژه

نمودارهای کشیده شده در طول پروژه

عکس هایی از آسمان آبی و ... (مثل عکس هایی که در طول پروژه به دانش آموزان نشان داده شدند)

10-1 بحث اول

در جلسه گذشته به عنوان تکلیف از شما خواسته شد که به مواردی فکر کنید که از طریق آن ها بتوان پرواز بومرنگ را بهینه کرد. نتایج خود را بازگو کنید و پیش از هر چیز، عواملی را ذکر کنید که احتمالاً مزاحم پرواز بومرنگ خواهند بود.

مسلماً نحوه ی پرتاب بومرنگ در پرواز آن تأثیر گذار است و پرتاب غلط آن می تواند پروازی نامناسب را سبب شود. زاویه ی صفحه ی بومرنگ هنگام پرتاب، سرعت پرتاب و سرعت زاویه ی اولیه همگی در نحوه ی پرواز بومرنگ مؤثر اند. اما این ها عواملی هستند که با تمرین و تجربه ی زیاد همگی اصلاح می شوند. اما در اینجا ما به دنبال مواردی هستیم که به خود بومرنگ و ماهیت پرواز آن در هوا مربوط اند.

همان طور که هوا و رفتارهای مربوط به ایرودینامیک موجب این پرواز عجیب بومرنگ هستند، خود نیز از طرفی هم مزاحم حرکت بومرنگ می باشند. اصطکاک هوا مهم ترین عامل مزاحم حرکت بومرنگ است. اصولاً هر جسمی که در یک سیال حرکت کند، با نیروی مقاومی از طرف سیال مواجه می گردد که اصطکاک سیال نام دارد. این نیرو متناسب است با ضریبی به نام وسیکوزیته ( ) که در سیالات مختلف متفاوت است. هرچه سیال غلیظ تر و چسبناک تر باشد، وسیکوزیته سیال نیز بیشتر خواهد بود.

به عنوان مثال، وسیکوزیته عسل از وسیکوزیته آب بیشتر است. این ضریب در گازها نیز وجود دارد و هر چند بسیار کوچکتر از مایعات است، اما باز در ایجاد اصطکاک هوا مؤثر است. برای یک توپ که با سرعت کمی در سیال در حال حرکت است این نیرو برابر است با که در آن v سرعت توپ، r شعاع توپ و ضریب وسیکوزیته سیال است. در گازها عامل دیگری نیز باعث ایجاد نیروی مقاوم می شود و آن ایجاد جریان های گردابی در پشت جسم متحرک است. این جریان ها در اثر حرکت یک جسم درون گاز، پشت جسم ایجاد می شوند و هرچه سرعت جسم بیشتر باشد، این جریان ها نیز بیشتر خواهند بود.

جریان های گردابی باعث افت فشار در پشت جسم متحرک می شوند و در نتیجه در اثر اختلاف فشار هوا در پشت و جلو جسم متحرک، نیروی بازدارنده ای در مقابل حرکت جسم ایجاد می شود. پس نیروی مقاومت هوا به دو شکل در مقابل حرکت جسم ایجاد می شود. شکل اول نیرویی است که جسم باید صرف کند تا هوا را اصطلاحاً بشکافد و در آن پیش برود. شاید تا کنون به مسابقات دوچرخه سواری تیمی دقت کرده باشید. آن ها در یک صف پشت یکدیگر حرکت می کنند.

دوچرخه سوار جلویی بیشترین نیرو را مصرف می کند تا لایه های هوا را بشکافد و با سرعت جلو برود. اما دوچرخه سوارهای پشت سر او نیروی کمتری برای حرکت لازم دارند و اصطلاحاً گفته می شود در خلأ نسبی ایجاد شده پشت سر نفر جلویی حرکت می کنند.

هر چند دقیقه یکبار نفرات جایشان را عوض می کنند تا به نوبت در جلو صف قرار بگیرند. شکل دوم نیرویی است که از ایجاد جریان های گردابی پشت جسم متحرک به وجود می آید. برای مبارزه با هر دو شکل نیروی مقاوم را ه هایی وجود دارد که البته هیچ کدام از این راه ها، این نیروها را به طور کامل از بین نمی برند. اما در کاهش چشمگیر آن ها می توانند نقش مؤثری داشته باشند.

اگر به شکل اتومبیل های جدید دقت کنید و آن ها را با اتومبیل های قدیمی مقایسه کنید متوجه می شوید که اتومبیل ها به اشکالی در آمده اند که تا حد امکان گرد (و یا شبیه تخم مرغ) شوند و در اصطلاح علمی اشکالی ایرودینامیکی دارند و دیگر از زوایای تیز و صفحه های عمود بر جهت حرکت در اتومبیل ها استفاده نمی شود. شکل شماتیک بال بومرنگ هم چنین خاصیتی دارد.

تحقیقات نشان داده اند که این قبیل اشکال به نیروی کمتری برای شکافتن لایه های هوا و پیش رفتن در آن نیاز دارند. اما مشکل جریان های گردابی هنوز وجود دارد.

برای این منظور انحنای کمی به سطح پایینی بال بومرنگ نیز داده می شود تا دامنه ی جریان های گردابی پشت بال کاهش یابد و در نتیجه ی نیروی مقاومت هوا نیز کاهش می یابد.

اما این تمام کاری نیست که انجام شده است. آیا می دانید چرا سطح توپ های گلف فرورفتگی و برآمدگی دارد؟ (به نوعی زبر است؟) به نظر شما یک سطح صیقلی راحت تر در هوا حرکت می کند و یا یک سطح زبر؟

در کمال تعجب پاسخ سطح زبر است. در آزمایش های انجام شده توپ های گلف با سطح کاملاً صیقلی یک چهارم توپ های گلف با سطح زبر در هوا جلو رفته اند.

دلیل این اتفاق ساده و در عین حال عجیب است. طبق تجربه هر چه سطح صاف تر باشد اصطکاک کمتری نیز خواهد داشت. اینجا نیز همین طور است اما با این تفاوت که وقتی سطح زبری درون هوا حرکت می کند، جریان های گرداب کم فشاری دور آن به وجود می آیند.

این جریان های کم فشار در درون پستی و بلندی های سطح زبر گیر می کنند و تقریباً همراه جسم حرکت می کنند و باعث می شوند لایه ای از هوا عملاً روی جسم بچسبد و صیقلی ترین سطح ممکن را برای جسم به وجود آورد. در این صورت هر دو نوع نیروی مقاوم ذکر شده، کاهش می یابند. نیروی لازم برای شکافتن هوا و هم چنین دامنه ی منطقه ی کم فشار.