Đối với những tín đồ Instagram thì hiệu ứng Boomerang chắc không phải là thứ gì đó quá xa lạ nhỉ?
Nhưng bạn có biết tại nguồn gốc của nó không. Thật ngạc nhiên, hiệu ứng boomerang được hình thành dựa trên nguyên lý hoạt động của một món đồ chơi và cũng là một loại vũ khí của thổ dân Úc. Hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu thêm nhiều điều thú vị về đồ vật này và giải mã nguyên lý hoạt động vi diệu của nó, nào đi thôi!
Giới thiệu về boomerang
Boomerang là một khúc gỗ dẹp thường có hai nhánh và cong lại như hình cùi chỏ. Boomerang được biết đến như là một phát minh đặc biệt của thổ dân Úc. Thường thì rất khó để bạn có thể ném một khúc gỗ có khối lượng tầm 300g ra xa 40m, vì nó đòi hỏi bạn phải tác dụng lên nó một lực khoảng 400N (với góc ném 45 độ so với mặt đất). Càng khó hơn nữa nếu bạn muốn ném chính xác vào một mục tiêu bất kỳ hoặc sau khi khúc gỗ bay xa tầm 40-50m bạn muốn nó tự giác quay trở về. Dường như đây là những điều không tưởng nhưng đối với boomerang thì nó lại hiện thực hóa lý thuyết khó nhằn ấy.
Các thể loại boomerang
Như đã nói từ trước boomerang vừa là một món đồ chơi nhưng trong một số trường hợp nó lại trở thành món vũ khí khó chịu của những thổ dân Úc.
Boomerang vũ khí có chiều dài từ 0.6m – 1m, và có khối lượng rơi vào khoảng 200g – 400g. Boomerang vũ khí có khả năng bay cực nhanh và đạt quãng đường cực xa với hướng bay thẳng tắp. Loại này thường được dùng trong săn bắn hoặc để tấn công, chống trả kẻ thù lúc cần thiết. Hầu hết thì các boomerang ở Úc đều là boomerang vũ khí.
Thực tế thì không phải tất cả boomerang đều quay trở về sau khi ném vì nếu ném trúng mục tiêu hoặc trúng con mồi thì nó đã không còn khả năng duy trì hướng bay như đã được vạch ra lúc đầu. Và đôi khi vì bay xa quá so với độ dài quãng đường chuẩn, các boomerang cũng không thể quay trở về nốt.
Tuy nhiên thì đối với boomerang đồ chơi, bay đi bay về chính là nghề của nàng. Lúc mới ném ra boomerang quay tít và có vẻ nó muốn bay đi luôn, nhưng sau đó nó bắt đầu quay vòng qua bên trái, bay lên cao, vòng rộng dần, khép vòng lại rồi trở về hạ cánh ngay chân người ném, hoặc nếu còn đà, nó sẽ vẽ thêm một vòng tròn thứ hai về bên phải và quỹ đạo gần giống như hình số 8.
Nguyên lý động lực học của boomerang
Chắc chắn ai cũng mong tìm được lời giải đáp cho một loạt các câu hỏi: Tại sao boomerang lại bay xa được như vậy? Tại sao nó lại bay theo quỹ đạo vòng tròn? Tại sao nó lại quay trở về sau khi thực hiện một quãng đường bay tưởng chừng như mất hút?
Tất cả những điều kì diệu đều ẩn sau hai cánh của nó. Bật mí không hề nhỏ là hai cánh của boomerang có dạng cánh máy bay hay còn gọi là dạng khí động.
Một boomerang được ném đúng cách khi nó ra khỏi tay người ném phải quay tít và mặt phẳng quay của nó phải là mặt phẳng thẳng đứng (trục quay nằm ngang). Thông thường, trọng tâm của boomerang nằm ngoài nó.
Khi bay, hai cánh của boomerang lướt trong gió và do đó có được lực nâng. Chính lực nâng này làm cho nó bay được xa (vì đã khử được trọng lực, Boomerang chỉ cần thắng lực cản không khí mà thôi).
Để ý một chút, trên hai cánh của boomerang lực nâng sẽ như boomerang vừa tịnh tiến về phía trước với vận tốc V, vừa quay quay quanh trọng tâm của nó với vận tốc W. Cánh nào của boomerang ở phía trên sẽ theo hướng chiều quay của nó, còn cánh ở dưới thì theo hướng ngược lại. Do đó vận tốc tương đối của cánh trên đối với không khí sẽ lớn hơn vận tốc tương đối của cánh dưới đối với không khí. Kết quả là nửa trên của boomerang lực nâng bao giờ cũng lớn hơn lực nâng ở nửa dưới. Sự khác biệt ở lực nâng này tỉ lệ thuận với vận tốc quay, tức là nếu W càng lớn thì sự khác biệt sẽ càng rạch ròi. Chính sự khác biệt này tạo ra momen T có khuynh hướng “kéo” mặt phẳng của boomerang nghiêng theo trục Y. (Trên thực tế, chuyển động nghiêng này không xảy ra, vì tốc độ quay của boomerang là cực nhanh.)
Một con quay thì sẽ có tính chất như sau:
Khi con quay quay quanh trục của nó với vận tốc góc chịu tác động của một ngẫu lực T theo trục YY, thì trục quay của con quay sẽ quay quanh trục XX và trục YY. Chính chuyển động quay quanh trục ZZ này làm cho boomerang có khả năng quay trở lại ngay chân người ném.
Bán kính quỹ đạo này tỷ lệ thuận với momen quán tính của lực và tỉ lệ nghịch với lực nâng do dạng cánh của boomerang.
Thực ra quỹ đạo của boomerang không phải là một đường tròn mà chỉ là hơi hơi tròn, nên gọi tròn cho nó nhanh vậy thôi. Quỹ tích thật của boomerang là một hình cầu tiếp xúc với vị trí boomerang lúc khởi hành, tâm hình cầu nằm trên cao. Chính bán kính của hình cầu này tỷ lệ thuận với momen quán tính và tỉ lệ nghịch với lực nâng của boomerang.
Khi ta chọn được một boomerang tốt và ném đúng cách, boomerang sẽ bay đi bay lại trên bề mặt của hình cầu này, ta có cảm tưởng như boomerang chao qua chao lại trên bề mặt của một cái chảo khổng lồ trong tưởng tượng.
