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飛行中ブーメランは、空気抵抗のため速度も、回転数もどんどんと低下しています。それなのにブーメランは水平に飛行を続けます。飛行しているブーメランをよく観察すると、ブーメランは当初の予測と逆に回転軸を徐々に上向きに変えています。
まるで意志があって、回転や速度の低下による揚力の減少を回転軸を上向きに変えることで補っているようにさえ見えます。これはなぜでしょう。
飛行中空気抵抗でブーメランの回転も飛行速度も遅くなり、結果としてブーメランの重量を支える上向き揚力はどんどん少なくなるはずです。実際に回転面の地面との角度が投げられた時のままの角度ではブーメランは高度を下げて地上におりてしまうはずですが、不思議な事にブーメランは、あたかも上向きの揚力成分を増すため、意志があるように回転面を徐々に上に向けて揚力の低下を防ぎます。そのため元の位置に帰って来たときには、ほとんど水平に回転しています。
こんどは、ブーメランの飛行コースの中心からブーメランを眺めてみましょう。
細かい説明は省きますが、進行方向の後方にまわった翼は気流の乱れのため、常に前方にあるときよりも揚力は低くなっています。そのため、ブーメランの前側は揚力が常に大きく、角運動ベクトルを後方に押す力が働き、結果的に角運動ベクトルを上方に回転させる原因となります｡
飛行中、空気抵抗のため回転数が減少してくると、ブーメランの翼上下の揚力差よりも、ブーメランの前後の揚力差が顕著になってきます。同時に角運動量も減少するため、容易に回転軸が上向きに変わってしまいます。
このあたりは、相関して起こる現象なので厳密な調整が必要なわけではありません。
あえて必要なことは、周回して元の位置に帰り、かつ元の位置を通り過ぎないようにモーメントの調整だけが必要です。
−なぜ、あんな形をしているのか？−
なぜ“く"の字型や、手裏剣型になっていると安定して回転するのに、右のような普通の直線的なブーメランでは回転が不安定ですぐ止まってしまうのでしょうか。
下の図のような物体が回転する場合その回転軸は色々と考えられます。ところが、そのすべてが安定して回るわけではありません。
物体の回転を考える場合、慣性モーメント(慣性能率)という物を考えます。このモーメントとは、直線運動の慣性と同じく、回転体における慣性と思ってください。数学で定積分を学んだときに、簡単な物体ならそれを使って簡単に計算することができます。（参考までに慣性モーメントの式をのせておきます。）
この慣性モーメントは感覚的に理解することも容易です。同じ質量の二つの物体を回す場合、Ｂの方がＡよりも回しやすい事が想像できます。角運度量は(慣性モーメント)×(角速度)2ですから、同じ角運度量場合はＡよりもＢの方が回転数が速くな
さて、物体が２つ以上の回転軸を持つ場合、安定する回転軸は、慣性モーメントが最大の物と、最小の物のいずれかの場合で、その中間の物は不安定になります。
中間の物は、わずかでもフラツキがあると急激にフラツキが増大して回転が停止するか、安定した軸での回転に移行します。さきほどの長方形の板の場合は、最大の慣性モーメントと次の慣性モーメントの値がく不安定になります。
《実験２》
空気抵抗を減らすため、針金で右のような形を作り、空中に放り上げて回転させてみましょう。一番安定して回るのはどれを軸にした場合でしょうか？
直線型でも、まったく回らなくはありません。足なし竹トンボはまさにこの形をしています。ただし、この竹トンボはブーメランと異なり回転面に平行に投げないためふらつきが少ないのと、非常に精巧に造られています。話はちょっとそれますが、足つきの竹トンボは最小慣性モーメントを持つ軸のまわりで回転しています。この足は、重心を下げるためではありません。その証拠に逆さにしても飛行します。また、足の長さが不十分だと《足中心の慣性モーメントが中位となり》、まったく飛行できません。竹トンボは精巧にできた足なし(またはごく短い)か、足が十分長い物のいずれかでないと飛びません。
ブーメランは最大の慣性モーメントの周りで回転し、２番目の値を持つ回転軸と差があるため安定して飛行できます。もちろん２番目の物は空気抵抗の影響も大きいため、それも影響して安定して回ることはできません。
最小の慣性モーメントを持つ軸では抵抗の無い真空中では安定して回転できるはずです。
ブーメランがなぜ飛行するのかがわかれば、次は飛行を妨げるものについて考えてみましょう。ただし、流体を扱う流体物理は変数が多くとても難しい分野ですから、概略だけにしておきます。
《空気抵抗について》
ブーメランの飛行性能を左右する物に空気抵抗−抗力−があります。
ブーメランの翼は揚力とともに、抗力を与えます。迎角が大きくなればなるほど抗力も増大しブーメランの角運動量を消耗させてしまいます。もちろん失速状態になれば揚力は失われ、抗力は急激に上昇して墜落してしまいます。
では、抗力が最小で揚力を大きくするためにはどのような翼が良いのでしょう。
流体中を移動する物体に加わる抗力には、大きく分けて次の二つがあります。
粘性抵抗流体の粘性による物で速度が低いとき主に現れます。
粘性抵抗は、物体の形、大きさ(流速に平行な面での断面積)、粘度(粘性率)、流速に比例します｡
慣性抵抗流体が物体に衝突し、速度を変えられるとき反作用として現れる抵抗
慣性抵抗は、物体の大きさ(流れに垂直な面での断面積)、流体の密度、速度の２乗に比例します。
慣性抵抗はブーメランのスピードではそれほど問題になりませんので、粘性抵抗についてだけ考えてみましょう。
翼の表面に接している部分の空気は停止し、ほとんど流れていませんか、翼から離れるにしたがい、流れの速さになっていきます。
揚力の説明のとき、ベルヌーイの定理が出て来ましたが、本来この定理は、非粘性で非圧縮性流体−理想流体−に関する定理であって、空気のように粘性も圧縮性もある流体には、厳密には適用できせんが、教科書にはベルヌーイの定理とともに右のような挿絵が載っている場合もあります。
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