Tee-se-itse-bumerangikoe! Miksi se palaa takaisin? Pyörimisen tiede (nostovoima, gyroskooppinen ilmiö ja prekessio)
Tässä puhuu Science Trainer Kuwako Ken. Jokainen päivä on uusi koe.
”Miksi heitetty esine palaa takaisin luokseni?”
Tämä on kysymys, jonka lähes jokainen pohtii nähdessään bumerangin ensimmäistä kertaa. Sen taustalla piilee yllättävä yhdistelmä fysiikkaa: lentokoneen siivet, hyrrät ja pyörimisliikkeen salaisuudet. Käydään ilmiö askel askeleelta läpi. Saatat huomata, että monet arkiset asiat näyttävät tämän jälkeen aivan uudenlaisilta.
Bumerangin poikkileikkaus muistuttaa lentokoneen siipeä
Ensimmäiseksi hankin tällaisen sisäkäyttöön tarkoitetun bumerangin. Se on valmistettu pehmeästä materiaalista, joten kasvoihin osuessaankaan se ei satu. Sen heittäminen on helppoa, joten se sopii täydellisesti perusidean opetteluun.
Tämän mallin pohjalta rakensin seuraavan bumerangin.
Pohjana käytin kirjan ”Miksi bumerangi palaa takaisin?” ohjeita, mutta tein siihen omia parannuksia.
Paperisen bumerangin valmistus
Ensimmäinen tärkeä asia on käyttää riittävän jäykkää paperia. Tavallinen pahvi ei kuitenkaan toiminut kovin hyvin. Useiden kokeilujen jälkeen päädyin käyttämään seuraavaa kansipaperia, joka osoittautui erinomaiseksi.
Kokuyo Board Cover A4, 10 arkkia, Sei-830N
Leikkaa tästä paperista kappaleet seuraavilla mitoilla:
Pituus 13 cm
Leveys 3 cm
Viilto 1,5 cm
Valmista kolme samanlaista osaa.
Yhdistä kolme osaa toisiinsa viiltojen avulla.
Säädä siivet niin, että niiden välinen kulma on noin 120 astetta. Kiinnitä keskiosa kolmesta kohdasta nitojalla.
Lisää sitten paperiliittimet siipien kärkiin kasvattaaksesi pyörimisen vakautta (eli kasvattaaksesi hitausmomenttia).
Kierrä liittimien ympärille teippiä, jotta ne eivät irtoa.
Perusrakenne on nyt valmis. Seuraava vaihe on erittäin tärkeä: säätö.
Katso bumerangia sivusta ja väännä siipiä hieman niin, että oikea reuna kohoaa hieman ylöspäin.
Muotoile sen jälkeen koko bumerangi loivasti kulhon muotoiseksi.
Koska tämä vaihe voi olla vaikea hahmottaa pelkkien kuvien perusteella, tein siitä videon.
Heittotapa
Heittotekniikka esitellään myös yllä olevalla videolla. Tartu siiven kärkeen, pidä bumerangi lähes pystyasennossa ja keskity ennen kaikkea pyörimisliikkeen tuottamiseen. Älä ajattele niinkään eteenpäin työntämistä.
Anna ranteelle napakka napsautus, jotta bumerangi saa mahdollisimman paljon kierroksia.
Kun pyöritys onnistuu hyvin, bumerangi palaa takaisin luoksesi.
Alla näkyy Daisossa myytävä kaupallinen bumerangi. Kun sitä verrataan juuri rakennettuun paperiversioon, huomaa helposti, että perusmuoto on hyvin samanlainen.
Siivet muistuttavat lentokoneen siipiä, ja niiden oikea yläreuna on hieman koholla.
Sivulta katsottuna koko rakenne muistuttaa kulhoa.
Daison bumerangin mukana tulee myös QR-koodi, jonka kautta voi katsoa heitto-ohjeet sisältävän videon. Erittäin kätevää.
Mutta miksi juuri tällainen muoto saa bumerangin palaamaan takaisin?
Miksi bumerangi palaa takaisin?
Kun ilma virtaa eri nopeuksilla siiven ympärillä, syntyy nostovoima eli voima, joka pyrkii nostamaan kappaletta ylöspäin. Lentokoneet pysyvät ilmassa juuri tämän ilmiön ansiosta.
Toinen ratkaisevan tärkeä tekijä on prekessio eli pyörivien kappaleiden erityinen käyttäytyminen. Se liittyy läheisesti gyroskooppiseen vaikutukseen.
Bumerangi liikkuu eteenpäin samalla kun se pyörii nopeasti. Hitausmomentin ansiosta pyörivä kappale pyrkii jatkamaan pyörimistään. Sen pyörimisakseli pysyy vakaana eikä helposti heilahtele. Tätä kutsutaan gyroskooppiseksi vaikutukseksi.
Tällöin yläpuolella oleva siipi liikkuu samaan suuntaan kuin bumerangin eteneminen, joten sen nopeus suhteessa ilmaan on suurempi. Alapuolella oleva siipi puolestaan liikkuu osittain vastakkaiseen suuntaan, joten sen nopeus suhteessa ilmaan on pienempi.
Koska nostovoima kasvaa nopeuden mukana, yläpuolella syntyy enemmän nostetta kuin alapuolella. Tämä epätasapaino synnyttää vääntömomentin, joka yrittää kallistaa bumerangia.
Pyörivä kappale ei kuitenkaan reagoi tähän voimaan intuitiivisesti. Sen sijaan pyörimisakseli alkaa kääntyä toiseen suuntaan. Tätä ilmiötä kutsutaan prekessioksi.
Seuraava koe havainnollistaa ilmiötä hyvin.
Moni kuvittelee, että jos pyörivää kappaletta työnnetään yhteen suuntaan, se kallistuu siihen suuntaan. Nopeasti pyörivä bumerangi toimii kuitenkin toisin: se reagoi voimaan noin kohtisuorassa suunnassa. Juuri tämä tekee prekessiosta niin kiehtovan ilmiön.
Tämä on koko bumerangin paluumatkan salaisuus.
Katso vielä seuraavaa kuvaa. Kun bumerangi heitetään pystyasennossa, se kaartaa takaisin pyörien samalla koko ajan.
Prekessiosta puhuttaessa tunnetuin esimerkki on hyrrä. Myös tämä Earth Top -video havainnollistaa ilmiötä hyvin.
Paluuvaiheessa bumerangi muuttuu vähitellen lähes vaakasuoraksi ja näyttää leijuvan ilmassa.
Tämäkin voidaan selittää prekessiolla. Lennon aikana etu- ja takaosan siipien nostovoimissa syntyy eroja, jotka aiheuttavat uuden prekessiovaikutuksen. Se kallistaa pyörimistasoa vähitellen vaakasuoremmaksi, minkä vuoksi palaava bumerangi näyttää lopuksi lähes leijuvan.
Vaikka bumerangin rata näyttää ensi silmäyksellä ympyrältä, se ei ole ideaalinen ympyrärata. Prekession vuoksi pyörimisakselin suunta muuttuu jatkuvasti, ja samalla myös nostovoiman suunta muuttuu koko ajan.
Kun bumerangin lentorataa tarkastelee tarkasti, huomaa sen muistuttavan enemmän sisäänpäin kiertyvää spiraalia kuin täydellistä ympyrää. Tämä johtuu siitä, että prekession edetessä radan kaarevuus muuttuu jatkuvasti.
Kulhon muotoinen bumerangi tekee käännöksestä tiukemman
Kun bumerangia katsotaan ylhäältä päin, sen ei kannata olla täysin tasainen. Parempi muoto on sellainen, jossa keskiosa on hieman korkeammalla ja siipien päät hieman alempana – kuin loiva kulho.
Tälle on selkeä syy. Tasaisessa bumerangissa nostovoima vaikuttaa lähes kohtisuoraan pyörimistasoon nähden. Kun rakenne taivutetaan kulhon muotoiseksi, osa nostovoimasta suuntautuu kohti keskustaa.
Tämän seurauksena radan kaareutumiseen tarvittava keskeisvoima kasvaa ja käännöksen säde pienenee. Tilannetta voi verrata polkupyöräilijään, joka kallistuu sisäkaarteeseen saadakseen tehtyä tiukemman mutkan.
Pieni kaarevuus voi siis vaikuttaa lentorataan yllättävän paljon.
Se palasi takaisin jopa painottomassa avaruudessa!
Yllättävää kyllä, maaliskuussa 2008 astronautti Takao Doi heitti paperisen bumerangin Kansainvälisen avaruusaseman sisällä. Kokeessa havaittiin, että bumerangi palasi heittäjän luo lähes samalla tavalla kuin Maassa.
Tämä oli erittäin merkittävä havainto.
Takao Doi (53), joka oleskeli Kansainvälisellä avaruusasemalla (ISS), suoritti epävirallisen kokeen heittämällä bumerangia asemalla. Vaikka ISS:n sisällä on maanpäällistä vastaava ilmanpaine, ympäristö on painoton. Japanin avaruusjärjestö JAXAn mukaan pystysuoraan heitetty bumerangi palasi normaalisti takaisin.
Lähde: Bumerangi palasi takaisin myös avaruudessa (Asahi Shimbun)
http://www.asahi.com/special/space/kibou/OSK200803200044.html
Koska bumerangi toimii myös painottomuudessa, voidaan päätellä, että sen paluumekanismin ydin ei ole painovoima. Ratkaisevia tekijöitä ovat nostovoima ja gyroskooppinen vaikutus.
Lentokoneen siipien aerodynamiikka ja hyrrän gyroskooppinen käyttäytyminen näyttävät ensi silmäyksellä täysin erilaisilta fysiikan ilmiöiltä. Bumerangissa ne kuitenkin yhdistyvät hämmästyttävän elegantilla tavalla.
Jos rakennat oman bumerangin esimerkiksi tiedekerhossa, kokeile muuttaa heittokulmaa tai pyörimisnopeutta ja tarkkaile, miten lentorata muuttuu. Saatat tehdä omia löytöjäsi.
Lähteet
→ Sisältää yksityiskohtaisia selityksiä siiven nostovoimasta sekä prekession aiheuttamasta kaartumisesta. Lisäksi lähdeluettelo on erittäin kattava.
Kirja: Miksi bumerangi palaa takaisin?
Aiheeseen liittyviä artikkeleita
Ilmatykin pyörrekehä
Yhteydenotot ja yhteistyö
Tieteen ihmeet lähemmäksi arkea! Sivustolta löydät hauskoja kotikokeita sekä helposti ymmärrettäviä selityksiä niiden taustalla olevaan fysiikkaan. Tutustu rohkeasti muihinkin artikkeleihin!
・Tiedevinkkikirjasta on julkaistu myös kirja. Lisätietoja täältä
・Lisätietoja ylläpitäjästä Kuwako Kenistä täältä
・Kirjoitus-, luento-, tiedekerho-, TV-asiantuntija- ja muut yhteistyöpyynnöt täältä
・Artikkelien päivitykset löytyvät myös X-palvelusta!
Science Idea Channel julkaisee jatkuvasti uusia kokeiluvideoita!
６月のイチオシ実験！
レモンやオレンジで風船を割ろう！インパクトが抜群のリモネン風船の実験
テレビ番組監修・イベント等のお知らせ
- ６月３日（水）20:30〜 「
バカリズムのちょっとバカりハカってみた！」（テレビ東京）を科学監修・出演します。テーマは「 そばの出前は何人前まで運べるのか、限界を測ってみた」です。 - ６月４日(木) 7:00〜 「THE突破ファイル」（日本テレビ）について科学監修しました。
- 6月14日（日） 千葉大学インスタレーション「探究」にて講師を務めます
- 6月26日（金） 公開研究会「脱作業化！デジタル化と段階的指導で実現する オームの法則の探究」
- ６月28日（日） ダビンチマスターズ＠昭和女子
- 7月18日（土） 教員向け実験講習会「ナリカカサイエンスアカデミー」の講師をします。お会いしましょう。
書籍のお知らせ
- 『大人のための高校物理復習帳』（講談社）…一般向けに日常の物理について公式を元に紐解きました。特設サイトでは実験を多数紹介しています。※増刷がかかり６刷となりました（2026/02/01）
- 『きめる!共通テスト 物理基礎 改訂版』（学研）… 高校物理の参考書です。イラストを多くしてイメージが持てるように描きました。授業についていけない、物理が苦手、そんな生徒におすすめです。特設サイトはこちら。
各種SNS（更新情報をお届け！）
X(Twitter)／instagram／Facebook（日本語）
Explore
- 楽しい実験…お子さんと一緒に夢中になれるイチオシの科学実験を多数紹介しています。また、高校物理の理解を深めるための動画教材も用意しました。
- 理科の教材… 理科教師をバックアップ！授業の質を高め、準備を効率化するための選りすぐりの教材を紹介しています。
- Youtube…科学実験等の動画を配信しています。
- 科学ラジオ …科学トピックをほぼ毎日配信中！AI技術を駆使して作成した「耳で楽しむ科学」をお届けします。
- 講演 …全国各地で実験講習会・サイエンスショー等を行っています。
- About …「科学のネタ帳」のコンセプトや、運営者である桑子研のプロフィール・想いをまとめています。
- お問い合わせ …実験教室のご依頼、執筆・講演の相談、科学監修等はこちらのフォームからお寄せください。
