手作りブーメランはなぜ戻ってくるのか？（回転の科学）
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
「投げたものが、なぜ自分のところへ戻ってくるの？」
ブーメランを初めて見た人が必ず抱く、この不思議な疑問。実はそこには、飛行機の翼やコマのような、いくつもの科学の仕組みが重なり合っています。順番にひもといていきましょう。なお私の解釈なので誤りがある部分があるかもしれませんので、ご了承ください。
ブーメランの断面は、飛行機の翼と同じ形をしている
今回作ったのはこちらの紙製のブーメランです。
このブーメランは、横から断面を見ると、右側のプロペラを少し持ち上げています。
これはヘリコプターの翼や、竹とんぼと全く同じ形です。この形のおかげで、空気の流れる速さが変化して、揚力（ようりょく）と呼ばれる力が生まれます。ブーメランを投げるときは、ブーメランを垂直に持って、スナップをつけて回転させて投げます。回転に意識をしてください。このとき揚力は左方向に向きます。
ブーメランは、慣性モーメントを意図的に大きく設計した道具といえます。翼が左右に長く伸びた形状のおかげで、質量が回転軸（中心）から遠くに分布しています。これにより慣性モーメントが大きくなり、次の2つの効果が生まれます。
①ジャイロ効果が強くなる
ジャイロ効果の強さは慣性モーメントに比例します。慣性モーメントが大きいほど、外から力が加わっても回転軸の向きが変わりにくく、安定して飛びます。
②ゆっくり歳差運動する
慣性モーメントが大きいと、歳差運動（軸がゆっくり向きを変える動き）がゆっくりになります。これがちょうどよい速さで起きることで、大きな円を描いて手元に戻ってくる軌道が生まれます。つまり形の設計が飛行軌道を決めているのです。
それぞれについて説明をしていきます。
上半分と下半分で、揚力の大きさが違う！
ここが戻ってくる仕組みの一番のポイントです。ブーメランは回転しながら前に進んでいます。慣性モーメントの働きによって、回転させたものは、回転をし続けようとします。このとき、上半分の翼は回転の向きと進む向きが同じなので、空気に対してより速く動きます。逆に、下半分の翼は回転の向きと進む向きが逆なので、ゆっくり動くことになります。
揚力は速く動くほど大きくなるので、上半分は揚力が大きく、下半分は揚力が小さいという差が生まれます。この差が、ブーメランを「傾けようとする力（トルク）」を生み出します。
この揚力の差によって、ブーメランが左の方向に曲がっていきます（Kodomonokagaku）。
コマが倒れないのと同じ「ジャイロ効果」によって傾いていく
Kodomonokagakuでは揚力の説明しかありませんでしたが、ここにジャイロ効果が絡んできます。ジャイロ効果についてはこちらの説明文がわかりやすいです。 Instant Engineering「ジャイロ効果とは」
ジャイロ効果（Gyroscopic Effect）を一言で表現するならば、「高速で回転している物体が、その回転軸の向きを変えまいとする慣性の性質」と言えます。
静止しているコマは、支点が重心より下にあるため、わずかな傾きで重力のモーメントを受け、すぐに倒れてしまいます。しかし、高速で回転しているコマは、指で突いても弾き返すほどの安定性を持ちます。これは、物体が回転することによって「角運動量（Angular Momentum）」という物理ベクトル量を持ち、そのベクトルが保存されようとする（変化を拒む）慣性が働くためです。
この性質は「定軸性（Space Rigidity）」と呼ばれ、外部から力が加わらない限り、回転軸は宇宙空間に対して一定の方向を指し続けます。地球が何十億年も自転軸をほぼ一定に保っているのも、巨大なジャイロ効果によるものです。
左に揚力に差があると、普通なら回転をしながら飛んでいきそうなものです。ところがここで、回転する物体が持つ不思議な性質が登場します。それがジャイロ効果です。コマを回していないとき、ちょっと指で触れただけで、すぐに倒れてしまいますよね。ところが、コマが勢いよく回っているときは、触れても倒れにくく、くるくると安定して回り続けます。
この「回転しているものが、倒れたり向きが変わったりしにくくなる性質」のことを、ジャイロ効果といいます。
実は、ジャイロ効果は日常生活でも体験できます。自転車に乗っているとき、スピードが出ているほど安定しますよね。止まると倒れそうになるのに、走っていると意外と安定して乗れる。これはタイヤが回転することで生まれるジャイロ効果のおかげです。
また、走っている自転車を横から押しても、すぐには倒れず、少し斜めに向きを変えながら進みます。力の方向と90度ずれて動く、歳差運動が起きているのです。コマが回転しているあいだは倒れにくいですよね。それと同じように、回転している物体に力を加えると、その力が加わった方向から90度ずれた方向に動くという現象が起きます。これを歳差運動（プリセッション）といいます。こちらの地球ごまの歳差運動をご覧ください。
ブーメランの場合、揚力の差が生み出す左向きの力が、歳差運動によってブーメランが垂直から徐々に倒れて投げた方の手前の面をこちらに向けた状態になって、その後水平方向に最後はなっている場合が多くあります（テレビ大阪「かがくdeムチャミタス」）
ブーメランが手元に戻ってくるとき、くるりと水平になってホバリング（その場に浮かぶような動き）することがあります。これも歳差運動で説明できます。
飛行中、前方半面で発生する揚力の影響で後方半面での翼の角度が相対的に小さくなり、後方半面で発生する揚力が小さくなります。この差が生み出すもう一つの歳差運動が、ブーメランの回転面を徐々に水平に近づける方向に働くため、戻ってきたブーメランが水平にふわりと浮かぶような動きを見せることがあります。
ブーメランの軌道は、見た目は円っぽく見えますが、実はいくつかの点で「理想的な円運動」とは異なります。
ブーメランは飛びながら歳差運動によって回転軸の向きが少しずつ変わっています。それに伴い、揚力の向きも常に変化し続けています。向心力が一定方向にかかり続ける理想的な円運動とは、根本的に仕組みが違います。また投げ出された直後と、戻ってくる直前では、空気抵抗や重力の影響でスピードも高さも変わっています。
実際のブーメランの軌道をよく見ると、きれいな円ではなく、少しずつ内側に向かって巻き込まれる、どちらかというと「らせん状に近い軌道」を描いています。歳差運動が進むにつれて軌道の曲がり方が変化するためです。
お椀型にすると回転半径が小さくなる
ブーメラン全体を真上から見たとき、平らではなく、中心が少し高く、両端が下がったお椀のような山形にした形にすると、回転半径が小さくなります。
これには理由があります。平らなブーメランでは、揚力はほぼ回転面に垂直な方向、つまり横向きに発生します。ところがお椀型にすると、両翼の揚力が少し内側（中心軸の方向）に向くようになります。これにより、軌道を曲げる向心力が強くなり、円の半径が小さくなります。ちょうど、自転車でカーブを曲がるときに体を内側に傾けると小回りが利くのと同じイメージです。
無重力の宇宙でも戻ってきた！
Wikipediaによると、驚くことに、2008年3月、土井隆雄宇宙飛行士が国際宇宙ステーションの船内で紙製ブーメランを投げる実験を行い、無重力下でも地球上と同様にブーメランが手元に戻ってくることが確認されました。これはとても重要な発見です。重力がなくても戻ってくるということは、ブーメランが戻る仕組みの本質は「揚力とジャイロ効果」であり、重力はあまり関係ないということを証明しています。
飛行機の翼の科学と、コマのジャイロ効果。一見バラバラな2つの物理の仕組みが、ブーメランという一本の木の板の中で見事に組み合わさっているのです。科学部でブーメランを作ったなら、ぜひ投げるときの角度や回転の速さを変えて、軌道がどう変わるか実験してみてください。きっと新しい発見があるはずです。
参考
Wikipedia「ブーメラン」
→ 翼断面の形状による揚力の発生、歳差運動による旋回のメカニズムまで、物理的に詳しく記述されています。参考文献も充実しています。
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