Warum funktioniert dieser Bumerang?

Wissenschaft Physik
#1

Hallo Gemeinde,
mal vorweg liegen meine (Flug-) Physikkenntnisse im Grundschulniveau, diese wurden jetzt noch deftig zerüttet, darum hoffe ich, hier eine plausible Erklärung zu finden.
Wie wohl den meisten hier bekannt ist, benötigen die Flügel von rückkehrfähigen Bumerangs ein Tragflächenprofil, ähnlich wie bei normalen Flugzeugen. Im Wesentlichen also: Flügelvorderkanten rund/ Hinterkanten abgeschrägt bzw. abfallend, um Auftrieb zu ermöglichen.
Bei kleineren Zimmerbumerangs aus z. B. Karton/ Pappe ist jedoch kein Raspeln/ Feilen/ Schaben/ Schleifen möglich, da es hier oft an der nötigen Materialstärke fehlt, stattdessen werden dann die Flügelkanten oft einfach nur etwas heruntergeknickt und die Flügel leicht
hochgestellt, was ja auch- richtig angewendet, prima funktioniert.
Ich konstruierte einen derartigen kleinen Dreiflügler, schnitt nur die Form aus Karton (ca. Postkartenstärke, beidseitig identisch matte ebene Flächenbeschaffenheit) aus, warf ihn „einfach mal so“ in typischer Bumerang- Abwurfweise, ohne das übliche Flügel- „Tuning“ und bin seitdem sehr verblüfft, weil er trotzdem in altgewohnter Manier wie ich es von anderen Indoor- Bumerangs kenne, stets zuverlässig zurückkehrt! (Nur der Flugradius ist um ca. 30% größer, als man es von dieser Bumerangform erwarten würde.)
Im Raum finden keine nennenswerten Luftbewegungen wie z. B. Ventilator, offene Fenster/ Türen usw. statt, wenn dieser Karton- Bumerang fast ohne zu steigen seinen gleichmäßig- vollständigen Flugkreis vollzieht, so daß er sich auch fangen lässt.
Selbst wenn man ihn auf einen völlig ebenen Glastisch legt, weist er auch mittels Seitenansicht keinerlei Flächenprofil auf: alle Flügel liegen gleichmäßg plan, sind also nichtmal minimal verdreht/ angestellt/ gebogen! Welche Fläche beim Werfen nach innen/ außen zeigt, scheint am Flugbild auch nichts zu ändern, allerdings bewirkt schon ein minimales- kaum sichtbares Herunterbiegen der Flügel, daß er sofort nach dem Abwurf resolut abstürzt. Jetzt meine Frage:
Woher bekommt dieser Bumerang ohne dieses typisch- aerodynamische Profil den Auftrieb (Unterdruck/ Überdruck…?)? Gibt es dementsprechend event. „physikalische Ausnahmefälle“, z. B. was das Gewicht, die Proportionen, die Flügelanordnung o. ä. betrifft?
Um diesen Bumerang handelt es sich:
http://www.fotos-hochladen.net/uploads/trampioxbwgkz…

Vielen Dank für Tips,
Zottel

#2

Hallo,

Auszug aus Wiki:

„Die Rotation des Bumerangs wirkt wie die Drehung eines Kreisels. Sie hält die Ausrichtung der Rotationsachse auch bei kleinen Störungen stabil. Außerdem bewirkt die Rotation eine Auftriebskraft an den Flügeln des Bumerangs. Die Stärke des Auftriebs hängt von der Geschwindigkeit der umströmenden Luft ab.
Durch die Rotation bekommt immer der sich in Flugrichtung bewegende Flügel mehr Auftrieb, da sich dort die Strömungsgeschwindigkeit der Luft aus Rotationsgeschwindigkeit plus Fluggeschwindigkeit ergibt, während sich beim entgegengesetzt bewegenden Flügel die Rotationsgeschwindigkeit von der Fluggeschwindigkeit subtrahiert. Diesen Effekt findet man auch beim Hauptrotor eines Hubschraubers. Dort wird dieser unerwünschte Effekt durch die zyklische Blattverstellung korrigiert, bei der die sich in Flugrichtung bewegenden Rotorblätter einen geringeren Anstellwinkel erhalten als die rückläufigen.
Die Summe aller auf den fliegenden Bumerang wirkenden Auftriebskräfte ergeben eine Kraft, die die (virtuelle) Achse des rotierenden Bumerangs in einer Weise kippen möchte, dass der Bumerang geradeaus fliegen und sich dabei um eine virtuelle Achse in Flugrichtung drehen würde. Also würde bei einem rechtshändig geworfenen Bumerang der voreilende Flügel an der höchsten Stelle nach links kippen. Dass dies nicht der Fall ist, begründet sich in einem weiteren Kreiselgesetz, welches besagt, dass eine Kraft, die auf die Achse eines Kreisels wirkt, erst 90° in Drehrichtung versetzt zu einer Abweichung der Achse führt. Also kippt der voreilende Flügel nicht an der höchsten Stelle, sondern 90° später an der vordersten Stelle nach links, was den Bumerang zum Kurvenflug zwingt.“

Ich habe irgendwo noch eine sehr theoretische Abhandlung von einer UNI. Muss mal kramen und schicke Dir den dann zu.

Gruß vom Raben

#3

Hi Zottelbär,

der Bumerang fliegt, weil du ihm beim Abwurf nen kleinen Anstellwinkel verpasst (also nicht exakt parallel zum Boden), dieser Anstellwinkel reicht um Auftrieb zu erzeugen.
In der Strömungsmechanik ist der Anstellwinkel wichtig für den Wert des Auftriebes, mit einem entsprechend geformten Flügel kann man den Auftrieb erhöhen (und/oder den Widerstand reduzieren), der Anstellwinkel ist aber ausschlaggebender dafür, ob überhaupt Auftrieb erzeugt wird oder nicht.
Am Bsp der angeströmten, ebenen Platte (was hier ja der Fall ist), sieht man auch schön, dass die Bernoulli-Erklärung (unterschiedliche Wegstrecken) nicht stimmen kann.

Gruß,
Hatje

#4

Vielen Dank Leute (die Wiki- Erklärung war mir bekannt), wenn aber bei Bumerangs nur der Anstellwinkel durchs Werfen schon ausreichen würde, damit sie vollständig zurückkehren können, warum werden diese Flügel dann fast immer mit diesem Oberflächenprofil Vorne rund/ Hinten schräg ausgestattet, wie es auch aus den meisten Dokumentationen hervorgeht? (An manchen Bumerangs muss ausserdem noch ein „(Fein-) Tuning“ durch Verdrehen des/ der richtigen Flügel vorgenommen werden, damit sie optimal funktionieren.) De facto reichen hier in beiden Fällen schon oft einige 10tel Millimeter aus, um das Flugblild maßgeblich zu beeinflussen, im negativen wie im positivem Sinn.
Ich möchte anmerken, daß Bumerangs (bis auf Ausnahmen wie z. B. „M. T. A.“- Bumerangs) grundsätzlich parallel zum Boden abgeworfen werden, nur müssen einige davon mehr oder weniger „angesichelt“- d. h. statt genau senkrecht, gekippt werden, damit sie sich in der Luft ausreichend flachlegen- und optimal zurückkehren können. Genauso werfe ich den beschriebenen Karton- Bumi: fast senkrecht, also ca. 10- 15° nach außen gekippt (ist dies nicht bei Bumerangs der Anstellwinkel?), parallel- oder sogar noch mehr zum Boden hin, er fliegt dann einen gleichmäßig vollen Kreis. Wirft man ihn waagerecht ab, steigt er sofort steil auf und stürzt- wenn er nicht sogar gegen die Zimmerdecke stösst, senkrecht ab. Fazit: Auftrieb ist hier also grundsätzlich immer reichlich vorhanden, unabhängig vom Abwurfwinkel oder nicht aerodynamisch geformten Flügelprofilen und eben das macht die volle Funktionalität dieses kleinen Dreiflüglers für mich so schwer begreifbar. Dennoch wage ich mal eine eigene Erklärung:
Bei einer bestimmten Konformität von relativ geringem Gewicht + geringem Widerstand durch Materialstärke + Flügelanzahl/ Flügelanordnung + dem richtigen Vorwärts- u. RotationsImpuls ist als letzte Komponente hier wohl nur noch der Anstellwinkel nötig, um dieses „gesunde“ Verhältnis zur Schwerkraft so zu komplettieren, so daß bei diesem Bumerang auch ohne Profil der gyroskopische Effekt noch wirken kann und den Bumerang zurückkehren lässt. Demnach ist mir bei diesem Exemplar scheinbar zufällig eine genau passende Formgebung/ Zusammenstellung der nötigsten Komponenten gelungen, denn normalerweise benötigen auch Zimmerbumerangs ein Flügelprofil, um zurückzukehren.

Ein sehr anschauliches Video (Gesamtlänge 1:59) zum Thema Bumerangphysik/ Auftrieb hat übrigens neulich Eckard Mawick („Zimmerbumerangs“ auf YouTube veröffentlicht:
http://www.youtube.com/watch?v=dd2XXTxZ-fA

In eine der Szenen ist sehr schön erkennbar, wie ein glattes Stück Papier nur von einer einseitigen Luftstömung- ich nenne es mal „angezogen“ wird und das Beispiel mit dem Löffelrücken neben/ am Wasserstrahl funktioniert genauso gut mit einem glatten Lineal o. ä; ich habe es selbst probiert. (Oder spielt hier die Oberflächenspannung des Wassers eine Rolle, womit dieses Beispiel dann allerdings „hinken“ würde?!) Auch in diesen Fällen ist keinerlei Profil oder Anstellwinkel nötig, die Materie muss nur nahe genug an die Strömung kommen, um von ihr angezogen zu werden. Daraus schließe ich (- und bitte um Berichtigung, falls ich falsch mutmaße), daß ausreichend schnelle Luftbewegungen den Umgebungsdruck soweit verringern können, daß zwischen Bezugskörper und Strömung nur noch ein sehr geringer Druck- (der Unterdruck) vorherrscht und dieser es dem Bezugskörper ermöglicht, sich in dieser Strömungsumgebung frei zu bewegen. Daß es den Körper aber in genau diese eine Richtung zieht, kann ich mir nur durch winzige „Luftstrudel“ erklären, welche ihn noch zusätzlich „abgreifen“.

Gruß, Zottel

#5

Hallo,

beim Bumerang gibt es zwei physikalische Effekte:

  1. Auftrieb der rotierenden Arme
  2. Präzessionskräfte durch den Bumerang als Kreisel

diese können wir jetzt einmal separat betrachten:

  1. Auftrieb der profilierten Arme

Das Gesetz von Bernoulli sagt aus, daß je schneller eine Strömung ist, deren Druck fällt. Diesen Effekt nutzt man auch um mit Venturidüsen den Durchfluss eines Mediums durch eine Rohrleitung zu messen. Daher sind Tragflügel profiliert. Daraus folgt, daß der obere Teil des Luftstroms einen längeren Weg zurücklegen muss und somit die Geschwindikeit steigen muss um den Luftstrom an der Unterseite am Profilende zur gleichen Zeit wieder zu treffen. Der Druckunterschied zwischen Oberseite und Unterseite multipliziert mit der Flügelfläche ergibt die Auftriebskraft. Und je schneller sich ein Profil bewegt, desto höher wird Druckunterschied.
Bei Bumerangs aus Papier ist natürlich nichts mit dem Profilieren, daher werden die Blätter angestellt.

  1. Präzessionskräfte durch den Bumerang als Kreisel

Kreisel und hier auch der Bumerang haben sog. Präzessionskräfte wenn versucht wird die Rotationachse im Raum zu verändern. Diese Kräfte sind immer um 90° zu der Kraft versetzt, die die Rotationsachse verändern will. Das gilt auch für Momente, die diese nichts anderes sind als Kraft*Hebelarm.

Jetzt müssen wir diese zwei Gesetzmäßigkeiten in Kombination betrachten.
Anmerkung:
Der Bumerang (Holz oder Papier) weist eine punktsymmetrische Profilierung auf. Und ich denke wir können bei den geringen Geschwindigkeiten, der relativ großen Masse (Holz) und somit Trägheit den „Hubschraubereffekt“ beim Geradeausflug vernachlässigen.

Der Bumerang wird in einem Winkel größer 0° abgeworfen. Jetzt versucht sich der Bumerang durch die gleichen Auftribskräfte der Arme in die Horizontale auszurichten.
Das kann er aber nicht, da die Präzessionskräfte, die auf ihn wirken ihn in eine annäherende Kreisbahn zwingen. Auch da steigt der Bumerang am Anfang auf.

Ob ein Bumerang jetzt 2, 3 oder mehrere Arme hat, spielt in dieser Betrachtung keine Rolle.
Wenn Du einen sehr effizienten Papierbumerang möchtest, kannst Du das mit einer großen Streckung der Blätter realisieren. D.h. geringe Tiefe bei großer Länge. Das vermindert den induzierten Widerstand - siehe Segelflugzeug oder Langstreckenvögel.

Die Worte in fett sind Schlagworte um weiter nachzulesen.

Gruß vom Raben

#6

Hallo,

Tach,

  1. Auftrieb der profilierten Arme

Das Gesetz von Bernoulli sagt aus, daß je schneller eine
Strömung ist, deren Druck fällt. Diesen Effekt nutzt man auch
um mit Venturidüsen den Durchfluss eines Mediums durch eine
Rohrleitung zu messen. Daher sind Tragflügel profiliert.
Daraus folgt, daß der obere Teil des Luftstroms einen längeren
Weg zurücklegen muss und somit die Geschwindikeit steigen muss
um den Luftstrom an der Unterseite am Profilende zur gleichen
Zeit wieder zu treffen. Der Druckunterschied zwischen
Oberseite und Unterseite multipliziert mit der Flügelfläche
ergibt die Auftriebskraft. Und je schneller sich ein Profil
bewegt, desto höher wird Druckunterschied.
Bei Bumerangs aus Papier ist natürlich nichts mit dem
Profilieren, daher werden die Blätter angestellt.

Da muss ich mal ganz schnell eingreifen, bevor sich das beim Fragenden festsetzt:

Wie du bereits richtig geschrieben hast, muss, damit Bernoulli anwendbar ist u.a. gelten, dass Teilchen die vor dem Profil getrennt werden hinten wieder treffen. Das ist bei einem umströmten Flügel nicht der Fall, ergo ist Bernoulli nicht anwendbar (ist gibt auch noch andere Gründe) und kann nicht als Erklärung herangezogen werden.
Abgesehn von der allgemeinen Nichtanwendbarkeit von Bernoulli, ist im Falle der ebenen Platte (die hier vorliegt) direkt ersichtlich, dass Bernoulli nicht zutrifft, denn bei einer ebenen Platte sind die Wege oben- und untenrum gleichen lang, dadurch dürfte es keine Geschwindigkeitsunterschiede geben und somit auch keinen Auftrieb. Damit erübrigt sich auch das Studium der Wiki-Artikel.

Gruß vom Raben

Gruß Hatje

#7

Hi Zottelbär,

wenn die Strömung schnell genug ist reicht das Umströmen auf einer Seite aus um das Blatt anzuheben, allerdings hast du bei einem frei fliegenden Bumerrang die Umströmung auf beiden Seiten, womit sich dieser Effekt aufhebt. Hier muss also etwas anderes Auslöser sein.

Du sprichst ja selbst davon das du den Bumerang nicht waagerecht abwirfst, ob dieser Anstellwinkel nun in Flugrichtung oder senkrecht dazu existiert, spielt keine wesentliche Rolle, die Auswirkungen sind lediglich anders. Ist der Anstellwinkel in Flugrichtung, sorgt der Auftrieb dafür, dass das Flugobjekt an Höhe gewinnt (sofern dieser größer als Gewichtskraft und Widerstand ist). Ist der Anstellwinkel senkrecht zur Flugrichtung, sorgt er dafür das links und rechts ein unterschiedlich starker Auftrieb erzeugt wird, die Flugbahn beschreibt eine Kurve.

Gruß
Hatje

#8

Hallo,

bei allem Respekt vor deinem Studium.

Gemäß Theorie gibt es zwei Grundgleichungen im Bereich der Inkompressibilität bis ca. M=0,5

Die eine ist die Kontinuitätsgleichung (Gleichung zu Erhaltung der Masse in einer Stromröhre)

s*v*rho = konstant und mit rho = Konstant folgt

s*v = Konstant

Die zweite ist die Bernoulligleichung

rho/2*v^2 + Psat = P ges = konstant

Ich möchte den Fragesteller nicht mit Auftriebspolaren für NACA Profile und andere Sachen belasten.

Die von Dir angedeutete „Nichtanwendung von Bernoulli“ ist Quatsch.

Natürlich hat eine horizontal angeströmte, ebene Platte keinen Auftrieb. Das ist eine Binsenweisheit.

Das ändert sich aber wenn diese angestellt wird. So ergibt sich der Hauptanteil an Auftrieb alleine aus der Ablenkung - Impulssatz.

Als weiteres möchte ich Dir ein sehr interessantes Buch ans Herz legen:

Flugzeugentwurf von Friedrich Müller ISBN 3-931776-19-0 Buch anschauen

Das erklärt Dir die 8 Semester in ein paar hundert Seiten.

Gruß vom Raben

#9

Das ist ja das Dümmste, was ich je gesehen habe.

Gruß vom Raben

#10

Hi,

Wenn du dein Wissen aus diesem Buch hast ist es wohl fehlerhaft oder zumindest nicht ganz korrket und das Wissen eines Studiums von 10 Semestern kann auch nicht in ein paar hundert Seiten dargelegt werden. Wer behauptet das hinzubekommen, hat keine Ahnung von der Materie.

Bernoulli kann als halbwegs gute Näherung(!!!) bei Kleinflugzeugen angewendet werden, da diese im Geschwindigketisbereich Ma

#11

Hast du etwa deine eigenen Beiträge mal gelesen?

1 Like
#12

Lieber Zottelbär,

ohne Auftriebsdifferenz zwischen Flügel oben versus unten gibt es keine Präzession (/= Präzision) und folglich keine Rückkehr des Bumerangs. Eine mögliche Erklärung Deiner Beobachtung ist, dass die Flügel im Flug eben doch nicht so plan sind, wie sie es auf einer ebenen Tischplatte zu sein scheinen. Deine Beobachtungen, dass der Flugradius größer ist und dass der Bumerang abstürzt, wenn man die Flügel nur minimal herunterbiegt, bestätigen diese Annahme.
Bestünde der Bumerang aus einem deutlich steiferen Material als Karton/Pappe und wären Vorder- und Rückseite der Flügel so geformt, dass sie keinen (oder den gleichen) Auftrieb erzeugen, käme der Bumerang nicht zurück.

Viel Spaß beim Experimentieren,
Karsten

#13

Hallo Karsten,
von der Logik her kann ich das nur bestätigen, ansonsten wären hier wohl auch Zauberkräfte am Werk, welche diesen Bumerang so schön zurückkehren lassen…! Und dennoch:
Von einem typisch aerodynamischen (Flügel-) Profil kann hier eigentlich wirklich keine Rede sein, denn mittels Seitenansicht scheint nichtmal partiell helles Licht unter dem Bumerang durch, wenn er auf der absolut planen Glastischplatte liegt, aber Dein Tip ist mir Gold wert!! Denn des Rätsels Lösung scheint das tatsächlich nicht besonders steife Material zu sein, welches nach dem Abwurf ein leichtes Anstellen der Flügel ermöglicht, so wie der Bumerang Luftwiderstand erhält. Das kann man natürlich nicht sehen, wenn er fliegt, also- alles palletti!:smile:
(Eine minimale Tendenz, zu welcher Richtung sich die Flügel biegen können, muss natürlich vorher gegeben sein. Erstaunlich!) BESTEN DANK!
Gruß, Zottel

#14

Hi Hatje,

das ist aus einem Buch, daß mittlerweile an vielen Unis und FHs Standardwerk geworden ist.

Ich habe den Autor dieses Buches und habe ihn in der Enstehungsphase begleitet und viele Diskussionen geführt. Schließlich kenne ich diesen seit 51 Jahren.

Der Verfasser dieses Buches war maßgeblich Derjenige, der die neuen MB-Schleudersitze in den Flugzeugen unserer Streitkräfte eingeführt hat und die maßgeblichen Dienste, mittels Expertisen, über die Flugperformance von außereuropäischen Flugzeugen, aufgrund von Satellitenbildern, informiert und aufgeklärt hat. Selbiger ist Vortragender an der Wehrakademie, des BMFT und der Hochschule Darmstadt im Bereich Flugdynamik.

So, jetzt bist Du dran.

Gruß vom Raben

#15

Ich hab von dem Buch noch nie was gehört…
Und wenn er anscheinend behauptet Bernoulli sei die Erklärung für Bernoulli, wundert mich das auch nicht.
Und über die Qualifizeirung meines Profs, fang ich gar nicht erst an zu Diskutieren. (Sein Skript zu „Grundlagen der Strömungslehre“, umfasst übrigens mehrere hundert Seiten, er behauptet aber nicht, dass er in diesem den ganzen Stoff des Studiums verpackt hat)