Le boomerang est un objet connu qui a la particularité de revenir à son point de départ lorsqu'il est lancé correctement. Il a été découvert au 18ème siècle par les Européens en Australie, où les tribus aborigènes l'utilisaient lors de jeux d'adresse ou d'exercices.
L'invention du boomerang date de plus de 20 000 ans. On tentera, par cette étude, d'expliquer de manière plus synthétique ce phénomène qui reste pour la plupart bien peu naturel, et qui nous étonne encore.
Qu'est ce qu'un boomerang
Le boomerang est un projectile, souvent en bois, dont il existe aujourd'hui plusieurs sortes qui se différencient surtout par le nombre de pales, pouvant aller de 2 à 4 pales. Contrairement aux bipales, les quadripales et les tripales ont leur centre de gravité situé au centre du boomerang, ce qui rend leurs lancers plus faciles et leurs trajectoires plus stables. Les pales du boomerang présentent le même profil qu'une aile d'avion : elles possèdent un bord d'attaque, arrondi, qui fait face au vent relatif de la pale avançant, et un bord de fuite qui s'affine.
Les deux faces de la pale extrados et intrados sont différentes, la première étant bombée et présentant plus de surface que l'autre qui est plate.
1. Le boomerang vole
A. Portance et Traînée
Si l'on ne tient compte que du poids du boomerang et de la poussée initiale, le boomerang devrait uniquement perdre de l'altitude. Au contraire, celui-ci prend dans un premier temps de l'altitude avant de redescendre.
Pour expliquer cette montée, il est nécessaire de prendre en compte une autre force qui intervient lors du vol.
Cette force est appelée portance.
On remarque, pour certains profils, comme ceux des boomerangs, qu'il y a une force de même direction mais de sens opposé au poids qui est exercée lorsque le boomerang vole.
Cela s'explique par la forme de la pale qui est similaire à celle d'une aile d'avion.
C'est-à-dire que la pale est composée d'un bord d’attaque et d'un bord de fuite. La pale est bombée sur la face extrados et plate sur la face intrados. D'après le physicien Bernouilli, il y a autant de molécules d'air qui circulent à l'entrée de la pale qu'à la sortie de celle-ci.
Donc, on en déduit que l'air exerce une plus forte pression sur la face intrados que sur celle extrados.
p: Masse volumique du fluide en kg/m3
V: vitesse en m/s
S: Surface de référence en m2
C: coefficient de portance qui dépend de la forme de la pale et don son incidence.
Par rapport au plan du boomerang, l'air exerce deux forces, la portance et la traînée. Le vecteur de traînée est perpendiculaire à la portance.
Cette force est due à une différence de pression entre l'avant et l'arrière de la pale, et aux forces de frottements entre l'air et le boomerang.
Ces deux forces dépendent de la vitesse du boomerang. Plus le boomerang va vite, plus la portance et la traînée sont importantes.
L'addition de ces deux forces nous donnent la force aérodynamique.
2. Une trajectoire particulière
A. Phénomène gyroscopique
Lors du lancer du boomerang, le lanceur imprime une vitesse de rotation combinée à un mouvement de translation au centre de gravité du boomerang. On peut alors considérer le boomerang comme un objet gyroscopique (un gyroscope est un objet qui tourne autour d'un axe). C'est là qu'intervient la stabilité gyroscopique qui se crée grâce à sa vitesse de rotation et à son mouvement de translation.
De plus, dans le mouvement de rotation, le phénomène de précession gyroscopique joue un grand rôle. A chaque tour, le boomerang va se redresser et revenir à son équilibre de départ ce qui va permettre au boomerang de continuer son vol. Tour à tour, il va y avoir un mouvement de basculement et de redressement et, le retour, démarre grâce à ce phénomène de précession gyroscopique. Celle-ci va faire basculer le boomerang, dans un axe vertical. Le boomerang, tout au long de sa trajectoire, grâce à cette précession gyroscopique, va petit à petit tourner, jusqu’à obtenir une trajectoire circulaire, et revenir vers son lanceur.
A la fin, le boomerang n'a plus de rotation donc il va se poser. Par conséquent, si le lanceur ne met pas de rotation lors du lancer, le boomerang ne reviendra pas.
Lorsque l'on lance le boomerang à la verticale, beaucoup de force aérodynamique et beaucoup de force gyroscopique, lui sont imprimées. Au fil de son parcours, ces forces diminuent, sa stabilité diminue, il a donc tendance à se coucher (tout comme une toupie en fin de rotation). Ce qui est idéal pour le rattrapage.
Pour mieux comprendre cet effet, prenez une roue de vélo. Faites la tourner entre vos mains. Quand vous la penchez vers la droite ou vers la gauche, vous remarquez qu'une force s'exerce dans le sens contraire de celle que vous appliquez. La roue va appliquer une force pour redevenir droite. Cela s'appelle le phénomène gyroscopique.
B. Lancer
Le lancer va aussi compter sur la trajectoire du boomerang. Il a une position verticale et non horizontale (comme les Frisbee par exemple). Le lanceur doit maintenir son boomerang avec un angle de 20° et doit se tourner de 45° par rapport au vent.
Pour mieux comprendre l'importance du lancer, nous avons utilisé un simulateur.
Inclinaison de 20°
Inclinaison de 45°
