飛去來器（Boomerang），又稱回飛棒、飛旋鏢、迴旋鏢或回力鏢，一種擲出後可以利用空氣動力學原理飛回來的打獵用具，曾作為一些地區土著的狩獵工具。其中澳大利亞原住民的最為著名，此外在東非、印度的原住民和美洲的印第安人中也有使用。飛去來器繞著弧形軌道飛行，在不使用其他的工具的情況下，以最短的時間飛出最長的距離。
基本介紹
- 中文名：飛來去器
- 外文名：Boomerang
- 又稱：回飛棒、飛旋鏢
- 原理：空氣動力學
簡介,原理介紹,
簡介
有兩種飛來去器：第一種是射出後能返回的，另一種是不能返回的。第一種的構造使它能在投出一定距離後飛回投擲者處。澳大利亞的土著居民能將它投至50公尺高、100公尺遠，在落地之前能整整飛行5圈。不能返回的飛來去器對獵人較適用，它能投擲至150公尺遠的地方。
飛來去器
飛來去器簡單的飛來去器形狀像一隻彎曲的香蕉。這樣奇特的形狀有什麼作用？能返回的飛來去器能取X形或Y形嗎？大多數的飛來去器都製成供右手投擲的，若用左手投擲，它的形狀應該如何？為什麼飛來去器能返回？為什麼它能畫出一個蝴蝶結的形狀軌跡？投擲者通過怎樣的技巧來規定它的飛行路線？
分析：右手投擲的飛來去器向垂直面上投去，它會沿著一條水平的軸旋轉。因為它的形狀是一種翼形，所以受到一個側面的推力。這一推力在上部比下部強。因為上半部向飛行的方向旋轉，而下半部卻以相反的方向旋轉。這構成了一個力矩，使飛來去器向左轉，並且在垂直的方向上繼續飛行。如果彎轉得夠大，就能飛出一個圓形軌道。
飛來去器象飛機機翼一樣的工作原理，要它能飛回來，得加個迴旋力，這與空氣動力學有關；
原理介紹
飛去來器飛出去又能回飛的原因，主要在鏢臂的截面形狀及其自旋。沒有這兩點特性，飛去來器就和其他丟出去的木棍沒有兩樣。鏢臂的截面形狀使飛去來器所受的空氣升力和機翼相同，而鏢的自轉則令鏢身穩定。由轉動力學知道，飛去來器和陀螺一樣，其自轉軸也繞鉛直線旋轉。升力及穩定性使飛去來器上升，而其自旋軸之轉動則令飛去來器回飛。
欲了解升力，可以傳統機翼的簡單模型來解釋。傳統機翼底部平坦，前緣較鈍，後緣銳利而頂部凸出。流經機翼頂上的氣流較流經底部者快。其理由可將流過的空氣分為兩類來看，一類是氣流中沒有迴旋，並且在機翼上下方的速率相同；另一類則是循環型，氣流由頂面流向末端，再循底部回到前端。因為空氣對機翼表面的黏滯和附著力，所以氣流由頂面流至末端時產生此一循環。
此二理想化氣流重疊，其速度在機翼上方相加，在機翼下方則相減。結果，實際的空氣速率是上方大於下方。因為氣壓和氣流速率成反比（此種差別對升力十分重要），故機翼上方之大壓力小於下方，因此機翼獲得向上之推力。（實際機翼之氣流形態，較此要複雜得多，甚至飛機高速飛行時，向上微傾以下壓空氣的機翼底部，亦因受氣流之撞擊，而獲得部分升力。）
如果機翼朝氣流的方向傾斜，使氣流正射在彎曲的頂部，升力當然會減小，這種入射方式叫負攻角。升力減小的緣故是入射氣流有施於上表面的下壓力；也可說部分升力消失是因為氣流迴繞機翼的趨勢減弱，而且機翼上下的氣流速率差減少了。相反的，如果機翼傾斜，使氣流稍微正射平坦的底部，這種情況就叫正攻角，因氣流向上推會使升力增加，氣障也增加。如果角度太大，不利的氣障遞升就會超過有利之升力，所以飛去來器鏢臂迎向氣流的角度，對其飛行十分重要。
鏢臂的截面形狀很多，但大部分都類似傳統機翼。這種形狀通常包括飛去來器旋轉時挺進氣流的鈍邊和尾隨的銳邊。經常一面是平的，一面是凸的。以此為基本形狀的變化很多，然而，卻少有人系統地研究，到底何種形狀在氣體動力學上最好。有些飛去來器兩邊都是平的，但在飛行中，以扭轉鏢臂來使氣流偏向。
飛去來器與傳統機翼之升力有一主要的不同。在最初的飛行中，“升力”幾乎是水平的，向上的力只夠平衡飛去來器的重量。因為飛去來器繞水平軸旋轉，鏢臂的彎曲部分就在近乎鉛直的面上旋轉，其升力亦近乎水平。為了簡化，以下的討論將不計飛去來器的重量，並假設飛去來器是由慣用右手的人擲出。於是旋轉平面在開始時完全鉛直，升力朝拋擲者的左方，鏢在鉛直面上繼續旋轉而向左飛去。如果只是這樣，飛去來器就永遠飛不回來了。要知道為什麼它會回飛，就必須先了解還有什麼升力作用在鏢上，尤其要知道由升力產生的力矩，如何導致旋轉平面的進動。假設飛去來器的一臂已到達最高點，而另一臂幾乎在最低點（指的是香蕉形的飛去來器）。上臂旋轉方向與鏢的中心點速度同向，而下臂則反向旋轉。流經上臂的空氣速率較下臂的快（從鏢臂來看），因此上臂產生的升力較大。飛去來器在自旋中，上半部始終受較大的升力，因此比下半部受到更大的側向推力。首先想到的是，水平的升力差（在上臂較大）會使飛去來器的自旋面傾斜，升力方向朝下（結果損失慘重）。然而實際情形是，升力差使得飛去來器繞一鉛直軸旋轉，把鏢往回帶的正是自旋平面的轉動，通常叫做進動。
要了解進動的原因，就必須研究升力產生之力矩。令飛去來器繞其中心自旋（事實上，雙臂飛去來器自旋時所繞的是質心，並非鏢身正中心，但那並不影響討論的結果），上臂平均升力由其中水平向外；同樣的，也令下臂平均升力由其中心水平向外。此二升力之一所產生的力矩，是升力與鏢心到力作用點距離（即上臂之一半長度）的乘積。上臂因有較大的升力，故所產生的力矩較大。如果飛去來器不自旋，此力矩差只會使其平面傾轉。因上臂有較大的力矩，由拋擲者看來，平面呈反時針方向傾轉，然而飛去來器是自旋的，結果就大大的不同。因為這樣，所以產生了角動量、而自旋平面傾斜之趨向使它自己繞鉛直軸旋轉。
角動量是飛去來器自旋速率和某一函式的乘積，此函式包含質量與質量分布。例如，想像你要轉動載了幾個小孩的旋轉木馬，則所加的力矩是旋轉木馬的半徑與其邊緣相切之力的乘積。開始的時候，力矩使旋轉木馬產生一角加速度，自旋從零增到某一終值。要如何安排這些孩子，使得能以最小的力達到某一給定的角加速度？直覺上，你會把孩子安排在靠近中央的地方。質量當然是相同的，但是對旋轉中心來說，質量分布卻不同，質量靠近中心時，木馬就容易轉動。考慮質量與其分布的函式，即所謂轉動慣量，質量愈大或離中心愈遠，其轉動慣量就愈大，要達到某一角加速度所必須施的力就愈大。
旋轉木馬只要一轉動，你不再施力於其邊緣，因自旋和轉動慣量，它就有一角動量，通常是以一垂直轉動平面的向量來表示角動量。在這裡，此向量必為鉛直，其方向（向上或向下）以搭便車的手勢，右手伸直的拇指表示，其他四指循物體旋轉之方向捲曲。要改變此向量之大小與方向，就要對物體另施一力矩。如為旋轉木馬，就在邊緣上再加一推力。（如何畫出角動量改變之向量，其規定是，右手食指由旋轉中心指向施力點，中指則指向施力方向。如令拇指與上二指垂直，自然地它就指向角動量改變之方向。新的角動量向量為先前向量與其改變向量二者之和。）在旋轉木馬邊緣加一切線力，新的角動量向量仍為鉛直，而其增大或減小依旋轉木馬欲變快或變慢之目的而定。
旋轉中的飛去來器有二個力矩施於臂上，一個是由上臂平均升力所產生；另一個則為下臂之平均升力所產生。因為上臂之升力較大，就以它來決定角動量，因此將不計下臂之升力（如果加上較小之升力，結果亦同）。假想以右手拋出飛去來器後，它逐漸遠去，在鉛直面上自旋，角動量的向量向左指，當飛去來器繼續飛行時，上臂之平均升力產生的力矩，就會改變角動量向量的方向。要決定向量的改變方向，可以右手手指的適當指向來表示。食指從飛去來器中心指向上臂之中心，中指指向上臂升力之方向（即你的左方），則伸直的拇指就指向你。因此，表角動量改變的向量就指向你。用俯瞰的方式最能看出向量改變與原向量的和，向量改變與原向量垂直，合成一新向量，方向比原向量更指向你。因為向量改變與原向量垂直，角動量的大小不變，只是方向改變了，使它繞一鉛直軸旋轉。這種角動量方向的旋轉稱為進動，可由陀螺的軸繞鉛直軸旋轉看出來。
另一進動的通俗例子是機車的轉彎，機車輪的轉動速率甚大，有夠大的轉動慣量使得角動量很大。要使機車轉動，不能像腳踏車轉彎一樣，只是轉動把手，還要使機車向轉彎的方向傾斜。機車受到的力矩，使車輪的角動量產生進動，才能使整個機車轉彎。在自旋平面的進動時，飛去來器以某一速率沿一路徑飛行，但不斷地受到水平升力而轉向。因而路徑接近一圓周。
在一成功的飛行中，飛去來器自旋平面的進動速率，與其繞一圓周路徑之速率同步，其攻角略維持一正值。使攻角維持一適當的值，在此種速率同步的配合上是必須的。假設飛去來器進動大慢，則當它在路徑上飛行時，其繞一鉛直軸旋轉的自旋平面轉速，較鏢身整體沿路徑飛行之速率為慢。自旋平面落後時，其攻角逐漸地變負，飛去來器就失去升力。如自旋平面旋轉得太快，其繞鉛直軸之轉速就較鏢身整體沿大圓路徑飛行之速率為快。結果攻角就逐漸變正，直到自旋平面與接近的氣流垂直，於是飛行即被氣障破壞無遺。進動率與飛去來器沿大圓路徑飛行的速率，兩者的吻合併不難，事實上，在某種程度來說，還是自動完成的，因為二者都靠升力。拋擲飛去來器，用砂紙磨，並改造鏢臂，再試擲，直到幾乎吻合而飛去來器能回飛為止。
飛去來器之圓周路徑與拋擲它的速率無關，只有轉動慣量和飛去來器的截面形狀，才能決定飛行路徑的半徑。因此一個飛去來器，不管你用力多大（在假定的鉛直面上作相同的投擲）；其路徑總是不變的（當然，假設用的力足以飛完全程）。如果要改變圓周路徑的大小，通常必須換個不同轉動慣量或截面形狀的飛去來器。然而也可以在鏢臂加上載物來增加轉動慣量，這種技巧是想打破拋遠紀錄的人用的。飛盤也是以同樣的方式飛行。它有一個彎曲的頂面，以手腕的扭甩使其旋轉，由空氣的撞擊或經由上下表面氣流速度之不同而獲得升力。飛盤適當地在幾乎鉛直的平面拋擲，也會像飛去來器一樣的回飛。可是，飛盤通常是稍微彎曲地拋給另一個人，因此拋擲者只要定個自旋平面，給與足夠達到此一彎曲路徑的水平升力就成了。飛去來器和飛盤都可輕觸地面而不影響飛行。假想飛盤以前緣向下微傾，掠地而過。前緣擦到地上，地面與飛盤的接觸點給予飛盤一力矩，並改變其角動量，但此改變向量幾乎和原來的角動量垂直，所以新的角動量是由原先的向量旋轉而得。除了方向，角動量的值改變並不大，因此飛盤並不會慢多少，只是重新定向，朝新方向飛行罷了。
