Récemment, je me suis pris de jeu sur les objets volants en papier, notamment le boomerang. J’ai trouvé comment le plier et le faire voler avec succès. N’étant pas vachard pour deux sous, j’ai réalisé une petite vidéo avec démonstration de vol à la fin. Il y a une étape délicate de pliage. Une fois celle-ci assimilée, la création du boomerang ne pose pas de problème. A toi ensuite de varier le type de papier et la taille du boomerang.

Comment ça vole ?

Le boomerang est un des objets les plus bizarres jamais conçus. Si l’objet en lui-même est très simple, les lois physiques qui conditionnent son vol et son retour sont très compliquées. Pour simplifier à l’extrême, le boomerang se comporte en vol comme un rotor d’hélicoptère, réalise son amorce de retour comme un avion en virage puis garde son équilibre et se redresse comme une toupie en rotation.

Description physique

Prenons le cas d’un boomerang classique en forme de cintre. Il possède un profil sur chaque aile et qui comprend un bord de fuite (à l’arrière) et un bord d’attaque (à l’avant). Le profil de chaque aile du boomerang est alterné pour qu’il puisse avancer.

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De plus, les ailes du boomerang sont en général profilées comme des ailes d’avion avec une partie supérieure bombée (extrados) et une partie inférieur plate (intrados).

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Les forces exercées

Cette forme particulière entraîne la création de deux forces :

• La portance qui permet de soulever l’objet. C’est une force verticale et dirigée vers le haut.
• La traînée qui freine le mouvement. C’est une force horizontale et dirigée vers l’arrière.

La résultante de ces 2 forces s’appelle la poussée. C’est une force horizontale dirigée vers l’avant. Elle diminue quand la traînée augmente et vice-versa. N’oublions pas non plus le poids, force verticale dirigée vers le bas, qui contrebalance la portance.

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Le lancer du boomerang

D’abord, le boomerang est lancé quasiment à la verticale, légèrement penché sur le côté et un peu vers le haut pour compenser le poids. Il doit être également face au vent, dans un angle d’environ 45 degrés par rapport à la direction de celui-ci. Plus le vent est fort, plus l’angle sera important.

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Les types de vitesses

Que se passe-t-il à ce moment là ? Le boomerang est soumis à deux types de vitesses :

• Une vitesse de rotation : le boomerang tourne sur lui-même. Elle est donnée par le mouvement du poignée.
• Une vitesse de translation : le boomerang avance dans l’air. Elle est initiée par le mouvement du bras.

Durant la trajectoire, chaque point du boomerang a une vitesse qui lui est propre. Elle correspond à la somme des vitesses de translation et de rotation. Ainsi, ces deux vitesses se cumulent positivement pour le point situé à l’extrémité de la pale dite « avançante ». Et c’est le contraire pour le point situé à l’extrémité de la pale dite « reculante ». Ce qui fait que la pale avançante a une vitesse supérieur à la pale reculante.

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Le phénomène gyroscopique

Tu as sans doute remarqué que la toupie garde sa stabilité grâce à sa rotation. C’est la stabilité gyroscopique qui se définit comme suit : tout objet qui tourne autour de son axe a la faculté de maintenir son axe de rotation dans une direction donnée. C’est le même phénomène pour le yo-yo, le diabolo et le frisbee (lire mon article Pigeon vole, frisbee vole !). De même, pour qu’un ricochet rebondisse sur l’eau, il faut obligatoirement imprimer à la pierre une rotation importante de façon à qu’elle garde un angle d’attaque constant dans une direction donnée (lire mon article Les ingrédients d’un bon ricochet).

La rotation du boomerang lui assure la stabilité en vol. Sauf que la portance s’en mêle en aspirant la face bombée (extrados) des pâles vers la gauche puisque le boomerang a été lancé presque à la verticale. La trajectoire s’incurve alors vers la gauche. Et avec la gravité, également vers le bas. Sauf que le boomerang se comporte comme une toupie : il va se redresser pour retrouver son équilibre de départ et donc relever sa trajectoire. Le vol continue et ça recommence : mouvement de bascule vers la gauche et le bas avant de se redresser. C’est la précession gyroscopique qui intervient à chaque rotation.

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Retour au point de lancer

Ensuite, le boomerang revient vers le lancer couché à l’horizontale. C’est comme la toupie, il finit par perdre toute son énergie et sa rotation à cause de la traînée. Rappelle-toi cette perturbation de l’air derrière le passage de la pale avançante. Elle est toujours là quand arrive la pâle reculante. Il y a frottements contre l’air, sa portance est alors moins forte et donc moins efficace, ce qui entraîne une perte d’énergie. Pour résumer, l’effet gyroscopique et la précession gyroscopique sont complémentaires : le premier permet au boomerang de rester continuellement actif autour de son centre de gravité et le deuxième permet à l’objet de revenir vers son lanceur.

Et en simulation ?

Compliqué hein ? D’ailleurs, il est très difficile de réaliser une simulation car à chaque seconde le boomerang modifie son vol et son placement dans l’espace par rapport à un point de référence (le référentiel). Avec un avion, il suffit de tester une maquette dans une soufflerie. Les phénomènes aérodynamiques sont visualisés et mesurés avant de modifier certains paramètres. Comment faire de même pour le boomerang qui change sans cesse ? Ceci explique que pendant très longtemps, sa fabrication se faisait au pifomètre. Et encore maintenant j’en suis sûr.

Sauf que !

Tout ce discours n’explique pas à mon goût mon boomerang en papier dont j’ai montré le pliage dans la vidéo ci-dessus. Ben oui, d’une part , il n’y a pas de face bombée, les pâles ne sont pas similaires aux ailes des avions. D’autre part, ce boomerang est lancé à l’horizontale, pas à la verticale. Et ça marche quand même ! Que dire également des boomerangs très originaux de Pierre Boillon ? Voici un aperçu de ses technique de fabrication.

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Non, le boomerang n’a pas fini de délivrer tous ses mystères. En attendant, je vais continuer à frimer avec mon p’tit boomerang en papier. C’est bien plus classe que l’avion en papier ultra classique !