¿Por qué las flechas de tiro con arco se inclinan hacia abajo en su descenso?

La misma razón por la que los objetos que son más pesados ​​por un lado tienden a caer con el lado más pesado hacia abajo: la punta de la flecha es más densa que el resto de la flecha. El centro de gravedad está desplazado de su centro geométrico, por lo que la resistencia del aire, que se basa en la geometría del objeto, provoca un par junto con la gravedad, como se ve en esta imagen muy profesional de un cuerpo que cae hacia abajo.

Aire.

De hecho, la conservación del momento angular dicta que cualquier rotación con la que comience debe terminar, siempre que nada más actúe sobre ella. El aire permite que su impulso de avance actúe sobre él.

Considere una veleta, una manga de viento o una bandera. Giran cuando no están de cara al viento porque un lado presenta más resistencia al viento que el otro. Una vez que se minimiza la resistencia al viento al mirar hacia el viento, se estabilizan.

Considere una bala de cañón en un día sin viento. Como cualquier objeto balístico, viaja en una parábola (o casi una, considerando la resistencia del aire). A lo largo de su trayectoria, ¿la dirección del flujo de aire que experimenta no cambia de acuerdo con su trayectoria?

Este gráfico podría verse como la trayectoria de un proyectil y como un campo vectorial para la fuerza del flujo de aire (o viento relativo) experimentada por ese proyectil en diferentes puntos a lo largo de su trayectoria.

Considere enviar TP a la casa de alguien (pero no a la mía, por favor). Si desenrolla parte del papel higiénico del rollo antes de tirarlo, ¿no muestra el papel la dirección en la que pasa el viento (en relación con) el rollo?

Considere una flecha. ¿Por qué debería ser diferente?

Ah, pero considera un palo. Lanza un palo y no gira contra el viento. ¿Por que no? Porque la resistencia al viento es la misma en ambos lados. Así que ninguno gana.

Se trata de dónde está el centro de masa (por lo tanto, dónde gira) y qué lado de ese centro ofrece más resistencia al viento.

En cuanto a las flechas, la masa de la punta pone el centro cerca del frente, lejos de las emplumas. La cabeza ofrece poca resistencia al viento.

El emplumado ofrece mucho cuando no está en línea. Dado que las plumas están lejos del centro de masa, también tiene un buen apalancamiento a la antigua.

Incluso sin emplumar, la vara ofrece resistencia al viento. Más eje en un lado del centro de masa significa más resistencia al viento en ese lado. El extremo con más resistencia al viento en su lado del centro se convierte en la cola de la flecha.

Si no me crees, balancea una flecha en tu dedo y sopla sobre ella. Acabas de hacer una veleta.

Algún día podrías disparar flechas a la luna sin aire. No creo que los encuentre aterrizando de cabeza de manera confiable.

En las películas, las flechas que se lanzan al aire giran de modo que durante el descenso, la punta de la flecha toca el suelo primero. ¿Cuál es la fuente de este momento angular?

Una flecha disparada a la Luna no haría eso. El aire y la geometría de la flecha son clave. Una flecha que vuela por el aire está sujeta a dos fuerzas, la gravedad y la resistencia aerodinámica. La gravedad no hará que una flecha gire durante el curso de su vuelo. La gravitación da como resultado una trayectoria curva por el centro de masa, pero no hace un giro de flecha. La resistencia aerodinámica hace que una flecha o un cohete correctamente diseñados sigan una trayectoria de ángulo de ataque cero (o casi cero). El ángulo de ataque de un objeto volador es el ángulo entre el vector de velocidad del objeto con respecto al aire y una línea de referencia en el objeto. En el caso de una flecha, esa línea de referencia está a lo largo del eje de la flecha.

La característica clave que hace que una flecha o cohete sea estable con respecto a las desviaciones del ángulo de vuelo deseado es que el centro de presión, el punto en el que actúan efectivamente las fuerzas de arrastre, esté detrás del centro de masa. Supongamos que una flecha vuela con un ángulo de ataque pequeño pero distinto de cero. Esto hará que la fuerza de arrastre tenga un componente que sea normal al eje de la flecha, lo que dará como resultado un par en la flecha. Si el centro de presión está por delante del centro de masa, este par hará que la flecha se aleje aún más de un ángulo de ataque cero. Esto es inestable; tal flecha (o cohete) intentaría dar la vuelta. Con el centro de presión detrás del centro de masa, este par hará que la flecha gire hacia un ángulo de ataque cero.

Una flecha tiene una punta de flecha algo pesada en la punta que normalmente coloca el centro de gravedad frente al centro geométrico de la flecha. Los arqueros a veces agregan pesos dentro del eje de la flecha para mover el centro de masa. La cabeza en sí ofrece algo de resistencia, pero la mayor parte de la resistencia proviene del propio eje de la flecha. Esto, naturalmente, coloca el centro de presión detrás del centro de masa, incluso para flechas sin emplumar.

Fletching hace que una flecha se comporte mejor, pero no es esencial. Agregar emplumado mueve el centro de presión considerablemente más hacia atrás que el centro de masa. Esta es una de las razones por las que las flechas emplumadas son más estables que las flechas sin emplumar (también llamadas flechas desnudas). Otra cosa que hace el fletching es hacer que la flecha gire sobre el eje del eje, agregando estabilidad giroscópica.

Como señaló dmckee en su comentario, cualquiera (incluyéndome a mí) que haya practicado el arco y la flecha conoce la flecha por el peso y la inspección de las plumas. Como señala mi corrector de inglés, fletch no parece ser una palabra muy común: significa esa pluma al final del dardo/flecha. Todo se resume a lo bueno que es el emplumado.

Cuando se dispara, la flecha quiere, como cualquier otro objeto, girar alrededor de su centro de masa. No importa si el centro de masa está más cerca de la punta o del final de la flecha, la pluma aumentará la resistencia del aire en direcciones perpendiculares a la velocidad instantánea de la flecha, lo que hará que sea más difícil girar alrededor del centro de masa. Si la punta es más pesada que el final, la flecha comienza a descender de punta, pero es la pluma la que sostiene esa dirección de vuelo; si la punta no es más pesada y el peso está equilibrado, la flecha todavía vuela bastante bien; si el peso está al final de la flecha, simplemente se vuelve loco. Ahora bien, otra función de la empluma es hacer girar la flecha sobre su eje (esto aumenta aún más la estabilidad, ya que la flecha adquiere momento angular axial),

Algo que también hay que señalar es que la distribución del peso, la resistencia del material y el flething también se calculan para predecir el efecto que provoca la paradoja del Arquero . El equilibrio entre el peso de la punta y el emplumado es fundamental, pero los arcos modernos tienen un diseño que prácticamente elimina la flexión de la flecha (arcos de tiro central).

¡Lo ideal sería que la flecha saliera volando como un coche de carreras con el paracaídas desplegado!
Una flecha bien diseñada debe tener estas propiedades.
1- Punta afilada y proporcionalmente pesada para aceptar un gran impulso y entregarlo como energía cinética E= mv^2/2
2- Vástago largo y balanceado para acomodar un gran arco y mantener la separación entre la punta y las plumas.
3- un emplumado aerodinámicamente bien diseñado para mantener la flecha recta y también proporcionar la pequeña cantidad de arrastre necesaria para mantener el extremo de la flecha siempre estable detrás de la punta y evitar que el vástago se desoriente.
La razón por la cual la mosca de la flecha se alinea en su arco es el pequeño arrastre creado al colocarla siempre alineada con su trayectoria, al igual que la pelota de bádminton.
¡En el diseño aerodinámico, este esquema de instalar el timón y los elevadores al final del fuselaje para lograr estabilidad es una práctica común! ¡Todos los aviones lo tienen como empenaje o cola!