Richard Feynman věřil, že fyzice dokonale rozumí.
Jeho slavnou hádankou bylo, proč se standardní zahradní zavlažovač otáčí jedním směrem, ale obrácená verze – nasávání vody místo jejího vytlačování – se chová úplně jinak. Po celá desetiletí zůstával Feynmanův problém s sprinklery nevyřešený. Nikdo nedokázal přesně popsat jeho mechaniku.
Nyní byli vědci schopni dát definitivní odpověď. Nepoužili high-tech urychlovače částic ani aerodynamické tunely.
Používali „hloupé zavlažovače“, spirálovitá plastová zařízení, která děti každé léto točí na trávníku. Testováním těchto mimořádných vnitřních zařízení v reverzním režimu tým vědců z New York University a Colorado School of Mines konečně pochopil, jak tekoucí voda způsobuje otáčení předmětů.
Výsledky studie byly publikovány v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences.
Co je podstatou Feynmanova problému?
Na první pohled se úkol zdá jednoduchý.
Vezměme si standardní rotační zavlažovač. Tlak vody tlačí kapalinu přes šikmé trysky. Reakční síla způsobuje otáčení 臂 (ramena) zařízení. Třetí Newtonův zákon: akce a reakce. Zařízení funguje jako rotující raketa.
Nyní proces otočíme.
Přinuťme vodu, aby byla nasávána dovnitř stejnými tryskami. Jakým směrem se má postřikovač otáčet? Intuice velí, že by se měl otáčet v opačném směru ve srovnání se standardním zařízením.
Feynman s tím experimentoval v 80. letech. Nemohl dostat jasnou odpověď. Zařízení se sotva pohnulo.
Nový výzkum vysvětluje proč. Nejde o to, jak voda vstupuje do trysky. Otázkou je, co se stane, když se uvnitř centrální komory srazí dva proudy vody proudící dovnitř.
Jak tvar smyček řídí točivý moment vody
Předchozí experimenty používaly jednoduchá vodicí ramena ve tvaru S. To zanechalo mezery v teorii. Záleželo něco na tvaru trubky? Co když voda urazí delší dráhu?
Vědci vytvořili vlastní kolekci postřikovačů. Velmi měnili svou geometrii: smyčky, zatáčky, klikaté cesty.
Každý design byl testován ve dvou režimech:
- Přímý: stříkání vody směrem ven.
- Reverzní: nasávání vody uvnitř.
To jim umožnilo přesně měřit točivý moment. Kroutící moment je síla otáčení, která způsobuje zatáčení. Sledovali také pohyb vody uvnitř a vně trubek.
Údaje byly jasné.
Proč zvítězila teorie toku hybnosti
Dvě staré teorie neobstály při zkoumání.
Jeden z nich, navržený Ernstem Machem v 80. letech 19. století, uváděl, že kapalina víří jedním směrem a vodník v druhém. Nové experimenty ukázaly, že tato teorie nevysvětluje naměřenou rotaci ani točivý moment.
Další teorie se zaměřila na vodu proudící kolem vnějšku rukou napáječe. Feynman také zvažoval tuto možnost. Ukázalo se, že je to jedno. Vnější proudění neovlivnilo pohyb.
Místo toho zvítězila teorie toku hybnosti.
Jak to funguje:
Při nasávání vody vstupují do centrální komory dva proudy z opačných stran. Nesráží se dokonale čelně. Je tam mírný posun. Vznikne kolizní zóna. Tato nerovnováha vytváří čistou sílu. Tato síla tlačí postřikovač a způsobuje jeho otáčení.
Funguje to jako raketa zevnitř ven.
“Tato práce poskytuje experimentální odpověď na Feynmanův problém sprinklerů tím, že ukazuje, jak tok momentu hybnosti řídí rotaci různých typů sprinklerů,” řekl Leif Ristroph z New York University.
Záleží na tom mimo dvůr?
Nejde jen o dětské hry na trávníku.
Pochopení toho, jak tekutiny působí na rotující tělesa, je základní výzvou ve strojírenství. Turbíny, čerpadla a lodní vrtule se spoléhají na přeměnu proudění kapaliny na mechanickou energii.
Brennan Sprickle z Colorado School of Mines uvedla, že výsledky poskytují „spolehlivější vhled“ pro navrhování podobných zařízení. Pokud přesně víte, jak tvar řídí tok hybnosti, můžete vytvořit účinnější turbíny. Budete schopni předvídat jejich chování v turbulentních podmínkách.
Tým také zjistil, že změna tvaru rukou umožňuje kontrolu. Vodní trysky lze nastavit pro ovládání točivého momentu. To je užitečná znalost pro inženýry, kteří chtějí optimalizovat přeměnu energie.
Takže až příště uvidíte „hloupého zavlažovače“ poletovat po trávě, nesmějte se.
Sledujte smyčky. Přemýšlejte o střetu uvnitř. Možná čelíte fyzickému sporu, který trvá již více než století.
