Richard Feynman creía saber física.
Es famoso por preguntarse por qué un aspersor de césped estándar gira en una dirección pero al revés (succionar agua en lugar de dispararla) se comporta de manera tan diferente. Durante décadas, el “problema de los aspersores Feynman” permaneció abierto. Nadie podía ponerse de acuerdo sobre la mecánica.
Ahora, los investigadores lo han resuelto. No utilizaron aceleradores de partículas de alta tecnología ni túneles de viento.
Usaron “aspersores tontos”. De esos que tienen tubos de plástico en espiral y bucles que los niños arrojan al césped cada verano. Al probar estos extravagantes dispositivos de jardín a la inversa, un equipo de la Universidad de Nueva York y la Escuela de Minas de Colorado finalmente descubrió cómo el agua que fluye hace girar los objetos.
Los resultados aparecieron en Proceedings of the National Academy of Sciences.
¿Qué pregunta realmente el aspersor de Feynman?
Suena sencillo.
Tome un aspersor giratorio estándar. La presión del agua empuja el líquido fuera de las boquillas en ángulo. La fuerza de reacción hace girar el brazo. Tercera ley de Newton. Acción y reacción. Funciona como un cohete giratorio.
Ahora inviértelo.
Chupa el agua adentro a través de esas mismas boquillas. ¿En qué dirección debería girar? La intuición sugiere que debería girar en la dirección opuesta a la del aspersor estándar.
Feynman intentó esto en los años 1980. No pudo obtener una respuesta clara. El dispositivo apenas se movió.
El nuevo estudio explica por qué. No se trata de que el agua entre en la boquilla. Se trata de lo que sucede cuando dos chorros de agua que fluyen hacia adentro chocan dentro de la cámara central.
Cómo las formas de bucle controlan el par de agua
En experimentos anteriores se utilizaron brazos simples en forma de S. Eso dejó lagunas en la teoría. ¿Importaba la forma del tubo? ¿Y si el agua tomara un camino más largo?
Los investigadores construyeron su propia colección de aspersores. Variaron enormemente la geometría. Bucles. Curvas. Caminos sinuosos.
Probaron cada diseño en dos modos:
- Adelante: Rociando agua.
- Reversa: Aspirando agua.
Esto les permitió medir el par con precisión. El par es la fuerza de torsión que provoca la rotación. También rastrearon cómo se movía el agua dentro de los tubos versus el exterior.
Los datos eran claros.
Por qué Momentum Flux supera a otras teorías
Dos teorías más antiguas fracasaron bajo escrutinio.
Uno de ellos, propuesto por Ernst Mach en la década de 1880, sostenía que el fluido gira en un sentido mientras que el aspersor gira en el otro. Los nuevos experimentos demostraron que esto no tenía en cuenta la rotación o el par medido.
Otra teoría se centró en el agua que fluye alrededor del exterior de los brazos del aspersor. Feynman había considerado esto. Resultó ser irrelevante. El flujo exterior no afectó el movimiento.
En cambio, ganó la teoría del flujo de impulso.
Así es como funciona:
Cuando se aspira agua, dos chorros entran en la cámara central desde lados opuestos. No se golpean perfectamente de frente. Hay una ligera compensación. Se forma una zona de colisión. Este desequilibrio crea una fuerza neta. Esa fuerza empuja al aspersor a girar.
Funciona como un “cohete de adentro hacia afuera”.
“Este trabajo proporciona la respuesta experimental al problema de los aspersores de Feynman al mostrar, en todos los tipos de aspersores, cómo el momento angular fluye impulsa la rotación de los aspersores”, dijo Leif Ristroph de la Universidad de Nueva York.
¿Importa esto fuera del patio trasero?
No se trata sólo de juegos de césped.
Comprender cómo los fluidos aplican fuerza a los cuerpos en rotación es una ingeniería fundamental. Las turbinas, las bombas y las hélices marinas dependen de la conversión del flujo de fluido en energía mecánica.
Brennan Sprinkle de la Escuela de Minas de Colorado señaló que los hallazgos ofrecen una “comprensión más firme” para diseñar tales dispositivos. Si sabes exactamente cómo la forma controla el flujo de impulso, podrás construir mejores turbinas. Puedes predecir cómo se comportarán en condiciones turbulentas.
El equipo también descubrió que ajustar la forma del brazo permite tener control. Puede modificar los chorros de agua para gestionar el par. Se trata de un conocimiento útil para los ingenieros que intentan optimizar la conversión de energía.
Así que la próxima vez que veas un aspersor tonto girando sobre el césped, no te limites a reírte.
Mira los bucles. Piense en la colisión interna. Podría estar resolviendo un debate sobre física que data de un siglo de antigüedad.
