Richard Feynman pensait connaître la physique.
Il s’est demandé pourquoi un arroseur de pelouse standard tourne dans un sens alors que son sens inverse (aspirer l’eau au lieu de la projeter) se comporte si différemment. Pendant des décennies, le « problème des arroseurs Feynman » est resté ouvert. Personne n’était vraiment d’accord sur la mécanique.
Maintenant, les chercheurs ont réglé le problème. Ils n’ont pas utilisé d’accélérateurs de particules de haute technologie ni de souffleries.
Ils ont utilisé des « arroseurs idiots ». Le genre avec des tubes en plastique en boucle et en spirale que les enfants jettent sur les pelouses chaque été. En testant ces appareils originaux dans le jardin à l’envers, une équipe de NYU et de la Colorado School of Mines a finalement compris comment l’eau qui coule fait tourner les objets.
Les résultats sont apparus dans Proceedings of the National Academy of Sciences.
Que demande réellement l’arroseur de Feynman ?
Cela semble simple.
Prenez un arroseur rotatif standard. La pression de l’eau pousse le liquide hors des buses coudées. La force de réaction fait tourner le bras. Troisième loi de Newton. Action et réaction. Cela fonctionne comme une fusée rotative.
Maintenant, inversez-le.
Aspirez l’eau dedans à travers ces mêmes buses. Dans quel sens doit-il tourner ? L’intuition suggère qu’il devrait tourner dans la direction opposée à celle de l’arroseur standard.
Feynman a essayé cela dans les années 1980. Il n’a pas pu obtenir de réponse claire. L’appareil bougeait à peine.
La nouvelle étude explique pourquoi. Il ne s’agit pas de l’eau qui pénètre dans la buse. Il s’agit de ce qui se passe lorsque deux jets d’eau s’écoulant vers l’intérieur entrent en collision à l’intérieur de la chambre centrale.
Comment les formes de boucle contrôlent le couple de l’eau
Les expériences précédentes utilisaient de simples bras en forme de S. Cela a laissé des lacunes dans la théorie. La forme du tube était-elle importante ? Et si l’eau prenait un chemin plus long ?
Les chercheurs ont construit leur propre collection de gicleurs. Ils ont énormément varié la géométrie. Boucles. Courbes. Des chemins sinueux.
Ils ont testé chaque conception selon deux modes :
- Avant : Pulvérisation d’eau.
- Reverse : Aspirer de l’eau.
Cela leur a permis de mesurer le couple avec précision. Le couple est la force de torsion qui provoque la rotation. Ils ont également suivi la façon dont l’eau se déplaçait à l’intérieur des tubes par rapport à l’extérieur.
Les données étaient claires.
Pourquoi Momentum Flux bat les autres théories
Deux théories plus anciennes ont échoué à l’examen.
L’un d’entre eux, proposé par Ernst Mach dans les années 1880, affirmait que le fluide tourbillonnait dans un sens tandis que l’arroseur tournait dans l’autre. Les nouvelles expériences ont montré que cela ne tenait pas compte de la rotation ou du couple mesuré.
Une autre théorie se concentrait sur l’eau circulant autour de l’extérieur des bras d’arrosage. Feynman y avait réfléchi. Cela s’est avéré sans importance. Le flux extérieur n’a pas affecté le mouvement.
Au lieu de cela, la théorie du flux d’impulsion a gagné.
Voici comment cela fonctionne :
Lorsque l’eau est aspirée, deux jets pénètrent dans la chambre centrale par des côtés opposés. Ils ne se frappent pas parfaitement de front. Il y a un léger décalage. Une zone de collision se forme. Ce déséquilibre crée une force nette. Cette force pousse l’arroseur à tourner.
Il fonctionne comme une « fusée à l’envers ».
“Ce travail fournit la réponse expérimentale au problème des arroseurs de Feynman en montrant, pour tous les types de gicleurs, comment le moment cinétique détermine la rotation des arroseurs”, a déclaré Leif Ristroph de NYU.
Est-ce important en dehors de la cour ?
Il ne s’agit pas seulement de jeux sur pelouse.
Comprendre comment les fluides appliquent une force aux corps en rotation est une ingénierie fondamentale. Les turbines, les pompes et les hélices marines reposent toutes sur la conversion du flux de fluide en énergie mécanique.
Brennan Sprinkle de la Colorado School of Mines a noté que les résultats offrent une « compréhension plus solide » de la conception de tels dispositifs. Si vous savez exactement comment la forme contrôle le flux de quantité de mouvement, vous pouvez construire de meilleures turbines. Vous pouvez prédire comment ils se comporteront dans des conditions turbulentes.
L’équipe a également constaté que la modification de la forme du bras permet un meilleur contrôle. Vous pouvez modifier les jets d’eau pour gérer le couple. C’est une connaissance utile pour les ingénieurs qui tentent d’optimiser la conversion d’énergie.
Alors, la prochaine fois que vous verrez un stupide arroseur tourner sur l’herbe, ne vous contentez pas de rire.
Regardez les boucles. Pensez à la collision à l’intérieur. Cela pourrait simplement résoudre un débat de physique vieux d’un siècle.
