Richard Feynman pensava di conoscere la fisica.
È noto che si chiedeva perché un irrigatore per prato standard giri in un senso ma il suo contrario, cioè aspirare l’acqua invece di spararla fuori, si comporti in modo così diverso. Per decenni il “problema degli irrigatori Feynman” è rimasto aperto. Nessuno poteva essere del tutto d’accordo sulla meccanica.
Ora i ricercatori lo hanno risolto. Non hanno utilizzato acceleratori di particelle ad alta tecnologia o gallerie del vento.
Hanno usato “stupidi irrigatori”. Di quelli con tubi di plastica attorcigliati a spirale che i bambini lanciano sui prati ogni estate. Testando questi bizzarri dispositivi da giardino al contrario, un team della New York University e della Colorado School of Mines ha finalmente scoperto come l’acqua che scorre fa girare gli oggetti.
I risultati sono apparsi in Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze.
Cosa chiede realmente l’irrigatore di Feynman?
Sembra semplice.
Prendi un irrigatore rotante standard. La pressione dell’acqua spinge il liquido fuori dagli ugelli angolati. La forza di reazione fa girare il braccio. La terza legge di Newton. Azione e reazione. Funziona come un razzo rotante.
Ora invertilo.
Aspira l’acqua dentro attraverso quegli stessi ugelli. In che senso dovrebbe girare? L’intuizione suggerisce che dovrebbe ruotare nella direzione opposta all’irrigatore standard.
Feynman ci ha provato negli anni ’80. Non è riuscito a ottenere una risposta chiara. Il dispositivo si muoveva appena.
Il nuovo studio spiega perché. Non si tratta dell’acqua che entra nell’ugello. Riguarda ciò che accade quando due getti d’acqua che scorrono verso l’interno si scontrano all’interno della camera centrale.
Come le forme del circuito controllano la coppia dell’acqua
Gli esperimenti precedenti utilizzavano semplici bracci a forma di S. Ciò ha lasciato delle lacune nella teoria. La forma del tubo era importante? E se l’acqua facesse un percorso più lungo?
I ricercatori hanno costruito la propria collezione di irrigatori. Hanno variato selvaggiamente la geometria. Loop. Curve. Percorsi tortuosi.
Hanno testato ciascun progetto in due modalità:
- Avanti: Spruzzare acqua.
- Retromarcia: Aspirazione dell’acqua.
Ciò ha permesso loro di misurare con precisione la coppia. La coppia è la forza torcente che provoca la rotazione. Hanno anche monitorato il modo in cui l’acqua si muoveva all’interno dei tubi rispetto all’esterno.
I dati erano chiari.
Perché il Momentum Flux batte altre teorie
Due teorie più vecchie fallirono sotto esame.
Uno, proposto da Ernst Mach nel 1880, sosteneva che il fluido gira in un senso mentre l’irrigatore gira nell’altro. I nuovi esperimenti hanno dimostrato che ciò non tiene conto della rotazione o della coppia misurata.
Un’altra teoria si concentrava sull’acqua che scorre attorno all’esterno dei bracci dell’irrigatore. Feynman lo aveva considerato. Si è rivelato irrilevante. Il flusso esterno non ha influenzato il movimento.
Invece, ha vinto la teoria del flusso di quantità di moto.
Ecco come funziona:
Quando viene aspirata l’acqua, due getti entrano nella camera centrale da lati opposti. Non si colpiscono perfettamente frontalmente. C’è un leggero spostamento. Si forma una zona di collisione. Questo squilibrio crea una forza netta. Quella forza spinge l’irrigatore a ruotare.
Funziona come un “razzo rovesciato”.
“Questo lavoro fornisce la risposta sperimentale al problema degli irrigatori di Feynman mostrando, attraverso i tipi di irrigatori, come i flussi del momento angolare guidano la rotazione degli irrigatori,” ha affermato Leif Ristroph della New York University.
È importante fuori dal cortile?
Non si tratta solo di giochi sul prato.
Comprendere come i fluidi applicano la forza ai corpi rotanti è un’ingegneria fondamentale. Turbine, pompe ed eliche marine si basano tutte sulla conversione del flusso di fluido in energia meccanica.
Brennan Sprinkle della Colorado School of Mines ha notato che i risultati offrono una “comprensione più solida” per la progettazione di tali dispositivi. Se sai esattamente come la forma controlla il flusso della quantità di moto, puoi costruire turbine migliori. Puoi prevedere come si comporteranno in condizioni turbolente.
Il team ha anche scoperto che modificare la forma del braccio consente il controllo. È possibile modificare i getti d’acqua per gestire la coppia. Questa è una conoscenza utile per gli ingegneri che cercano di ottimizzare la conversione dell’energia.
Quindi, la prossima volta che vedi uno stupido irrigatore che gira sull’erba, non limitarti a ridere.
Guarda i loop. Pensa alla collisione all’interno. Potrebbe semplicemente risolvere un dibattito sulla fisica vecchio di un secolo.
