Richard Feynman dacht dat hij natuurkunde kende.
Hij vroeg zich beroemd af waarom een standaard gazonsproeier de ene kant op draait, maar de omgekeerde richting – water naar binnen zuigen in plaats van uitschieten – zich zo anders gedraagt. Decennia lang bleef het ‘Feynman-sprinklerprobleem’ open. Niemand kon het helemaal eens worden over de mechanismen.
Nu hebben onderzoekers het opgelost. Ze maakten geen gebruik van hightech deeltjesversnellers of windtunnels.
Ze gebruikten ‘dwaze sprinklers’. Het soort met lusvormige, spiraalvormige plastic buizen die kinderen elke zomer op het gazon gooien. Door deze eigenzinnige apparaten in de achtertuin in omgekeerde volgorde te testen, heeft een team van NYU en de Colorado School of Mines eindelijk ontdekt hoe stromend water objecten laat draaien.
De resultaten verschenen in Proceedings of the National Academy of Sciences.
Wat vraagt de sprinkler van Feynman eigenlijk?
Het klinkt eenvoudig.
Neem een standaard roterende sproeier. De waterdruk duwt de vloeistof uit de schuine sproeiers. De reactiekracht zorgt ervoor dat de arm ronddraait. De derde wet van Newton. Actie en reactie. Het werkt als een roterende raket.
Draai het nu om.
Zuig het water in door dezelfde mondstukken. Welke kant moet het op draaien? De intuïtie suggereert dat deze in de tegenovergestelde richting van de standaardsproeier moet draaien.
Feynman probeerde dit in de jaren tachtig. Hij kon geen duidelijk antwoord krijgen. Het apparaat bewoog nauwelijks.
De nieuwe studie legt uit waarom. Het gaat niet om het water dat het mondstuk binnendringt. Het gaat over wat er gebeurt als twee stralen naar binnen stromend water in de centrale kamer met elkaar botsen.
Hoe lusvormen het waterkoppel regelen
Bij eerdere experimenten werden eenvoudige S-vormige armen gebruikt. Dat liet gaten in de theorie achter. Was de vorm van de buis van belang? Wat als het water een langere weg zou volgen?
De onderzoekers bouwden hun eigen collectie sprinklers. Ze varieerden enorm met de geometrie. Lussen. Rondingen. Kronkelende paden.
Ze testten elk ontwerp in twee modi:
- Vooruit: Water eruit sproeien.
- Omgekeerd: Water aanzuigen.
Hierdoor konden ze het koppel nauwkeurig meten. Koppel is de draaiende kracht die rotatie veroorzaakt. Ze hielden ook bij hoe het water zich in de buizen bewoog versus daarbuiten.
De gegevens waren duidelijk.
Waarom Momentum Flux andere theorieën verslaat
Twee oudere theorieën faalden bij nader onderzoek.
Eén ervan, voorgesteld door Ernst Mach in de jaren 1880, betoogde dat de vloeistof de ene kant op wervelt terwijl de sprinkler de andere kant op draait. De nieuwe experimenten toonden aan dat dit geen rekening hield met de gemeten rotatie of koppel.
Een andere theorie concentreerde zich op water dat rond de buitenkant van de sprinklerarmen stroomt. Feynman had hierover nagedacht. Het bleek niet relevant te zijn. De externe stroming had geen invloed op de beweging.
In plaats daarvan won de momentumfluxtheorie.
Hier is hoe het werkt:
Wanneer water wordt aangezogen, komen twee stralen van tegenovergestelde kanten de centrale kamer binnen. Ze raken elkaar niet perfect frontaal. Er is sprake van een lichte afwijking. Er ontstaat een botsingszone. Deze onbalans creëert een netto kracht. Die kracht zorgt ervoor dat de sprinkler gaat draaien.
Het functioneert als een ‘binnenstebuiten-raket’.
“Dit werk biedt het experimentele antwoord op het sprinklerprobleem van Feynman door voor alle sprinklertypen te laten zien hoe het impulsmoment de rotatie van de sprinklers aandrijft”, zegt Leif Ristrof van NYU.
Maakt dit uit buiten de achtertuin?
Het gaat niet alleen om spelletjes op het grasveld.
Begrijpen hoe vloeistoffen kracht uitoefenen op roterende lichamen is een fundamentele techniek. Turbines, pompen en scheepsschroeven zijn allemaal afhankelijk van het omzetten van de vloeistofstroom in mechanische energie.
Brennan Sprinkle van de Colorado School of Mines merkte op dat de bevindingen een “beter begrip” bieden voor het ontwerpen van dergelijke apparaten. Als je precies weet hoe vorm de momentumflux regelt, kun je betere turbines bouwen. Je kunt voorspellen hoe ze zich zullen gedragen in turbulente omstandigheden.
Het team ontdekte ook dat het aanpassen van de armvorm controle mogelijk maakt. U kunt de waterstralen wijzigen om het koppel te beheren. Dat is nuttige kennis voor ingenieurs die de energieconversie willen optimaliseren.
Dus de volgende keer dat je een gekke sproeier op het gras ziet ronddraaien, lach dan niet alleen maar.
Bekijk de lussen. Denk aan de botsing binnen. Het zou wel eens een eeuwenoud natuurkundedebat kunnen oplossen.
