Richard Feynman uważał, że doskonale rozumie fizykę.
Jego słynna zagadka brzmiała: dlaczego standardowy zraszacz ogrodowy obraca się w jedną stronę, a wersja odwrotna – zasysająca wodę, zamiast ją wypychać – zachowuje się zupełnie inaczej. Przez dziesięciolecia problem Feynmana ze tryskaczami pozostawał nierozwiązany. Nikt nie był w stanie dokładnie opisać jego mechaniki.
Teraz badacze byli w stanie udzielić ostatecznej odpowiedzi. Nie używali zaawansowanych technologicznie akceleratorów cząstek ani tuneli aerodynamicznych.
Używali „głupich zraszaczy”, tych spiralnych plastikowych urządzeń, które dzieci wirują na trawnikach każdego lata. Testując te niezwykłe urządzenia wewnętrzne w trybie odwróconym, zespół naukowców z New York University i Colorado School of Mines w końcu rozumie, w jaki sposób płynąca woda powoduje wirowanie obiektów.
Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences.
Jaka jest istota problemu Feynmana?
Na pierwszy rzut oka zadanie wydaje się proste.
Weźmy standardową poidełkę obrotową. Ciśnienie wody przepycha ciecz przez ustawione pod kątem dysze. Siła reakcji powoduje obrót 臂 (ramion) urządzenia. Trzecie prawo Newtona: akcja i reakcja. Urządzenie działa jak wirująca rakieta.
Teraz odwróćmy ten proces.
Zmuśmy, aby woda była pobierana do wewnątrz przez te same dysze. W jakim kierunku powinien obracać się zraszacz? Intuicja podpowiada, że powinien on obracać się w odwrotną stronę niż urządzenie standardowe.
Feynman eksperymentował z tym w latach 80. Nie udało mu się uzyskać jasnej odpowiedzi. Urządzenie ledwo się poruszało.
Nowe badania wyjaśniają dlaczego. Nie chodzi o to, jak woda dostaje się do dyszy. Pytanie brzmi, co się stanie, gdy dwa strumienie wody płynącej do wewnątrz zderzą się w centralnej komorze.
Jak kształt pętli kontroluje moment obrotowy wody
W poprzednich eksperymentach wykorzystywano proste ramiona poidełka w kształcie litery S. To pozostawiło luki w teorii. Czy coś zależało od kształtu rurki? A co jeśli woda przepłynie dłuższą drogę?
Naukowcy stworzyli własną kolekcję zraszaczy. Bardzo urozmaicały swoją geometrię: pętle, zakręty, kręte ścieżki.
Każdy projekt był testowany w dwóch trybach:
- Bezpośrednio: rozpylanie wody na zewnątrz.
- Rewers: zasysanie wody od wewnątrz.
Umożliwiło im to dokładny pomiar momentu obrotowego. Moment obrotowy to siła obrotowa powodująca obrót. Monitorowali także ruch wody wewnątrz i na zewnątrz rur.
Dane były jasne.
Dlaczego teoria przepływu pędu zwyciężyła
Dwie stare teorie nie wytrzymały krytyki.
Jedna z nich, zaproponowana przez Ernsta Macha w latach osiemdziesiątych XIX wieku, głosiła, że ciecz wiruje w jednym kierunku, a poidło w drugim. Nowe eksperymenty wykazały, że teoria ta nie wyjaśnia zmierzonego obrotu ani momentu obrotowego.
Inna teoria skupiała się na wodzie przepływającej wokół zewnętrznej dłoni osoby polewającej. Feynman również rozważał tę opcję. Okazało się, że to nie miało znaczenia. Przepływ zewnętrzny nie miał wpływu na ruch.
Zamiast tego zwyciężyła teoria przepływu pędu.
Jak to działa:
Podczas zasysania wody do centralnej komory dopływają dwa strumienie z przeciwnych stron. Nie zderzają się idealnie czołowo. Istnieje niewielkie przesunięcie. Tworzy się strefa kolizyjna. Ta nierównowaga tworzy siłę netto. Siła ta popycha zraszacz, powodując jego obrót.
Działa jak rakieta skierowana na lewą stronę.
„Ta praca zapewnia eksperymentalną odpowiedź na problem Feynmana ze tryskaczami, demonstrując, w jaki sposób przepływ pędu steruje rotacją różnych typów zraszaczy” – powiedział Leif Ristrof z New York University.
Czy to ma znaczenie poza podwórkiem?
Nie chodzi tu tylko o zabawy dzieci na trawniku.
Zrozumienie, jak płyny oddziałują na wirujące ciała, stanowi podstawowe wyzwanie w inżynierii. Turbiny, pompy i śmigła morskie opierają się na przekształcaniu przepływu płynu w energię mechaniczną.
Brennan Sprickle z Colorado School of Mines stwierdziła, że wyniki dostarczają „solidniejszych informacji” na temat projektowania podobnych urządzeń. Jeśli dokładnie wiesz, w jaki sposób kształt kontroluje przepływ pędu, możesz stworzyć bardziej wydajne turbiny. Będziesz w stanie przewidzieć ich zachowanie w turbulentnych warunkach.
Zespół odkrył również, że zmiana kształtu dłoni pozwala na kontrolę. Strumienie wody można regulować w celu kontrolowania momentu obrotowego. Jest to przydatna wiedza dla inżynierów poszukujących optymalizacji konwersji energii.
Zatem, gdy następnym razem zobaczysz „głupi zraszacz” miotający się po trawie, nie śmiej się.
Obserwuj pętle. Pomyśl o wewnętrznym konflikcie. Być może stoisz w obliczu fizycznego sporu, który toczy się od ponad stulecia.
