Richard Feynman achava que conhecia física.
Ele ficou famoso por ficar intrigado com o motivo pelo qual um irrigador de grama padrão gira para um lado, mas seu reverso – sugando água em vez de expulsá-la – se comporta de maneira tão diferente. Durante décadas, o “problema dos sprinklers de Feynman” permaneceu em aberto. Ninguém conseguia concordar sobre a mecânica.
Agora, os pesquisadores resolveram isso. Eles não usaram aceleradores de partículas de alta tecnologia ou túneis de vento.
Eles usaram “aspersores idiotas”. Do tipo com tubos de plástico em espiral que as crianças jogam nos gramados todo verão. Ao testar esses dispositivos peculiares de quintal ao contrário, uma equipe da NYU e da Escola de Minas do Colorado finalmente descobriu como a água corrente gira os objetos.
Os resultados apareceram em Proceedings of the National Academy of Sciences.
O que o Sprinkler de Feynman está realmente perguntando?
Parece simples.
Pegue um aspersor rotativo padrão. A pressão da água empurra o líquido para fora dos bicos angulares. A força de reação gira o braço. Terceira lei de Newton. Ação e reação. Funciona como um foguete giratório.
Agora inverta.
Aspire a água para dentro através desses mesmos bicos. Para que lado ele deveria girar? A intuição sugere que ele deve girar na direção oposta do sprinkler padrão.
Feynman tentou isso na década de 1980. Ele não conseguiu uma resposta clara. O dispositivo mal se moveu.
O novo estudo explica o porquê. Não se trata da água que entra no bico. É sobre o que acontece quando dois jatos de água que fluem para dentro colidem dentro da câmara central.
Como os formatos de loop controlam o torque da água
Experimentos anteriores usaram braços simples em forma de S. Isso deixou lacunas na teoria. A forma do tubo importava? E se a água percorresse um caminho mais longo?
Os pesquisadores construíram sua própria coleção de sprinklers. Eles variaram a geometria descontroladamente. Laços. Curvas. Caminhos sinuosos.
Eles testaram cada projeto em dois modos:
- Avançar: Pulverizando água.
- Reverso: Retirando água.
Isso lhes permitiu medir o torque com precisão. Torque é a força de torção que causa rotação. Eles também rastrearam como a água se movia dentro dos tubos e fora.
Os dados eram claros.
Por que o Momentum Flux supera outras teorias
Duas teorias mais antigas falharam sob escrutínio.
Um deles, proposto por Ernst Mach na década de 1880, argumentava que o fluido gira para um lado enquanto o aspersor gira para o outro. Os novos experimentos mostraram que isso não leva em conta a rotação ou o torque medidos.
Outra teoria focava na água fluindo ao redor do lado de fora dos braços do aspersor. Feynman havia considerado isso. Acabou sendo irrelevante. O fluxo exterior não afetou o movimento.
Em vez disso, a teoria do fluxo de momento venceu.
Veja como funciona:
Quando a água é sugada, dois jatos entram na câmara central vindos de lados opostos. Eles não se batem perfeitamente de frente. Há um ligeiro deslocamento. Uma zona de colisão se forma. Esse desequilíbrio cria uma força resultante. Essa força empurra o sprinkler para girar.
Funciona como um “foguete de dentro para fora”.
“Este trabalho fornece a resposta experimental para o problema dos sprinklers de Feynman, mostrando, em todos os tipos de sprinklers, como o fluxo do momento angular impulsiona a rotação dos sprinklers”, disse Leif Ristroph, da NYU.
Isso importa fora do quintal?
Não se trata apenas de jogos de gramado.
Compreender como os fluidos aplicam força a corpos em rotação é uma engenharia fundamental. Turbinas, bombas e hélices marítimas dependem da conversão do fluxo de fluido em energia mecânica.
Brennan Sprinkle, da Escola de Minas do Colorado, observou que as descobertas oferecem uma “compreensão mais sólida” para projetar tais dispositivos. Se você souber exatamente como a forma controla o fluxo de momento, poderá construir turbinas melhores. Você pode prever como eles se comportarão em condições turbulentas.
A equipe também descobriu que ajustar o formato do braço permite o controle. Você pode alterar os jatos de água para gerenciar o torque. Esse é um conhecimento útil para engenheiros que tentam otimizar a conversão de energia.
Então, da próxima vez que você vir um aspersor bobo girando na grama, não apenas ria.
Observe os loops. Pense na colisão interna. Pode estar apenas resolvendo um debate centenário sobre física.
