Ричард Фейнман считал, что понимает физику досконально.
Его знаменитая головоломка заключалась в том, почему стандартный садовый поливальщик вращается в одну сторону, а его обратная версия — всасывающая воду вместо того, чтобы выталкивать её — ведет себя совершенно иначе. Десятилетиями «проблема поливальщика Фейнмана» оставалась нерешенной. Никто не мог точно описать её механику.
Теперь исследователям удалось дать окончательный ответ. Они не использовали высокотехнологичные ускорители частиц или аэродинамические трубы.
Они использовали «глупые поливальщики» — те самые спиральные пластиковые устройства, которые дети раскручивают на газонах каждое лето. Тестирование этих неординарных придомовых устройств в обратном режиме позволило группе ученых из Нью-Йоркского университета и Колорадской горной школы наконец понять, как текущая вода приводит объекты во вращение.
Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
В чем заключается суть проблемы Фейнмана?
На первый взгляд, задача кажется простой.
Возьмем стандартный роторный поливальщик. Давление воды выталкивает жидкость через наклонные сопла. Сила реакции заставляет臂 (руки) устройства вращаться. Третий закон Ньютона: действие и противодействие. Устройство работает как вращающаяся ракета.
Теперь давайте сделаем процесс обратным.
Заставим воду втягиваться внутрь через те же самые сопла. В каком направлении должен вращаться поливальщик? Интуиция подсказывает, что он должен вращаться в противоположном направлении по сравнению со стандартным устройством.
Фейнман экспериментировал с этим в 1980-х годах. Он не смог получить четкого ответа. Устройство почти не двигалось.
Новое исследование объясняет причину. Дело не в том, как вода входит в сопло. Вопрос в том, что происходит, когда две струи воды, текущей внутрь, сталкиваются внутри центральной камеры.
Как форма петель управляет крутящим моментом воды
Предыдущие эксперименты использовали простые S-образные руки поливальщика. Это оставило пробелы в теории. Зависело ли что-то от формы трубки? Что если вода проходит более длинный путь?
Исследователи создали собственную коллекцию поливальщиков. Они сильно варьировали их геометрию: петли, изгибы, извилистые пути.
Каждый дизайн тестировался в двух режимах:
- Прямой: разбрызгивание воды наружу.
- Обратный: всасывание воды внутрь.
Это позволило им точно измерить крутящий момент. Крутящий момент — это вращающая сила, вызывающая поворот. Они также отслеживали движение воды внутри трубок и снаружи.
Данные были однозначными.
Почему теория потока импульса выиграла
Две старые теории не выдержали проверки.
Одна из них, предложенная Эрнстом Махом в 1880-х годах, утверждала, что жидкость закручивается в одну сторону, а поливальщик — в другую. Новые эксперименты показали, что эта теория не объясняла измеренные вращение или крутящий момент.
Другая теория фокусировалась на воде, обтекающей внешнюю сторону рук поливальщика. Фейнман также рассматривал этот вариант. Оказалось, что он не имеет значения. Внешний поток не влиял на движение.
Вместо этого победила теория потока импульса.
Как это работает:
Когда вода всасывается, две струи входят в центральную камеру с противоположных сторон. Они не сталкиваются идеально лоб в лоб. Существует небольшое смещение. Формируется зона столкновения. Этот дисбаланс создает результирующую силу. Эта сила толкает поливальщик, заставляя его вращаться.
Это работает как «вывернутая наизнанку ракета».
«Эта работа дает экспериментальный ответ на проблему поливальщика Фейнмана, демонстрируя, как поток углового момента управляет вращением поливальщиков разных типов», — сказал Леиф Ристроф из Нью-Йоркского университета.
Имеет ли это значение за пределами двора?
Речь идет не только в детских играх на газоне.
Понимание того, как жидкости воздействуют на вращающиеся тела, является фундаментальной задачей инженерии. Турбины, насосы и marine propellers (морские винты) опираются на преобразование потока жидкости в механическую энергию.
Бреннан Сприкл из Колорадской горной школы отметил, что эти результаты дают «более твердое понимание» для проектирования подобных устройств. Если вы знаете точно, как форма управляет потоком импульса, вы можете создавать более эффективные турбины. Вы сможете предсказывать их поведение в турбулентных условиях.
Команда также обнаружила, что изменение формы рук позволяет осуществлять контроль. Можно корректировать водяные струи для управления крутящим моментом. Это полезное знание для инженеров, стремящихся оптимизировать преобразование энергии.
Итак, в следующий раз, когда вы увидите крутящийся на траве «глупый поливальщик», не просто смевайтесь.
Понаблюдайте за петлями. Подумайте о столкновении внутри. Возможно, перед вами решается физический спор, который длится уже более века.
