Річард Фейнман вважав, що розуміє фізику досконально.
Його знаменита головоломка полягала в тому, чому стандартний садовий поливальник обертається в один бік, а його зворотна версія, що всмоктує воду замість того, щоб виштовхувати її, поводиться зовсім інакше. Десятиліттями «проблема поливальника Фейнмана» залишалася невирішеною. Ніхто було точно описати її механіку.
Тепер дослідникам вдалося дати остаточну відповідь. Вони не використовували високотехнологічних прискорювачів частинок або аеродинамічних труб.
Вони використовували «дурні поливальники» — ті самі спіральні пластикові пристрої, які розкручують діти на газонах щоліта. Тестування цих неординарних прибудинкових пристроїв у зворотному режимі дозволило групі вчених із Нью-Йоркського університету та Колорадської гірничої школи нарешті зрозуміти, як поточна вода приводить об’єкти у обертання.
Результати дослідження опубліковані в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.
У чому полягає суть проблеми Фейнмана?
На перший погляд, завдання видається простим.
Візьмемо стандартний роторний поливальник. Тиск води виштовхує рідину через похилі сопла. Сила реакції змушує ручки пристрою обертатися. Третій закон Ньютона: дія та протидія. Пристрій працює як ракета, що обертається.
Тепер давайте зробимо процес зворотним.
Примусимо воду втягуватися всередину через ті ж сопла. У якому напрямі має обертатися полівальник? Інтуїція підказує, що він повинен обертатися у протилежному напрямку, порівняно зі стандартним пристроєм.
Фейнман експериментував із цим у 1980-х роках. Він не зміг отримати чіткої відповіді. Пристрій майже рухався.
Нове дослідження пояснює причину. Справа не в тому, як вода входить у сопло. Питання в тому, що відбувається, коли два струмені води, що тече всередину, стикаються всередині центральної камери.
Як форма петель управляє крутним моментом води
Попередні експерименти використовували прості S-подібні руки поливальника. Це залишило прогалини в теорії. Чи залежало щось від форми трубки? Що якщо вода проходить довшу дорогу?
Дослідники створили власну колекцію поливальників. Вони сильно варіювали їхню геометрію: петлі, вигини, звивисті шляхи.
Кожен дизайн тестувався у двох режимах:
- Прямий: розбризкування води назовні.
- Зворотний: всмоктування води всередину.
Це дозволило їм точно виміряти момент, що крутить. Крутний момент — це сила, що обертає, що викликає поворот. Вони також відстежували рух води всередині трубок та зовні.
Дані були однозначними.
Чому теорія потоку імпульсу виграла
Дві старі теорії не витримали перевірки.
Одна з них, запропонована Ернстом Махом у 1880-х роках, стверджувала, що рідина закручується в один бік, а поливальник – в інший. Нові експерименти показали, що ця теорія не пояснювала виміряне обертання або момент, що крутить.
Інша теорія фокусувалася на воді, що обтікає зовнішній бік рук поливальщика. Фейнман також розглядав цей варіант. Виявилося, що він не має значення. Зовнішній потік не впливав на рух.
Натомість перемогла теорія потоку імпульсу.
Як це працює:
Коли вода всмоктується, два струмені входять до центральної камери з протилежних сторін. Вони не стикаються ідеально лоб у лоб. Існує невелике усунення. Формується зона зіткнення. Цей дисбаланс створює результуючу силу. Ця сила штовхає поливальщика, змушуючи його обертатися.
Це працює як «вивернута навиворіт ракета».
«Ця робота дає експериментальну відповідь на проблему полівальника Фейнмана, демонструючи, як потік кутового моменту керує обертанням полівальників різних типів», — сказав Леїф Рістроф із Нью-Йоркського університету.
Чи має це значення за межами двору?
Йдеться не лише у дитячих іграх на газоні.
Розуміння того, як рідини впливають на тіла, що обертаються, є фундаментальним завданням інженерії. Турбіни, насоси та marine propellers (морські гвинти) спираються на перетворення потоку рідини на механічну енергію.
Бреннан Сприкл із Колорадської гірничої школи зазначив, що ці результати дають «жорсткіше розуміння» для проектування подібних пристроїв. Якщо ви знаєте точно, як форма керує потоком імпульсу, ви можете створювати ефективніші турбіни. Ви зможете передбачати їхню поведінку в турбулентних умовах.
Команда також виявила, що зміна форми рук дозволяє здійснювати контроль. Можна коригувати водяні струмені для керування моментом, що крутить. Це корисне знання для інженерів, які прагнуть оптимізувати перетворення енергії.
Отже, наступного разу, коли ви побачите «дурний поливальник», що крутиться на траві, не просто сміюйтеся.
Спостерігайте за петлями. Подумайте про зіткнення усередині. Можливо, перед вами вирішується фізична суперечка, яка триває вже більше століття.
