RW Space

На протяжении нескольких поколений из-за летней жары дети бежали сквозь спиральные потоки воды, льющиеся из старомодных садовых разбрызгивателей S-образной формы.

Но что произойдет с головкой разбрызгивателя, если ее погрузить в воду? и вместо этого всасывал воду? Будет ли он вращаться так же, как обычный разбрызгиватель, если поток будет направлен вспять под действием силы хлещущей воды, или будет ли он вращаться в противоположном направлении, поскольку всасывание приводит к вращению вперед? Может ли она, как ни странно, оставаться неподвижной?

Это проблема, возникшая несколько десятилетий назад и ставшая знаменитой благодаря знаменитому физику середины 20-го века Ричарду Фейнману, которая стала известна как проблема спринклера Фейнмана.

Теперь группа математиков думает, что наконец-то решила эту проблему с помощью серии лабораторных экспериментов, подкрепленных математическим моделированием.

Они, конечно, не первые, кто пытается это сделать, но помогает то, что их предсказания подтверждаются. с экспериментальными результатами.

В начале 1940-х годов Фейнман, будучи аспирантом Принстонского университета, провел импровизированный эксперимент, который, по словам его коллег, показал разбрызгиватель оставался неподвижным после нескольких крошечных покачиваний. Эрнст Мах думал аналогичным образом в 1883 году, впервые задокументировав проблему.

Эксперименты с тех пор дали противоречивые результаты: некоторые показывают, что спринклерная головка вращается в обратном направлении; другие наблюдали, как он беспорядочно менял направление или двигался только на короткое время.

Докторант физики Нью-Йоркского университета Кайчжэ Ван и его коллеги объяснили эти несоответствия геометрией прошлых экспериментальных установок и трением между вращающимся валом. и внутренний подшипник, который, возможно, противодействовал другим силам.

Итак, они создали новый вращающийся подшипник со сверхнизким коэффициентом трения, который позволял их изготовленному на заказ обратному разбрызгивателю свободно вращаться. Разбрызгиватель имел два рукава из изогнутых трубок и сифон в верхней части цилиндрической трубки для всасывания воды при погружении устройства в резервуар, наполненный водой.

Устройство также было спроектировано таким образом, чтобы оно могло мог работать бесконечно, насос забирал воду из резервуара, в который стекала откачанная вода. Это позволило исследователям проводить эксперименты в течение нескольких часов — дольше, чем предыдущие эксперименты.

Команда также использовала цветные красители, микрочастицы, рассеивающие лазерное излучение, и высокоскоростные камеры, чтобы визуализировать и записать вращение спринклера. и потоки воды, чтобы они могли сравнить свои экспериментальные результаты с результатами моделирования.

«Мы обнаружили, что обратный разбрызгиватель вращается в «обратном» или противоположном направлении при заборе воды так же, как и при ее выбрасывании. и причина тонкая и удивительная», — объясняет Лейф Ристроф, математик из Нью-Йоркского университета и старший автор исследования.

Думайте об обычном разбрызгивателе как о вращающейся версии ракеты: головка разбрызгивателя тяга в направлении, противоположном выходящим струям воды.

Ванг и его коллеги обнаружили, что в их обратном спринклере входящие струи воды врезаются друг в друга во внутренней камере спринклера, но не встречаются точно в головке. -on, который создает крутящий момент для вращения ступицы.

Движение ступицы спринклера не было равномерным, но оно вращалось в противоположном направлении, хотя и в 50 раз медленнее, чем разбрызгиватель с выходящим потоком. (На видео ниже вращение устройства предотвращено для улучшения визуализации потоков.)

«Степень согласия между экспериментом и результатами модели весьма примечательна», — инженер-механик Университета Макгилла Майкл Пайдусси. рассказал Филлип Болл из журнала Physics Magazine.

Другие физики согласны с тем, что эксперименты помогают определить механику этой проблемы с жидкостью, которая может иметь некоторые практические применения.

Ристроф говорит, что полученные результаты могут быть применены в инженерных технологиях по сбору энергии из потока воздуха или воды путем создания движения или сил.

«Теперь мы гораздо лучше понимаем ситуации, в которых поток жидкости через конструкции может вызывать движение», — добавляет Бреннан Спринкл, математик из Колорадской горной школы и один из соавторов статьи.

Исследование было опубликовано в Physical Review Letters. р>