Richard Feynman miloval paradoxy.
Tento legendární fyzik neměl žádnou úctu k nudné akademické rutině, pokud byla na pořadu dne nějaká směšná otázka. Dokáže matematika nadiktovat optimální pořadí oběda? Jsou lidé schopni sledovat stopy podle čichu, jako když psi očichávají své vlastní stopy na zemi?
Desítky let po jeho smrti tým výzkumníků konečně rozluštil jednu z Feynmanových nejznámějších záhad. Studovali fyziku tohoto „zábavného“ zavlažovače (zahradního zavlažovače).
Koncept je jednoduchý, ale už léta přivádí lidi k šílenství. Vezměte si běžný zahradní zavlažovač. Točí se v kruhu a vystřeluje vodu. Snadno. Ale otoč to. Připojte k němu vakuovou pumpu. Nechte ho vysávat vodu místo vyhazování. Jakým směrem se začne otáčet?
Vrátí se? Nebo se bude dál točit dopředu a ignorovat svou intuici?
Feynman jako postgraduální student na Princetonu ve 40. letech začal s touto myšlenkou nejprve experimentovat. V laboratoři sestavil rozstřikovač skla. Zapnutý vysavač. Zařízení se otřáslo a pak se nic nedělo. Zvyšoval tlak, až sklo prasklo. Experiment na otázku neodpověděl. Ničil jen drahé nádobí.
Po celá desetiletí se vědci nemohli shodnout na výsledku.
Některé testy ukázaly, že se sprinkler otáčí dopředu. Ostatní se vracejí. Někteří sebou škubali, jiní zůstali nehybní. Vše záleželo pouze na tom, jak byla instalace smontována. Tato nejistota trvala až do roku 2024.
Testování Feynmanových a Machových teorií
Toho roku se úkolu ujal tým na New York University vedený fyzikem Liefem Ristrophem. Vyzkoušeli reverzibilní postřikovač pomocí standardní S-trysky.
Zjistili, že se točí v opačném směru než běžný sprinkler.
Studie však měla chybu. Používali pouze klasický tvar S. Dva konkurenční teoretické přístupy nebyly přímo testovány.
První teorie sahá až k rakouskému fyzikovi Ernstu Machovi. Tvrdí, že celkový moment hybnosti vody rotující uvnitř trubkových ramen musí být kompenzován. Postřikovač se musí otáčet jedním směrem, aby vyrovnal rotaci vody ve druhém.
Druhá teorie je spojena se jménem Feynman. Zaměřuje se na tlakové a sací síly přímo na hrotech trysek. Když voda narazí na konec trubky, vytvoří efekt zpětného rázu.
Ristrophův tým položil jednoduchou otázku: Co kdybychom přestali používat standardní sprinklery?
Co když se páky zatočily do spirály? Co když jsou zakřivené špatně? Co když se stočí do sebe?
Cílem bylo otestovat premisy Machovy i Feynmanovy teorie.
Experiment se spirálou
V nové studii publikované v Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) tým vytvořil sedm rozmarných sprinklerů. Nebyly to obyčejné zahradnické vychytávky.
Vyvinuli páky s neobvyklou geometrií, aby podrobili teorie extrémním testům.
Jeden zavlažovač měl ramena, která byla několikrát stočená do spirály. To bylo provedeno za účelem maximalizace momentu hybnosti vody, aby bylo možné konkrétně otestovat Machův nápad.
Pokud by měl Mach pravdu, tato spirální struktura by se točila šíleně rychle.
Ona ne.
Kapalina uvnitř nesla podstatně větší hybnost. Pevná konstrukce se téměř nepohnula. Spirála se ukázala jako tvrdohlavá.
Další provedení zahrnovalo obrácenou křivku na špičce trysky. To mělo otestovat Feynmanovu teorii sání. Pokud by Feynmanova teorie byla správná, změna směru ohýbání by měla obrátit směr otáčení.
To se také nestalo.
„Museli jsme říct: ‚Feynman a jeho následovníci, mýlíte se‘,“ řekl Ristroph Live Science.
Všechno se děje v centru
Obě teorie byly vyvráceny. Reverzibilní sprinkler není ani jednoduchá Machova rovnováha, ani Feynmanův návrat.
Směry ukazují jiným směrem.
Všechna tři měření v sedmi různých provedeních ukazovala na centrální uzel. Zde se ramena připojují k jádru zařízení. Zde se přicházející voda sráží a víří. To generuje tok momentu hybnosti uvnitř zařízení.
Pevná konstrukce postřikovače tomuto vnitřnímu proudění odolává.
To naznačuje, že reverzibilní zadešťovač je prostě „zevnitř“ verze běžného zadešťovače. Řídí se stejnou fyzikou. Síly se jednoduše objevují na opačných koncích pák.
Ukázalo se, že odpověď byla vždy v nedohlednu. Detaily návrhu jsou méně důležité než centrální interakce.
Proč je to důležité pro energii?
Nebylo to jen akademické cvičení ve jménu překonání zmatku. Práce vyžadovala opravdovou zručnost.
Ristroph zaznamenal příspěvky Jeffreyho Smithe, kandidáta na fyziku na NYU, spolu s malou skupinou studentů. Spolupracovali také s Brennan Sprinkle, expertkou na výpočetní dynamiku tekutin z Colorado School of Mines. (Shoda příjmení. Jen smůla na představování.)
Nyní tým přechází k počítačovému modelování. Chtějí zjistit, zda vzorec toku hybnosti drží za různých podmínek toku. Nakonec doufají, že odvodí chování systému přímo ze základních rovnic dynamiky tekutin.
Ale má skutečné aplikace.
Pochopení toho, jak zakřivené kanály převádějí proudění tekutiny na rotaci, je víc než pouhá teorie. To pomáhá inženýrům vytvářet účinnější turbíny. To podporuje vývoj zařízení, která získávají energii z větru nebo vodních proudů.
“Pokud můžeme udělat něco, co pomůže s inženýrstvím… využijme obrovské množství větrné a vodní energie, která je kolem nás,” řekl Ristroph. “To by byl fantastický úspěch.”
Takže tento vtipný postřikovač nás naučil něco vážného.
Ale říká vám, co máte jíst k obědu?
