A Richard Feynman le encantaban las paradojas.
El legendario físico no tenía paciencia con la sofocante academia cuando había una pregunta tonta sobre la mesa. ¿Pueden las matemáticas dictar el orden óptimo del almuerzo? ¿Pueden los humanos rastrear rastros olfativos como un perro olfateando sus propias huellas?
Ahora, décadas después de su muerte, un equipo de investigadores finalmente ha resuelto uno de sus enigmas más famosos. Observaron la física del aspersor “tonto”.
Es un concepto simple que volvió loca a la gente durante años. Tome un aspersor de césped estándar. Gira en círculo mientras dispara agua. Fácil. Pero dale la vuelta. Engánchalo a una aspiradora. En su lugar, haz que succione agua dentro. ¿En qué dirección gira?
¿Va hacia atrás? ¿O sigue girando hacia adelante, desafiando la intuición?
Feynman era un estudiante de posgrado en Princeton en la década de 1940 cuando jugó con la idea por primera vez. Instaló un rociador de vidrio en un laboratorio. Encendió la aspiradora. Dio un pequeño temblor. Luego no hizo nada. Aumentó la presión hasta que el cristal se hizo añicos. El experimento no logró responder la pregunta. Simplemente rompió un cristal caro.
Durante décadas, nadie pudo ponerse de acuerdo sobre el resultado.
Algunas pruebas mostraron que el aspersor giraba hacia adelante. Otros lo mostraron girando hacia atrás. Algunos se pusieron nerviosos. Algunos se quedaron quietos. Dependía completamente de cómo construyeras la plataforma. La ambigüedad persistió hasta 2024.
Probando las teorías de Feynman y Mach
Ese año, un equipo de la Universidad de Nueva York, dirigido por el físico Leif Ristroph, intentó solucionar el problema. Probaron el aspersor inverso utilizando una boquilla estándar en forma de S.
Descubrieron que gira en sentido opuesto a un aspersor que avanza.
Pero el estudio tenía un defecto. Sólo utilizó la clásica forma de S. No había probado frontalmente las dos teorías en competencia.
La teoría número uno se remonta al físico austriaco Ernst Mach. Sostiene que el momento angular total del agua que gira dentro de los brazos debe estar equilibrado. El aspersor debe girar en un sentido para anular el giro del agua en el otro.
La teoría número dos está vinculada a Feynman. Se centra en las fuerzas de presión y succión justo en las puntas de las boquillas. El agua golpea el extremo del tubo, provocando un retroceso.
El equipo de Ristroph hizo una pregunta sencilla: ¿Qué pasaría si dejáramos de usar aspersores estándar?
¿Qué pasaría si los brazos giraran en espiral? ¿Qué pasa si se doblaron en la dirección equivocada? ¿Qué pasaría si se acurrucaran sobre sí mismos?
El objetivo era romper las suposiciones tanto de Mach como de Feynman.
El experimento de la espiral
En un nuevo estudio publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), el equipo construyó siete extraños aspersores. Estos no eran los típicos aparatos de jardín.
Diseñaron brazos con geometrías inusuales para poner a prueba las teorías.
Un aspersor tenía brazos que giraban en espiral varias veces. Esto fue diseñado para maximizar el momento angular del agua, específicamente para probar la idea de Mach.
Si Mach tuviera razón, este diseño en espiral debería haber girado salvajemente.
No fue así.
El fluido del interior llevaba sustancialmente más impulso. La sólida estructura apenas se movió. La espiral era inflexible.
Otro diseño presentaba una curvatura en la punta de la boquilla. Esto tenía como objetivo probar la teoría de la succión de Feynman. Si Feynman estaba en lo cierto, invertir la curva debería haber invertido la dirección del giro.
Eso tampoco sucedió.
“Nos vimos obligados a decir: ‘Feynham y sus seguidores, se van'”, dijo Ristroph a Live Science.
El centro es donde sucede
Ambas teorías fueron desmanteladas. El aspersor inverso no es ni un simple equilibrio de Mach ni un retroceso de Feynman.
La evidencia apunta a otra parte.
Las tres medidas en los siete diseños diferentes apuntaban al eje central. Aquí es donde los brazos se encuentran con el núcleo. Aquí el agua entrante choca y se arremolina. Genera un flujo de momento angular dentro del dispositivo.
La sólida estructura del aspersor empuja contra este flujo interno.
Esto sugiere que el aspersor inverso es solo una versión de adentro hacia afuera de la versión delantera. Se rige por la misma física. Las fuerzas simplemente se desarrollan en los extremos opuestos de los brazos.
Resulta que la respuesta estuvo oculta a la vista todo el tiempo. Los detalles importan menos que la interacción central.
Por qué esto es importante para la energía
Este no fue sólo un ejercicio académico de frustración. El trabajo requería verdadera habilidad.
Ristroph le dio crédito a Jesse Smith, un candidato a doctorado en física de la Universidad de Nueva York, junto con un pequeño grupo de estudiantes. También trabajaron con Brennan Sprinkle, expertos en dinámica de fluidos computacional de la Escuela de Minas de Colorado. (Los apellidos coincidieron. Eso fue simplemente mala suerte para las presentaciones).
Ahora, el equipo está pasando a simulaciones por computadora. Quieren ver si el modelo de flujo de impulso se mantiene en diferentes condiciones de flujo. Esperan derivar el comportamiento directamente a partir de ecuaciones fundamentales de dinámica de fluidos.
Pero el mundo real tiene aplicaciones aquí.
Comprender cómo los canales curvos convierten el flujo de fluido en rotación no es sólo teoría. Ayuda a los ingenieros a diseñar mejores turbinas. Ayuda a los dispositivos que recolectan energía del viento o de las corrientes de agua.
“Si podemos hacer algo que ayude con la ingeniería… aprovechar mejor toda la enorme cantidad de energía eólica e hidráulica que tenemos a nuestro alrededor”, dijo Ristroph, “eso sería algo fantástico”.
Entonces el tonto aspersor nos enseñó algo serio.
¿Pero te dice qué almorzar?
