Richard Feynman aimait les paradoxes.
Le physicien légendaire n’avait aucune patience pour un monde universitaire étouffant lorsqu’une question idiote était posée. Les mathématiques peuvent-elles dicter l’ordre optimal du déjeuner ? Les humains peuvent-ils suivre les traces odorantes comme un chien en reniflant leurs propres empreintes ?
Aujourd’hui, des décennies après sa mort, une équipe de chercheurs a enfin résolu l’une de ses énigmes les plus célèbres. Ils ont examiné la physique de l’arroseur « idiot ».
C’est un concept simple qui a rendu les gens fous pendant des années. Prenez un arroseur de pelouse standard. Il tourne en rond en projetant de l’eau. Facile. Mais retournez-le. Accrochez-le à un aspirateur. Faites-lui aspirer de l’eau dedans à la place. Dans quel sens tourne-t-il ?
Est-ce que ça recule ? Ou continue-t-il de tourner en avant, défiant l’intuition ?
Feynman était étudiant diplômé à Princeton dans les années 1940 lorsqu’il a eu l’idée pour la première fois. Il a installé un arroseur en verre dans un laboratoire. Il a allumé l’aspirateur. Cela provoqua un petit tremblement. Ensuite, cela n’a rien fait. Il a augmenté la pression jusqu’à ce que le verre se brise. L’expérience n’a pas réussi à répondre à la question. Il vient de casser du verre coûteux.
Pendant des décennies, personne n’a pu s’entendre sur le résultat.
Certains tests ont montré que l’arroseur tournait vers l’avant. D’autres l’ont montré tournant à l’envers. Certains étaient nerveux. Certains sont restés morts. Cela dépendait entièrement de la façon dont vous aviez construit la plate-forme. L’ambiguïté a persisté jusqu’en 2024.
Tester les théories de Feynman et Mach
Cette année-là, une équipe de l’Université de New York, dirigée par le physicien Leif Ristroph, s’est penchée sur le problème. Ils ont testé l’arroseur inversé à l’aide d’une buse standard en forme de S.
Ils ont découvert qu’il tournait à l’opposé d’un arroseur se déplaçant vers l’avant.
Mais l’étude avait un défaut. Il n’utilisait que la forme classique en S. Il n’avait pas testé de front les deux théories concurrentes.
La première théorie remonte au physicien autrichien Ernst Mach. Il soutient que le moment cinétique total de l’eau tourbillonnant à l’intérieur des bras doit être équilibré. L’arroseur doit tourner dans un sens pour annuler la rotation de l’eau dans l’autre.
La théorie numéro deux est liée à Feynman. Il se concentre sur les forces de pression et d’aspiration directement au niveau des pointes des buses. L’eau frappe l’extrémité du tube, créant un recul.
L’équipe de Ristroph a posé une question simple : et si nous arrêtions d’utiliser des arroseurs standards ?
Et si les bras tournaient en spirale ? Et s’ils se courbaient dans le mauvais sens ? Et s’ils se recroquevillaient sur eux-mêmes ?
L’objectif était de briser les hypothèses de Mach et de Feynman.
L’expérience en spirale
Dans une nouvelle étude publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), l’équipe a construit sept arroseurs bizarres. Ce n’étaient pas des gadgets de jardin ordinaires.
Ils ont conçu des bras avec des géométries inhabituelles pour tester les théories.
Un arroseur avait des bras qui tournaient plusieurs fois en spirale. Celui-ci a été conçu pour maximiser le moment cinétique de l’eau, spécifiquement pour tester l’idée de Mach.
Si Mach avait raison, cette conception en spirale aurait dû tourner de manière extravagante.
Ce n’est pas le cas.
Le fluide à l’intérieur transportait beaucoup plus d’élan. La structure solide bougeait à peine. La spirale était inflexible.
Une autre conception comportait un contre-courbure au niveau de la pointe de la buse. Cela visait à tester la théorie de la succion de Feynman. Si Feynman avait raison, inverser le virage aurait dû inverser la direction de la vrille.
Cela ne s’est pas produit non plus.
“Nous avons été obligés de dire : ‘Feynham et ses adeptes, vous partez'”, a déclaré Ristroph à Live Science.
Le hub est l’endroit où ça se passe
Les deux théories ont été démantelées. L’arroseur inversé n’est ni une simple balance de Mach ni un recul de Feynman.
Les preuves vont ailleurs.
Les trois mesures des sept modèles différents indiquaient le moyeu central. C’est là que les bras rencontrent le noyau. Ici, l’eau entrante entre en collision et tourbillonne. Il génère un flux de moment cinétique à l’intérieur du dispositif.
La structure solide de l’arroseur repousse ce flux interne.
Cela suggère que l’arroseur inversé n’est qu’une version inversée de la version avant. C’est régi par la même physique. Les forces s’exercent simplement aux extrémités opposées des bras.
Il s’avère que la réponse était cachée à la vue de tous depuis le début. Les détails comptent moins que l’interaction centrale.
Pourquoi c’est important pour l’énergie
Il ne s’agissait pas simplement d’un exercice académique de frustration. Le travail exigeait une réelle compétence.
Ristroph a crédité Jesse Smith, doctorant en physique à NYU, ainsi qu’un petit groupe d’étudiants. Ils ont également travaillé avec Brennan Sprinkle, un expert en dynamique des fluides computationnelle de la Colorado School of Mines. (Les noms de famille coïncidaient. Ce n’était juste pas de chance pour les présentations.)
L’équipe passe désormais aux simulations informatiques. Ils veulent voir si le modèle quantité de mouvement-flux résiste dans différentes conditions d’écoulement. Ils espèrent éventuellement dériver le comportement directement des équations fondamentales de la dynamique des fluides.
Mais le monde réel a ici des applications.
Comprendre comment les canaux courbes convertissent le flux de fluide en rotation n’est pas qu’une simple théorie. Cela aide les ingénieurs à concevoir de meilleures turbines. Il aide les appareils qui récupèrent l’énergie du vent ou des courants d’eau.
“Si nous pouvons faire quelque chose qui aiderait l’ingénierie… à mieux utiliser toute l’énorme quantité d’énergie éolienne et hydraulique que nous avons autour de nous”, a déclaré Ristroph, “ce serait une chose fantastique”.
Alors cet idiot d’arroseur nous a appris quelque chose de sérieux.
Mais est-ce que cela vous dit quoi manger pour le déjeuner ?
