Richard Feynman menyukai paradoks.
Fisikawan legendaris itu tidak punya kesabaran terhadap dunia akademis yang pengap ketika ada pertanyaan konyol yang diajukan. Bisakah matematika menentukan urutan makan siang yang optimal? Bisakah manusia melacak jejak aroma seperti anjing dengan mengendus jejak kakinya sendiri?
Kini, beberapa dekade setelah kematiannya, tim peneliti akhirnya memecahkan salah satu teka-teki paling terkenalnya. Mereka melihat fisika dari alat penyiram “konyol”.
Ini adalah konsep sederhana yang membuat orang gila selama bertahun-tahun. Ambil alat penyiram rumput standar. Ia berputar dalam lingkaran saat mengeluarkan air. Mudah. Tapi balikkan. Kaitkan ke ruang hampa. Jadikan itu menyedot air masuk sebagai gantinya. Ke arah mana putarannya?
Apakah itu mundur? Atau apakah ia terus berputar ke depan, menentang intuisi?
Feynman adalah seorang mahasiswa pascasarjana di Princeton pada tahun 1940-an ketika dia pertama kali memikirkan ide tersebut. Dia memasang alat penyiram kaca di laboratorium. Dia menyalakan penyedot debu. Ini menimbulkan getaran kecil. Kemudian ia tidak melakukan apa pun. Dia menaikkan tekanan sampai kacanya pecah. Eksperimen tersebut gagal menjawab pertanyaan tersebut. Itu baru saja memecahkan kaca mahal.
Selama berpuluh-puluh tahun, tak seorang pun sepakat mengenai hasilnya.
Beberapa tes menunjukkan alat penyiram berputar ke depan. Yang lain menunjukkannya berputar ke belakang. Beberapa gelisah. Beberapa masih tetap mati. Itu sepenuhnya bergantung pada cara Anda membuat rig. Ketidakjelasan ini bertahan hingga tahun 2024.
Menguji teori Feynman dan Mach
Tahun itu, sebuah tim di Universitas New York, yang dipimpin oleh fisikawan Leif Ristroph, memecahkan masalah tersebut. Mereka menguji alat penyiram terbalik menggunakan nozel standar berbentuk S.
Mereka menemukannya berputar berlawanan dengan alat penyiram yang bergerak maju.
Namun penelitian ini memiliki kelemahan. Itu hanya menggunakan bentuk S klasik. Itu belum menguji dua teori yang bersaing secara langsung.
Teori nomor satu berasal dari fisikawan Austria Ernst Mach. Argumennya adalah momentum sudut total air yang berputar di dalam lengan harus seimbang. Alat penyiram harus berputar ke satu arah untuk membatalkan putaran air ke arah lain.
Teori nomor dua terkait dengan Feynman. Ini berfokus pada tekanan dan gaya hisap tepat di ujung nosel. Air mengenai ujung tabung, menyebabkan hentakan.
Tim Ristroph mengajukan pertanyaan sederhana: Bagaimana jika kita berhenti menggunakan alat penyiram standar?
Bagaimana jika lengannya berputar? Bagaimana jika mereka membengkok ke arah yang salah? Bagaimana jika mereka meringkuk ke dalam diri mereka sendiri?
Tujuannya adalah untuk mematahkan asumsi Mach dan Feynman.
Eksperimen spiral
Dalam studi baru yang diterbitkan dalam Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), tim tersebut membuat tujuh alat penyiram yang aneh. Ini bukan gadget taman biasa.
Mereka merancang senjata dengan geometri yang tidak biasa untuk menguji teori tersebut.
Salah satu alat penyiram memiliki lengan yang berputar beberapa kali. Ini dirancang untuk memaksimalkan momentum sudut air, khususnya untuk menguji gagasan Mach.
Jika Mach benar, desain spiral ini seharusnya berputar dengan liar.
Ternyata tidak.
Cairan di dalamnya membawa momentum yang jauh lebih besar. Struktur kokohnya nyaris tidak bergerak. Spiral itu pantang menyerah.
Desain lainnya menampilkan tikungan balik di ujung nosel. Hal ini dimaksudkan untuk menguji teori hisap Feynman. Jika Feynman benar, membalikkan tikungan seharusnya membalikkan arah putaran.
Hal itu juga tidak terjadi.
“Kami terpaksa mengatakan, ‘Feynham dan para pengikutnya, kalian libur,’” kata Ristroph kepada Live Science.
Hub adalah tempat terjadinya
Kedua teori tersebut dibongkar. Alat penyiram terbalik bukanlah keseimbangan Mach yang sederhana atau kemunduran Feynman.
Bukti menunjukkan hal lain.
Ketiga pengukuran pada tujuh desain berbeda menunjuk ke hub pusat. Di sinilah pertemuan lengan dengan inti. Di sini, air yang masuk bertabrakan dan berputar-putar. Ini menghasilkan fluks momentum sudut di dalam perangkat.
Struktur sprinkler yang kokoh mendorong fluks internal ini.
Hal ini menunjukkan bahwa alat penyiram terbalik hanyalah versi luar-dalam dari versi maju. Itu diatur oleh fisika yang sama. Kekuatan-kekuatan tersebut hanya bermain di ujung-ujung lengan yang berlawanan.
Ternyata selama ini jawabannya tersembunyi di depan mata. Detailnya kurang penting dibandingkan interaksi utamanya.
Mengapa hal ini penting bagi energi
Ini bukan sekadar latihan akademis yang membuat frustrasi. Pekerjaan itu membutuhkan keterampilan yang nyata.
Ristroph memuji Jesse Smith, kandidat PhD fisika NYU, bersama dengan sekelompok kecil mahasiswa. Mereka juga bekerja sama dengan Brennan Sprinkle, seorang ahli komputasi dinamika fluida dari Colorado School of Mines. (Nama terakhirnya bertepatan. Itu hanya nasib buruk untuk perkenalan.)
Kini, tim beralih ke simulasi komputer. Mereka ingin melihat apakah model fluks momentum dapat bertahan pada kondisi aliran yang berbeda. Mereka berharap pada akhirnya dapat memperoleh perilaku tersebut langsung dari persamaan fundamental dinamika fluida.
Namun dunia nyata mempunyai penerapannya di sini.
Memahami bagaimana saluran melengkung mengubah aliran fluida menjadi rotasi bukan hanya teori. Ini membantu para insinyur merancang turbin yang lebih baik. Ini membantu perangkat yang memanen energi dari angin atau arus air.
“Jika kita dapat melakukan sesuatu yang dapat membantu bidang teknik… lebih baik memanfaatkan seluruh energi angin dan air dalam jumlah besar yang kita miliki di sekitar kita,” kata Ristroph, “itu akan menjadi hal yang luar biasa.”
Jadi alat penyiram konyol itu mengajari kita sesuatu yang serius.
Tapi apakah itu memberi tahu Anda apa yang harus dimakan untuk makan siang?
