Richard Feynman amava i paradossi.
Il leggendario fisico non aveva pazienza per il mondo accademico soffocante quando c’era una domanda stupida sul tavolo. Può la matematica dettare l’ordine ottimale del pranzo? Gli esseri umani possono tracciare le tracce olfattive come un cane annusando le proprie impronte?
Ora, decenni dopo la sua morte, un team di ricercatori ha finalmente risolto uno dei suoi enigmi più famosi. Hanno esaminato la fisica dello “stupido” irrigatore.
È un concetto semplice che ha fatto impazzire la gente per anni. Prendi un irrigatore per prato standard. Gira in cerchio mentre spara fuori l’acqua. Facile. Ma giralo. Agganciatelo all’aspirapolvere. Fategli invece aspirare l’acqua dentro. In che senso gira?
Va all’indietro? Oppure continua a girare in avanti, sfidando l’intuizione?
Feynman era uno studente laureato a Princeton negli anni ’40 quando per la prima volta accarezzò l’idea. Ha installato uno spruzzatore di vetro in un laboratorio. Ha acceso l’aspirapolvere. Ha dato un piccolo tremore. Quindi non ha fatto nulla. Alzò la pressione finché il vetro non si frantumò. L’esperimento non è riuscito a rispondere alla domanda. Ha appena rotto un vetro costoso.
Per decenni nessuno è riuscito a concordare il risultato.
Alcuni test hanno mostrato che l’irrigatore girava in avanti. Altri lo hanno mostrato mentre girava all’indietro. Alcuni erano nervosi. Alcuni rimasero immobili. Dipendeva interamente da come costruivi l’attrezzatura. L’ambiguità è rimasta fino al 2024.
Testare le teorie di Feynman e Mach
Quell’anno, un team della New York University, guidato dal fisico Leif Ristroph, cercò di risolvere il problema. Hanno testato l’irrigatore inverso utilizzando un ugello standard a forma di S.
Hanno scoperto che gira in senso opposto a un irrigatore che si muove in avanti.
Ma lo studio aveva un difetto. Utilizzava solo la classica forma a S. Non aveva testato direttamente le due teorie concorrenti.
La teoria numero uno risale al fisico austriaco Ernst Mach. Sostiene che il momento angolare totale dell’acqua che vortica all’interno dei bracci deve essere bilanciato. L’irrigatore dovrebbe girare in un modo per annullare la rotazione dell’acqua nell’altro.
La teoria numero due è legata a Feynman. Si concentra sulle forze di pressione e aspirazione direttamente sulle punte degli ugelli. L’acqua colpisce l’estremità del tubo, creando un rinculo.
Il team di Ristroph ha posto una semplice domanda: cosa succederebbe se smettessimo di utilizzare gli irrigatori standard?
E se le braccia si muovessero a spirale? E se si fossero piegati nella direzione sbagliata? E se si arricciassero su se stesse?
L’obiettivo era rompere le ipotesi sia di Mach che di Feynman.
L’esperimento della spirale
In un nuovo studio pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), il team ha costruito sette bizzarri irrigatori. Questi non erano i normali gadget da giardino.
Hanno progettato bracci con geometrie insolite per mettere alla prova le teorie.
Un irrigatore aveva bracci che si muovevano a spirale più volte. Questo è stato progettato per massimizzare il momento angolare dell’acqua, specificamente per testare l’idea di Mach.
Se Mach avesse avuto ragione, questo disegno a spirale avrebbe dovuto girare all’impazzata.
Non è stato così.
Il fluido all’interno trasportava sostanzialmente più slancio. La solida struttura si muoveva appena. La spirale era irremovibile.
Un altro design prevedeva una controcurva sulla punta dell’ugello. Questo aveva lo scopo di testare la teoria dell’aspirazione di Feynman. Se Feynman avesse avuto ragione, invertire la curva avrebbe dovuto invertire la direzione della rotazione.
Nemmeno questo è successo.
“Siamo stati costretti a dire: ‘Feynham e seguaci, voi ragazzi andate via'”, ha detto Ristroph a * Live Science *.
L’hub è il luogo in cui accade
Entrambe le teorie furono smantellate. L’irrigatore inverso non è né un semplice equilibrio di Mach né un rinculo di Feynman.
Le prove puntano altrove.
Tutte e tre le misurazioni sui sette diversi modelli indicavano il mozzo centrale. È qui che le braccia incontrano il nucleo. Qui, l’acqua in entrata si scontra e vortica. Genera un flusso di momento angolare all’interno del dispositivo.
La solida struttura dell’irrigatore respinge questo flusso interno.
Ciò suggerisce che l’irrigatore inverso è solo una versione rovesciata della versione anteriore. È governato dalla stessa fisica. Le forze si stanno semplicemente esercitando alle estremità opposte delle braccia.
Si scopre che la risposta era sempre nascosta in bella vista. I dettagli contano meno dell’interazione centrale.
Perché questo è importante per l’energia
Questo non era solo un esercizio accademico di frustrazione. Il lavoro richiedeva una vera abilità.
Ristroph ha attribuito il merito a Jesse Smith, un dottorando in fisica della New York University, insieme a un piccolo gruppo di studenti. Hanno lavorato anche con Brennan Sprinkle, un esperto di fluidodinamica computazionale della Colorado School of Mines. (I cognomi coincidevano. È stata solo sfortuna per le presentazioni.)
Ora il team sta passando alle simulazioni al computer. Vogliono vedere se il modello flusso-impulso regge in diverse condizioni di flusso. Sperano di ricavare eventualmente il comportamento direttamente dalle equazioni fondamentali della fluidodinamica.
Ma il mondo reale ha applicazioni qui.
Capire come i canali curvi convertono il flusso del fluido in rotazione non è solo teoria. Aiuta gli ingegneri a progettare turbine migliori. Aiuta i dispositivi che raccolgono energia dal vento o dalle correnti d’acqua.
“Se potessimo fare qualcosa che possa aiutare l’ingegneria… sarebbe meglio sfruttare tutta l’enorme quantità di energia eolica e idrica che abbiamo intorno a noi”, ha detto Ristroph, “sarebbe una cosa fantastica”.
Quindi quello stupido irrigatore ci ha insegnato qualcosa di serio.
Ma ti dice cosa mangiare a pranzo?
