Річард Фейнман любив феномена.
Цей легендарний фізик не мав жодної поваги до нудної академічної рутини, якщо на порядку денному виявлялося якесь безглузде питання. Чи може математика диктувати оптимальний порядок обіду? Чи здатні люди відстежувати сліди по запаху, як собаки, обнюхуючи власні сліди землі?
Через десятиліття після його смерті група дослідників нарешті дозволила одну з найвідоміших загадок Фейнмана. Вони вивчили фізику цього «смішного» спринклеру (садового зрошувача).
Концепція проста, але вона зводила з глузду людей роками. Візьміть звичайний садовий спринклер. Він обертається по колу, вистрілюючи водою. Легко. Але переверніть його. Підключіть вакуумний насос. Змусіть його всмоктувати воду замість того, щоб викидати її. В який бік він почне обертатись?
Він поверне назад? Чи продовжить крутитись вперед, ігноруючи інтуїцію?
Фейнман, будучи аспірантом у Прінстоні у 1940-х роках, вперше почав експериментувати з цією ідеєю. Він зібрав скляний спринклер у лабораторії. Увімкнув вакуум. Пристрій здригнувся, а потім нічого не сталося. Він збільшив тиск, доки скло не тріснуло. Експеримент не дав відповіді на запитання. Він лише знищив дорогий посуд.
Десятиліттями вчені не могли дійти єдиної думки про результат.
Одні випробування показували обертання спринклера вперед. Інші назад. Деякі смикалися, інші залишалися нерухомими. Все залежало тільки від того, як була зібрана установка. Ця невизначеність зберігалася до 2024 року.
Тестування теорій Фейнмана та Маха
У тому році команда з Нью-Йоркського університету під керівництвом фізика Ліфа Рістрофа взялася за це завдання. Вони протестували реверсивний спринклер, використовуючи стандартну S-подібну насадку.
Вони виявили, що він обертається у бік, протилежний нормальному спринклеру.
Однак у дослідження була вада. Вони використовували лише класичну S-форму. Два конкуруючі теоретичні підходи були перевірені напряму.
Перша теорія перегукується з австрійському фізику Ернсту Маху. Вона стверджує, що повний кутовий момент води, що обертається всередині трубчастих важелів, має бути компенсований. Спринклер повинен обертатися в один бік, щоб урівноважити обертання води до іншого.
Друга теорія пов’язані з ім’ям Фейнмана. Вона фокусується на силах тиску та всмоктування безпосередньо біля кінчиків насадок. Потрапляючи на кінець трубки, вода створює ефект віддачі.
Команда Ристрофа поставила просте запитання: що, якщо ми перестанемо використовувати стандартні спринклери?
Що, якщо важелі закручуватимуться спіраллю? Що, якщо вони неправильно вигнуті? Що, якщо вони згорнуться в себе?
Ціль полягала в тому, щоб перевірити передумови обох теорій – Маха і Фейнмана.
Спіральний експеримент
У новому дослідженні, опублікованому в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), команда створила сім химерних спринклерів. То були не звичайні садові гаджети.
Вони розробили важелі з незвичайною геометрією, щоб піддати теорії екстремальним випробуванням.
Один спринклер мав важелі, закручені у спіраль кілька разів. Це було зроблено для максимізації кутового моменту води, щоб специфічно перевірити ідею Маха.
Якби Мах мав рацію, ця спіральна конструкція мала б обертатися шалено швидко.
Вона не стала.
Рідина всередині несла значно більший імпульс. Тверда структура майже рухалася. Спіраль виявилася неподатливою.
Інший дизайн містив зворотний вигин на кінчику насадки. Це мало перевірити теорію всмоктування Фейнмана. Якби теорія Фейнмана була вірна, зміна напряму вигину мала б перевернути напрям обертання.
Це також не сталося.
«Нам довелося сказати: „Фейнман та його послідовники, ви неправі“», — розповів Рістроф виданню Live Science.
Все відбувається в центрі
Обидві теорії спростували. Реверсивний спринклер не є ні простим балансом за Махом, ні віддачею за Фейнманом.
Вказівки вказують в іншому напрямку.
Усі три виміри в семи різних конструкціях вказували на центральний вузол. Це місце, де важелі з’єднуються із ядром пристрою. Тут вода, що входить, стикається і закручується. Це генерує потік кутового моменту всередині пристрою.
Тверда структура спринклера чинить опір цьому внутрішньому потоку.
Це говорить про те, що реверсивний спринклер – це просто “вивернута навиворіт” версія звичайного. Він керується тією ж фізикою. Просто сили виявляються на протилежних кінцях важелів.
З’ясувалося, що відповідь завжди була на увазі. Деталі конструкції мають менше значення, ніж центральна взаємодія.
Чому це важливо для енергетики
Це була не просто академічна вправа в ім’я подолання здивування. Робота вимагала реальної майстерності.
Рістроф відзначив внесок Джеффрі Сміта, кандидата фізики з NYU, разом із невеликою групою студентів. Вони також співпрацювали з Бреннаном Спрінклом, експертом з обчислювальної гідродинаміки з Колорадської школи гірничої справи. (Збіг прізвищ. Просто невдача для уявлень.)
Тепер команда переходить до комп’ютерного моделювання. Вони хочуть побачити, чи тримається модель потоку імпульсу за різних умов течії. Зрештою, вони сподіваються вивести поведінку системи безпосередньо з фундаментальних рівнянь гідродинаміки.
Але це має реальні додатки.
Розуміння того, як вигнуті канали перетворять потік рідини на обертання — це не просто теорія. Це допомагає інженерам створювати ефективніші турбіни. Це сприяє розвитку пристроїв, що збирають енергію з вітру чи водних течій.
«Якщо ми можемо зробити щось, що допоможе в інженерії… давайте скористаємося величезною кількістю енергії вітру та води, що оточує нас», — сказав Рістроф. — Це було б фантастичним досягненням.
Отже, цей смішний спринклер навчив нас чогось серйозного.
Але чи каже він вам, що з’їсти на обід?
