Richard Feynman hield van een paradox.
De legendarische natuurkundige had geen geduld voor de benauwde academische wereld als er een dwaze vraag op tafel lag. Kan wiskunde de optimale lunchvolgorde dicteren? Kunnen mensen geursporen volgen zoals een hond door aan hun eigen voetafdrukken te snuffelen?
Nu, tientallen jaren na zijn dood, heeft een team van onderzoekers eindelijk een van zijn beroemdste raadsels opgelost. Ze keken naar de fysica van de “dwaze” sprinkler.
Het is een eenvoudig concept dat mensen jarenlang gek maakte. Neem een standaard gazonsproeier. Het draait in een cirkel terwijl het water eruit schiet. Eenvoudig. Maar draai het eens om. Sluit hem aan op een vacuüm. Laat het in plaats daarvan water in zuigen. Welke kant draait het op?
Gaat het achteruit? Of blijft het vooruit draaien en tart het de intuïtie?
Feynman studeerde in de jaren veertig aan Princeton toen hij voor het eerst met het idee speelde. Hij monteerde een glazen sprinkler in een laboratorium. Hij zette het vacuüm aan. Het gaf een kleine trilling. Toen deed het niets. Hij voerde de druk op totdat het glas barstte. Het experiment heeft de vraag niet beantwoord. Er is gewoon duur glas kapot gegaan.
Decennia lang kon niemand het eens worden over de uitkomst.
Sommige tests toonden aan dat de sprinkler naar voren draaide. Anderen lieten zien dat het achteruit draaide. Sommigen waren zenuwachtig. Sommigen bleven doodstil liggen. Het hing volledig af van hoe je het tuig bouwde. De dubbelzinnigheid bleef hangen tot 2024.
De theorieën van Feynman en Mach testen
Dat jaar ging een team van de New York University, onder leiding van natuurkundige Leif Ristrof, aan de slag met het probleem. Ze testten de omgekeerde sprinkler met een standaard S-vormig mondstuk.
Ze ontdekten dat het tegengesteld aan een voorwaarts bewegende sprinkler draait.
Maar het onderzoek vertoonde een fout. Er werd alleen gebruik gemaakt van de klassieke S-vorm. Het had de twee concurrerende theorieën niet frontaal getest.
Theorie nummer één gaat terug tot de Oostenrijkse natuurkundige Ernst Mach. Het stelt dat het totale impulsmoment van het water dat in de armen wervelt in evenwicht moet zijn. De sproeier moet in de ene richting draaien om de draaiing van het water in de andere richting te neutraliseren.
Theorie nummer twee is gekoppeld aan Feynman. Het concentreert zich op de druk- en zuigkrachten direct aan de mondstukpunten. Het water raakt het uiteinde van de buis, waardoor een terugslag ontstaat.
Het team van Ristrof stelde een simpele vraag: wat als we stoppen met het gebruik van standaard sprinklers?
Wat als de armen in een spiraal zouden draaien? Wat als ze de verkeerde kant op bogen? Wat als ze zich in zichzelf zouden oprollen?
Het doel was om de aannames van zowel Mach als Feynman te doorbreken.
Het spiraalexperiment
In een nieuwe studie gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), bouwde het team zeven bizarre sprinklers. Dit waren geen doorsnee tuingadgets.
Ze ontwierpen armen met ongebruikelijke geometrieën om de theorieën aan een stresstest te onderwerpen.
Eén sprinkler had armen die meerdere keren spiraalvormig draaiden. Dit was bedoeld om het impulsmoment van het water te maximaliseren, specifiek om het idee van Mach te testen.
Als Mach gelijk had, had dit spiraalvormige ontwerp wild moeten ronddraaien.
Dat gebeurde niet.
De vloeistof binnenin had aanzienlijk meer momentum. De solide structuur bewoog nauwelijks. De spiraal was onverzettelijk.
Een ander ontwerp had een tegenbuiging aan de punt van het mondstuk. Dit was bedoeld om de zuigtheorie van Feynman te testen. Als Feynman gelijk had, had het omkeren van de bocht de draairichting moeten omdraaien.
Dat gebeurde ook niet.
“We werden gedwongen te zeggen: ‘Feynham en volgers, jullie gaan weg'”, vertelde Ristrof aan Live Science.
De hub is waar het gebeurt
Beide theorieën werden ontmanteld. De omgekeerde sprinkler is noch een eenvoudige Mach-balans, noch een Feynman-terugslag.
Het bewijsmateriaal wijst ergens anders heen.
Alle drie de metingen van de zeven verschillende ontwerpen wezen naar de centrale hub. Dit is waar de armen de kern ontmoeten. Hier botst binnenkomend water en wervelt. Het genereert een stroom impulsmoment in het apparaat.
De solide structuur van de sprinkler duwt terug tegen deze interne flux.
Dit suggereert dat de omgekeerde sprinkler slechts een inside-out-versie is van de voorwaartse versie. Het wordt beheerst door dezelfde fysica. De krachten spelen zich gewoon af aan de tegenovergestelde uiteinden van de armen.
Het blijkt dat het antwoord al die tijd in het volle zicht verborgen was. De details zijn minder belangrijk dan de centrale interactie.
Waarom dit belangrijk is voor energie
Dit was niet alleen een academische oefening in frustratie. Het werk vereiste echte vaardigheid.
Ristrof schreef Jesse Smith, een natuurkundepromovendus aan de NYU, samen met een kleine groep studenten. Ze werkten ook samen met Brennan Sprinkle, een expert op het gebied van computationele vloeistofdynamica van de Colorado School of Mines. (De achternamen vielen samen. Dat was gewoon pech bij introducties.)
Nu gaat het team over op computersimulaties. Ze willen zien of het momentum-flux-model stand houdt onder verschillende stromingsomstandigheden. Ze hopen het gedrag uiteindelijk rechtstreeks af te leiden uit fundamentele vergelijkingen van de vloeistofdynamica.
Maar de echte wereld heeft hier toepassingen.
Begrijpen hoe gebogen kanalen de vloeistofstroom in rotatie omzetten, is niet alleen maar theorie. Het helpt ingenieurs betere turbines te ontwerpen. Het helpt apparaten die energie uit wind- of waterstromingen halen.
“Als we iets kunnen doen dat de techniek zou helpen… beter gebruik kunnen maken van de enorme hoeveelheid wind- en waterenergie die we om ons heen hebben,” zei Ristrof, “zou dat fantastisch zijn.”
Dus de gekke sproeier heeft ons iets serieus geleerd.
Maar staat er ook wat je als lunch moet eten?
