Richard Feynman kochał paradoksy.
Ten legendarny fizyk nie miał szacunku dla nudnej akademickiej rutyny, jeśli w porządku obrad znajdowało się jakieś absurdalne pytanie. Czy matematyka może narzucić optymalną kolejność lunchu? Czy ludzie potrafią tropić ślady po zapachu, tak jak psy węszące własne ślady na ziemi?
Dziesiątki lat po jego śmierci zespół badaczy w końcu rozwiązał jedną z najsłynniejszych tajemnic Feynmana. Studiowali fizykę tego „zabawnego” zraszacza (zraszacza ogrodowego).
Koncepcja jest prosta, ale od lat doprowadza ludzi do szaleństwa. Weź zwykły zraszacz ogrodowy. Kręci się po okręgu, wypuszczając wodę. Łatwo. Ale odwróć to. Podłącz do niego pompę próżniową. Spraw, aby zamiast wysysało wodę*, zamiast ją wyrzucać. W którą stronę zacznie się obracać?
Czy zawróci? A może będzie nadal kręcił się do przodu, ignorując swoją intuicję?
Feynman, jako absolwent Princeton w latach czterdziestych XX wieku, zaczął po raz pierwszy eksperymentować z tym pomysłem. W laboratorium zmontował szklany tryskacz. Włączyłem odkurzacz. Urządzenie zatrzęsło się i potem nic się nie stało. Zwiększał ciśnienie, aż szkło pękło. Eksperyment nie dał odpowiedzi na pytanie. Niszczył tylko drogie naczynia.
Przez dziesięciolecia naukowcy nie mogli osiągnąć konsensusu w sprawie wyniku.
Niektóre testy wykazały, że zraszacz obraca się do przodu. Inni wracają. Niektórzy drżeli, inni pozostali w bezruchu. Wszystko zależało wyłącznie od sposobu montażu instalacji. Ta niepewność utrzymywała się do 2024 roku.
Testowanie teorii Feynmana i Macha
W tym samym roku zadaniem tym zajął się zespół z New York University pod przewodnictwem fizyka Liefa Ristrofa. Przetestowali tryskacz odwracalny przy użyciu standardowej dyszy S.
Odkryli, że obracał się w kierunku przeciwnym do normalnego zraszacza.
Badanie miało jednak wadę. Zastosowali tylko klasyczny kształt litery S. Obydwa konkurujące ze sobą podejścia teoretyczne nie zostały bezpośrednio przetestowane.
Pierwsza teoria wywodzi się od austriackiego fizyka Ernsta Macha. Twierdzi, że całkowity moment pędu wody obracającej się wewnątrz rurowych ramion musi zostać skompensowany. Zraszacz musi obracać się w jednym kierunku, aby zrównoważyć obrót wody w drugim.
Druga teoria związana jest z nazwiskiem Feynmana. Koncentruje się na siłach ciśnienia i ssania bezpośrednio na końcach dysz. Kiedy woda uderza w koniec rury, powoduje to efekt odrzutu.
Zespół Ristrofa zadał proste pytanie: co by było, gdybyśmy przestali używać standardowych zraszaczy?
A co by było, gdyby dźwignie kręciły się spiralnie? A co jeśli są zakrzywione w niewłaściwą stronę? A co jeśli zwiną się w sobie?
Celem było sprawdzenie założeń teorii Macha i Feynmana.
Eksperyment spiralny
W nowym badaniu opublikowanym w Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) zespół stworzył siedem fantazyjnych zraszaczy. Nie były to zwykłe gadżety ogrodnicze.
Opracowali dźwignie o niezwykłej geometrii, aby poddać teorie ekstremalnym testom.
Jeden zraszacz miał ramiona kilkakrotnie skręcone w spiralę. Dokonano tego, aby zmaksymalizować moment pędu wody, aby konkretnie przetestować pomysł Macha.
Gdyby Mach miał rację, ta spiralna struktura wirowałaby niesamowicie szybko.
Nie zrobiła tego.
Płyn znajdujący się w środku miał znacznie większy impet. Solidna konstrukcja prawie się nie poruszała. Spirala okazała się uparta.
Inny projekt obejmował odwrotną krzywiznę na końcu dyszy. Miało to na celu przetestowanie teorii ssania Feynmana. Jeśli teoria Feynmana była słuszna, zmiana kierunku zginania powinna odwrócić kierunek obrotu.
Tak się też nie stało.
„Musieliśmy powiedzieć: «Feynman i jego zwolennicy, mylicie się»” – Ristrof powiedział Live Science.
Wszystko dzieje się w centrum
Obie teorie zostały obalone. Zraszacz odwracalny nie jest ani prostą równowagą Macha, ani powrotem Feynmana.
Wskazówki wskazują inny kierunek.
Wszystkie trzy pomiary w siedmiu różnych projektach wskazywały na węzeł centralny. W tym miejscu ramiona łączą się z rdzeniem urządzenia. Tutaj napływająca woda zderza się i wiruje. Generuje to przepływ momentu pędu wewnątrz urządzenia.
Solidna konstrukcja zraszacza jest odporna na ten wewnętrzny przepływ.
Sugeruje to, że tryskacz odwracalny jest po prostu „wywróconą na lewą stronę” wersją zwykłego zraszacza. Kieruje nim ta sama fizyka. Siły pojawiają się po prostu na przeciwległych końcach dźwigni.
Okazało się, że odpowiedź zawsze była w zasięgu wzroku. Szczegóły projektu są mniej ważne niż centralna interakcja.
Dlaczego jest to ważne dla energii?
To nie było tylko akademickie ćwiczenie mające na celu przezwyciężenie dezorientacji. Praca wymagała prawdziwych umiejętności.
Ristrof odnotował wkład Jeffreya Smitha, kandydata fizyki na Uniwersytecie Nowojorskim, wraz z małą grupą studentów. Współpracowali także z Brennan Sprinkle, ekspertem w dziedzinie obliczeniowej dynamiki płynów w Colorado School of Mines. (Zbieżność nazwisk. Po prostu pech w przedstawianiu się.)
Teraz zespół przechodzi do modelowania komputerowego. Chcą sprawdzić, czy wzór przepływu pędu sprawdza się w różnych warunkach przepływu. Docelowo mają nadzieję wyprowadzić zachowanie systemu bezpośrednio z podstawowych równań dynamiki płynów.
Ale ma realne zastosowania.
Zrozumienie, w jaki sposób zakrzywione kanały przekształcają przepływ płynu w rotację, to coś więcej niż tylko teoria. Pomaga to inżynierom w tworzeniu bardziej wydajnych turbin. Zachęca to do rozwoju urządzeń pobierających energię z prądów wiatru lub wody.
„Jeśli możemy zrobić coś, co pomoże w inżynierii… wykorzystajmy ogromną ilość energii wiatru i wody, która nas otacza” – powiedział Ristrof. „To byłoby fantastyczne osiągnięcie”.
Więc ten zabawny zraszacz nauczył nas czegoś poważnego.
Ale czy mówi ci, co masz zjeść na lunch?
