Ричард Фейнман обожал парадоксы.
Этот легендарный физик не питал никакого уважения к скучной академической рутине, если на повестке дня оказывался какой-нибудь нелепый вопрос. Может ли математика диктовать оптимальный порядок обеда? Способны ли люди отслеживать следы по запаху, как собаки, обнюхивая собственные следы на земле?
Спустя десятилетия после его смерти группа исследователей наконец разрешила одну из самых известных загадок Фейнмана. Они изучили физику этого «смешного» спринклера (садового оросителя).
Концепция проста, но она сводила с ума людей годами. Возьмите обычный садовый спринклер. Он вращается по кругу, выстреливая водой. Легко. Но переверните его. Подсоедините к нему вакуумный насос. Заставьте его всасывать воду вместо того, чтобы выбрасывать её. В какую сторону он начнёт вращаться?
Он повернет назад? Или продолжит крутиться вперёд, игнорируя интуицию?
Фейнман, будучи аспирантом в Принстоне в 1940-х годах, впервые начал экспериментировать с этой идеей. Он собрал стеклянный спринклер в лаборатории. Включил вакуум. Устройство дрогнуло, а затем ничего не произошло. Он увеличил давление, пока стекло не треснуло. Эксперимент не дал ответа на вопрос. Он лишь уничтожил дорогую посуду.
Десятилетиями учёные не могли прийти к единому мнению о результате.
Одни тесты показывали вращение спринклера вперёд. Другие — назад. Некоторые дёргались, другие оставались неподвижными. Всё зависело исключительно от того, как была собрана установка. Эта неопределённость сохранялась до 2024 года.
Тестирование теорий Фейнмана и Маха
В том году команда из Нью-Йоркского университета под руководством физика Лифа Ристрофа взялась за эту задачу. Они протестировали реверсивный спринклер, используя стандартную S-образную насадку.
Они обнаружили, что он вращается в сторону, противоположную нормальному спринклеру.
Однако у исследования был изъян. Они использовали только классическую S-форму. Два конкурирующих теоретических подхода не были проверены напрямую.
Первая теория восходит к австрийскому физику Эрнсту Маху. Она утверждает, что полный угловой момент воды, вращающейся внутри трубчатых рычагов, должен быть скомпенсирован. Спринклер должен вращаться в одну сторону, чтобы уравновесить вращение воды в другую.
Вторая теория связана с именем Фейнмана. Она фокусируется на силах давления и всасывания непосредственно у кончиков насадок. Попадая на конец трубки, вода создает эффект отдачи.
Команда Ристрофа задала простой вопрос: что, если мы перестанем использовать стандартные спринклеры?
Что, если рычаги будут закручиваться спиралью? Что, если они изогнуты неправильно? Что, если они свернутся сами в себя?
Цель состояла в том, чтобы проверить предпосылки обеих теорий — Маха и Фейнмана.
Спиральный эксперимент
В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), команда создала семь причудливых спринклеров. Это были не обычные садовые гаджеты.
Они разработали рычаги с необычной геометрией, чтобы подвергнуть теории экстремальным испытаниям.
Один спринклер имел рычаги, закрученные в спираль несколько раз. Это было сделано для максимизации углового момента воды, чтобы Specifically проверить идею Маха.
Если бы Мах был прав, эта спиральная конструкция должна была бы вращаться безумно быстро.
Она не стала.
Жидкость внутри несла значительно больший импульс. Твёрдая структура почти не двигалась. Спираль оказалась неподатливой.
Другой дизайн содержал обратный изгиб на кончике насадки. Это должно было проверить теорию всасывания Фейнмана. Если бы теория Фейнмана была верна, изменение направления изгиба должно было бы перевернуть направление вращения.
Это тоже не произошло.
«Нам пришлось сказать: „Фейнман и его последователи, вы неправы“», — рассказал Ристроф изданию Live Science.
Всё происходит в центре
Обе теории были опровергнуты. Реверсивный спринклер не является ни простым балансом по Маху, ни отдачей по Фейнману.
Указания указывают в другом направлении.
Все три измерения в семи различных конструкциях указывали на центральный узел. Это место, где рычаги соединяются с ядром устройства. Здесь входящая вода сталкивается и закручивается. Это генерирует поток углового момента внутри устройства.
Твёрдая структура спринклера сопротивляется этому внутреннему потоку.
Это говорит о том, что реверсивный спринклер — это просто «вывернутая наизнанку» версия обычного. Он управляется той же физикой. Просто силы проявляются на противоположных концах рычагов.
Выяснилось, что ответ всегда был на виду. Детали конструкции имеют меньшее значение, чем центральное взаимодействие.
Почему это важно для энергетики
Это была не просто академическая упражнение во имя преодоления недоумения. Работа требовала реального мастерства.
Ристроф отметил вклад Джеффри Смита, кандидата физики из NYU, вместе с небольшой группой студентов. Они также сотрудничали с Бреннаном Спринклом, экспертом по вычислительной гидродинамике из Колорадской школы горного дела. (Совпадение фамилий. Просто неудача для представлений.)
Теперь команда переходит к компьютерному моделированию. Они хотят увидеть, держится ли модель потока импульса при различных условиях течения. В конечном итоге они надеются вывести поведение системы напрямую из фундаментальных уравнений гидродинамики.
Но у этого есть реальные приложения.
Понимание того, как изогнутые каналы преобразуют поток жидкости во вращение — это не просто теория. Это помогает инженерам создавать более эффективные турбины. Это способствует развитию устройств, собирающих энергию из ветра или водных течений.
«Если мы можем сделать что-то, что поможет в инженерии… давайте воспользуемся огромным количеством энергии ветра и воды, которое нас окружает», — сказал Ристроф. — «Это было бы фантастическим достижением».
Итак, этот смешной спринклер научил нас чему-то серьёзному.
Но говорит ли он вам, что съесть на обед?
