Matematicienii au rezolvat în sfârșit problema „aspersoarelor inverse” a lui Feynman

O stropitoare tipică pentru gazon are diverse duze dispuse în unghi pe o roată rotativă; atunci când apa este pompată, eliberează jeturi care fac roata să se rotească. Dar ce s-ar întâmpla dacă apa ar fi aspirată în stropitor? În ce direcție s-ar întoarce roata atunci sau chiar s-ar întoarce deloc? Aceasta este esența „aspersor invers„problema cu care s-au confruntat, printre alții, fizicieni precum Richard Feynman, printre alții, încă din anii 1940. Acum, matematicienii aplicați de la Universitatea din New York cred că au rezolvat problema, conform unei lucrare recentă publicat în revista Physical Review Letters – iar răspunsul provoacă înțelepciunea convențională în această chestiune.

„Studiul nostru rezolvă problema combinând experimentele de laborator de precizie cu modelarea matematică care explică modul în care funcționează un sprinkler invers.” a spus coautorul Leif Ristroph al Institutului Courant al NYU. „Am descoperit că stropitorul invers se învârte în „invers” sau în direcția opusă atunci când ia apă, așa cum o face atunci când o ejectează, iar cauza este subtilă și surprinzătoare.”

Laboratorul lui Ristroph abordează frecvent aceste tipuri de puzzle-uri colorate din lumea reală. De exemplu, înapoi în 2018Ristroph și colegii reglat fin rețeta bulei perfecte bazată pe experimente cu folii subțiri cu săpun. (Doriți o baghetă circulară cu un perimetru de 1,5 inci și ar trebui să suflați ușor la o viteză constantă de 6,9 ​​cm/s.) În 2021laboratorul Ristroph privit în procesele de formare care stau la baza așa-numitelor „păduri de piatră” comune în anumite regiuni din China și Madagascar. Aceste formațiuni stâncoase ascuțite, ca faimoasele Pădurea de piatră în provincia Yunnan din China, sunt rezultatul dizolvării solidelor în lichide în prezența gravitației, care produce fluxuri convective naturale.

În 2021laboratorul lui a construit o supapă Tesla funcțională, în conformitate cu proiectul inventatorului, și a măsurat debitul de apă prin supapă în ambele direcții la diferite presiuni. Au descoperit că apa curgea de aproximativ două ori mai încet în direcția nepreferată. Și în 2022a studiat Ristroph aerodinamica depășit de complexă de ceea ce face un avion de hârtie bun – în special ceea ce este necesar pentru alunecare lină. Ei au descoperit că aerodinamica avioanelor de hârtie diferă substanțial de aeronavele convenționale, care se bazează pe profile aerodinamice pentru a genera portanță.

Problema sprinklerului invers este asociată cu Feynman deoarece a popularizat conceptul, dar de fapt datează de la un capitol din manualul lui Ernst Mach din 1883. Știința mecanicii (Die Mechanik in Ihrer Entwicklung Historisch-Kritisch Dargerstellt). Experimentul de gândire al lui Mach a rămas într-o relativă obscuritate până când un grup de fizicieni de la Universitatea Princeton a început să dezbată problema în anii 1940.

Feynman era student absolvent acolo la acea vreme și s-a aruncat în dezbatere cu plăcere, creând chiar și un experiment în laboratorul de ciclotroni pentru a-și testa ipoteza. (În adevăratul mod Feynman, acel experiment a culminat cu explozia unei damiși de sticlă folosită în aparat din cauza presiunii interne ridicate.)

S-ar putea intui că un stropitor invers ar funcționa la fel ca un stropitor obișnuit, doar jucat înapoi, ca să spunem așa. Dar fizica se dovedește a fi mai complicată. „Răspunsul este perfect clar la prima vedere”, a scris Feynman Cu siguranță glumiți, domnule Feynman (1985). „Problema a fost că un tip ar crede că este perfect clar [that the rotation would be] într-un fel, iar un alt tip ar crede că este perfect clar în altă parte.”