Головоломка Фейнмана про перевернутий спринклер нарешті має розв’язок

Уявіть собі спринклерну систему з S-подібними плечима. Вода витікає, а спринклер рухається – поки що це здається досить простим. А тепер уявіть повністю протилежну версію: Ваш спринклер занурений і всмоктує воду. Питання, яке поставив фізик Річард Фейнман, було наступним: в якому напрямку вона обертається? Тепер у нас є відповідь, яка демонструє складність руху рідин.

Якщо ви маєте просте і чітке уявлення про те, як це може статися, то ви в хорошій компанії. Фейнман вважав, що люди опиняться або в таборі зворотної ротації, або в таборі тієї самої ротації, маючи здорову логіку, або як би це працювало. Експерименти з 1985 року (коли була опублікована книга “Звичайно, ви жартуєте, пане Фейнман!”) – це скоріше мішанина, що демонструє зворотне обертання, нестабільне обертання, яке змінює напрямок, і рух, повністю залежний від геометрії системи. Це великий безлад.

Новітні дослідження мають на меті забезпечити глобальне розуміння механіки системи. Завдяки точній експериментальній установці та послідовному моделюванню команда підійшла до розгадки загадки. Спринклер справді змінює напрямок руху, але цей рух нестабільний і набагато повільніший. Отже, змінити напрямок потоку води в спринклерній системі – це не те саме, що побачити, як система грає заднім ходом.

Перший крок для розуміння проблеми – занурити спринклер у воду і змусити його обертатися. Це повинно відбуватися з якомога меншим тертям в обох напрямках. У стандартному прямому русі спринклер рухається за допомогою реактивної тяги. У зворотному русі спринклер все ще приводиться в рух реактивним двигуном, але з середньою швидкістю обертання приблизно в 50 разів повільніше.

Реверсивний підхід все ще викликає здивування, якщо ви не можете відстежити, що відбувається всередині дощувальної машини. Зрештою, потік, що йде всередину, повинен компенсуватись і не створювати жодного чистого крутного моменту. Команда використовувала барвники та світло, щоб простежити за поведінкою потоку. У першому випадку спринклер красиво рухається, коли вода витікає з S-подібних рукавів.

У зворотному випадку розбризкувач, який на відео вище залишається нерухомим, щоб допомогти візуалізувати внутрішню поведінку, трохи відкидає воду від центру, створюючи невеликий, але помітний рух. Потік є асиметричним, що призводить до виникнення своєрідних профілів, які можна побачити в різних експериментах.

“Звичайний або “прямий” спринклер схожий на ракету, оскільки він рухається, вистрілюючи струменями, – говорить старший автор Лейф Рістроф (Leif Ristroph) з Нью-Йоркського університету. “Але зворотний спринклер є загадковим, оскільки вода, яка всмоктується, зовсім не схожа на струмені. Ми виявили, що секрет ховається всередині дощувальної машини, де дійсно є струмені, які пояснюють спостережувані рухи”.

Спринклерів, які всмоктують воду, не потрібно, але для пристроїв, потік яких може бути схожим, тепер є надійне моделювання, на яке можна покластися. І хоча це специфічно для води, механіка цього явища є спільною для всіх рідин.