|
Загадка физики, которой уже несколько десятилетий
|
|
|
|
На протяжении десятилетий ученые пытались решить проблему спринклера Фейнмана: как работает спринклер, работающий в обратном направлении, при котором вода течет в устройство, а не из него? С помощью серии экспериментов группа математиков выяснила, как текущие жидкости оказывают силы и перемещают структуры, тем самым открыв ответ на эту давнюю загадку. «Наше исследование решает проблему, сочетая точные лабораторные эксперименты с математическим моделированием, которое объясняет, как работает обратный спринклер», — объясняет Лейф Ристроф, доцент Курантского института математических наук Нью-Йоркского университета и старший автор статьи, опубликованной в журнале Physical Review. Буквы. «Мы обнаружили, что обратный разбрызгиватель вращается в «обратном» или противоположном направлении при заборе воды и при ее выбросе, и причина этого тонкая и удивительная».
|
|
|
|
«Обычный, или «передний», разбрызгиватель похож на ракету, поскольку он движется за счет выброса струй», — добавляет Ристроф. «Но обратный разбрызгиватель загадочен, поскольку всасываемая вода совсем не похожа на струи. Мы обнаружили, что секрет скрыт внутри разбрызгивателя, где действительно есть струи, которые объясняют наблюдаемые движения». Исследование отвечает на одну из старейших и сложнейших проблем физики жидкостей. И хотя Ристроф признает, что понимание работы обратного разбрызгивателя имеет скромную пользу — «Нет необходимости «обезливать» газоны», — говорит он, — полученные результаты рассказывают нам о лежащей в основе физики и о том, можем ли мы улучшить методы, необходимые для проектирования устройства, которые используют текущие жидкости для управления движениями и силами.
|
|
|
«Теперь мы гораздо лучше понимаем ситуации, в которых поток жидкости через конструкции может вызвать движение», — отмечает Бреннан Спринкл, доцент Горной школы Колорадо и один из соавторов статьи. «Мы думаем, что методы, которые мы использовали в наших экспериментах, будут полезны для многих практических применений, связанных с устройствами, реагирующими на поток воздуха или воды». Проблема разбрызгивателя Фейнмана обычно формулируется как мысленный эксперимент с разбрызгивателем газона, который вращается, когда жидкость, например вода, выбрасывается из его S-образных трубок или «рукавов». Вопрос в том, что произойдет, если жидкость всасывается через рычаги: вращается ли устройство, в каком направлении и почему?
|
|
|
|
Проблема связана с пионерами физики, от Эрнста Маха, который поставил эту проблему в 1880-х годах, до нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, который работал над и популяризировал ее с 1960-х по 1980-е годы. С тех пор она породила многочисленные исследования, в которых обсуждаются результаты и лежащие в ее основе физические основы, и по сей день она представлена как открытая проблема в физике и в учебниках по механике жидкости. Пытаясь решить проблему обратного спринклера, Ристроф, Спринкл и их соавторы, Кайчжэ Ван, докторант Нью-Йоркского университета на момент исследования, и Минсюань Цзо, аспирант Нью-Йоркского университета, изготовили спринклерные устройства по индивидуальному заказу и погрузили их в воду. в воде в аппарате, который всасывает или вытягивает воду с контролируемой скоростью.
|
|
|
|
Чтобы позволить устройству свободно вращаться в ответ на поток, исследователи создали новый тип поворотного подшипника со сверхнизким коэффициентом трения. Они также спроектировали спринклер таким образом, чтобы можно было наблюдать и измерять, как вода течет снаружи, внутри и через него. «Этого никогда раньше не делали, и это было ключом к решению проблемы», — объясняет Ристроф. Чтобы лучше наблюдать за процессом обратного разбрызгивания, исследователи добавили красители и микрочастицы в воду, подсвеченную лазерами, и зафиксировали потоки с помощью высокоскоростных камер. Результаты показали, что обратный разбрызгиватель вращается гораздо медленнее, чем обычный — примерно в 50 раз медленнее, — но механизмы принципиально схожи. Обычный передний разбрызгиватель действует как вращающаяся версия ракеты, приводимая в действие струей воды, выбрасываемой из рукавов.
|
|
|
|
Обратный спринклер действует как «ракета наизнанку», струи которого стреляют внутрь камеры, где встречаются рукава. Исследователи обнаружили, что две внутренние струи сталкиваются, но не встречаются точно в лоб, а их математическая модель показала, как этот тонкий эффект создает силы, которые вращают разбрызгиватель в обратном направлении. Команда считает, что этот прорыв потенциально полезен для использования экологически чистых источников энергии. «Вокруг нас существуют обширные и устойчивые источники энергии — ветер в нашей атмосфере, а также волны и течения в наших океанах и реках», — говорит Ристроф. «Выяснение того, как собрать эту энергию, является серьезной задачей и потребует от нас лучшего понимания физики жидкостей».
|
|
|
|
Источник
|
