Décadas antigas Mistério da Física – o problema do aspersor de Feynman finalmente resolvido: Sciencealert

Por gerações, o calor do verão enviou crianças correndo pelos riachos de água em espiral, de aspersores de jardim à moda antiga e em forma de S.

Mas o que aconteceria com a cabeça do aspersor se fosse submerso e sugado na água? Giraria da mesma maneira que um aspersor normal se o fluxo fosse revertido, acionado pela força da água jorrando ou girar na direção oposta à medida que a sucção atrai a rotação para a frente? Pode ficar estranhamente ainda?

Esse é o Problema de décadas Pergunta ficou famosa pelo renomado físico do século XX, Richard Feynman, que passou a ser conhecido como Problema de aspersores de Feynman.

Agora, um grupo de matemáticos pensa que finalmente o resolveu com uma série de experimentos de laboratório apoiados pela modelagem matemática.

Eles certamente não são os primeiros a tentar, mas ajuda que suas previsões sejam validadas com resultados experimentais.

No início da década de 1940, Feynman era um estudante de graduação na Universidade de Princeton que construiu um experimento improvisado Isso, de acordo com seus colegas, mostrou que o aspersor permaneceu estacionário depois de algumas pequenas balas. Ernst Mach pensou da mesma forma que em 1883, na primeira referência documentada ao problema.

Desde então, as experiências produziram resultados conflitantes: alguns mostram a cabeça do aspersor girando na direção inversa; Outros o observaram Alterando as direções erraticamente ou apenas movendo -se por um breve momento.

O estudante de doutorado em física da Universidade de Nova York, Kaizhe Wang e colegas, reduzem essas discrepâncias à geometria de configurações experimentais passadas e atrito entre o eixo rotativo e o rolamento interno, que possivelmente neutralizou outras forças.

Então, eles construíram um novo rolamento rotativo ultra-baixo que permitia que seu aspersor reverso feito sob medida girasse livremente. O aspersor tinha dois braços de tubos curvos e um sifão na parte superior do tubo cilíndrico para sugar água quando o dispositivo estava submerso em um tanque cheio de água.

O dispositivo também foi projetado para que pudesse funcionar indefinidamente, a bomba puxando a água de um reservatório em que a água desviada fluiu. Isso permitiu aos pesquisadores executar seus experimentos por várias horas, mais que experimentos anteriores.

A equipe também usou corantes coloridos, micropartículas de dispersão a laser e câmeras de alta velocidade, para visualizar e registrar a rotação do aspersor e os fluxos de água, para que possam comparar seus resultados experimentais com seus resultados de modelagem.

“Descobrimos que o sprinkler reverso gira na direção 'reversa' ou oposta ao absorver a água como faz quando a ejetar, e a causa é sutil e surpreendente,” explica Leif Ristroph, matemático da Universidade de Nova York e autor sênior do estudo.

Pense em um aspersor regular como uma versão rotativa de um foguete: a cabeça de aspersores é empurrada na direção oposta aos jatos de água de saída.

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Wang e colegas descobriram que, em seu aspersor reverso, os jatos de água que chegam se bateam na câmara interna do aspersor, mas não se encontram exatamente de frente, o que gera torque para girar o cubo.

O movimento do hub de aspersão não era estável, mas girou na direção oposta, embora 50 vezes mais lenta que um aspersor de fluxo externo. (No vídeo abaixo, o dispositivo é impedido de girar para melhorar a visualização dos fluxos.)

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“O grau de acordo entre o experimento e os resultados do modelo é bastante notável”, o engenheiro mecânico da Universidade McGill, Michael Pawndoussis, contou a Phillip Ball em Revista de Física.

Outros físicos concordar Os experimentos ajudam a definir a mecânica desse problema de fluido, que pode ter algumas aplicações práticas.

Ristroph diz As descobertas podem ser aplicadas às tecnologias de engenharia para colher energia do ar ou água fluindo, gerando movimento ou forças.

“Agora temos um entendimento muito melhor sobre as situações em que o fluxo de fluido através de estruturas pode induzir movimento”. adiciona Brennan Sprinkle, matemático da Escola de Minas do Colorado e um dos co-autores do jornal.

O estudo foi publicado em Cartas de revisão física.