„Šašave prskalice“ pomažu naučnicima da konačno reše Fajnmanovu čuvenu misteriju prskalice

Naučnici su rešili misteriju staru nekoliko decenija pretvaranjem neobičnih dvorišnih prskalica u iznenađujuće moćan naučni eksperiment.

Tim matematičara iskoristio je „šašave prskalice“ da reši misteriju fizike koja decenijama zbunjuje naučnike. Njihovi eksperimenti su pokazali da je rotacija i normalnih i reveznih prskalica pokrenuta impulsom vode koja teče, a ne spoljašnjim tokom vode ili drugim dugotrajnim teorijama. Rezultati konačno daju jasan odgovor na čuveni Fajnmanov problem prskalice. Takođe bi mogli pomoći inženjerima da dizajniraju efikasnije mašine na tečni pogon.

Preporučujemo

Svakog leta su travnjaci puni šarenih „šašavih prskalica“, čije izuvijane cevi izbacuju vodu u neobičnim obrascima. Njihov dizajn možda izgleda zabavno, ali su istraživači sad iskoristili ove uređaje za istraživanje ozbiljnog i decenijama starog pitanja u fizici.

Ta misterija je poznata kao Fajnmanov problem prskalice. Ona postavlja pitanje šta se dešava kad prskalica radi obrnuto, uvlačeći vodu u svoje krakove umesto da izbacuje vodu napolje. Konstruisanjem i testiranjem prskalica različitih oblika, tim matematičara je sad dao jasan eksperimentalni odgovor. Njihovi rezultati takođe pružaju širi uvid u način kako pokretni fluidi guraju, uvrću i rotiraju fizičke strukture.

„Ovaj rad daje eksperimentalni odgovor za Fajnmanov problem prskalice pokazujući, kod nekoliko tipova prskalica, kako moment impulsa protoka vode pokreće rotaciju prskalica“, kažu naučnici sa Njujorškog univerzitetu.

Zašto je problem prskalice važan

Istraživači kažu da su nalazi korisni za više od rešavanja čuvene naučne zagonetke. Razumevanje kako objekti reaguju na pokretne fluide moglo bi pomoći inženjerima da poboljšaju mašine koje koriste energiju iz tečnosti koje teku.

„Naši nalazi obezbeđuju bolje razumevanje kako komponente reaguju na fluidne tokove – znanje koje može usmeravati budući inženjering i tehnološki napredak uređaja kao što su turbine koji konvertuju ove tokove u energiju“, kažu naučnici.

Problem prskalice je postao poznat u 1980-im nakon što je fizičar Ričard Fajnman opisao sopstvene neuspešne pokušaje da ga eksperimentalno istraži.

To ranije istraživanje je pokazalo da se reverzna prskalica okreće oko 50 puta sporije nego obična, iako se obe oslanjaju na tesno povezane fizičke mehanizme.

Konvencionalna prskalica se ponaša u izvesnoj meri kao rotirajuća raketa. Voda izbija iz krakova, proizvodeći sile koje čine da se uređaj vrti. Reverzna prskalica radi više kao „izvrnuta raketa“, pošto mlazevi vode putuju unutra i ulaze u centralnu komoru gde se krakovi spajaju.

Unutar te komore, dva dolazna mlaza se sudaraju. Međutim, oni ne udaraju jedan u drugog savršeno direktno. Ova blaga neusklađenost stvara sile koje uzrokuju da prskalica rotira u obrnutom smeru.

Istraživači su ovo objašnjenje opisali kao teoriju fluksa impulsa, koja se fokusira na način kako vrtložna voda prenosi impuls kroz prskalicu.

Testiranje prskalica

Raniji eksperimenti su se fokusirali samo na standardne prskalice sa krakovima u obliku slova S. To je ostavilo mogućnost da bi se prskalice komplikovanijih oblika, uključujući uvijene i zapetljane cevi prisutne kod „šašavih prskalica“ mogle ponašati drugačije. Takođe nisu bila u potpunosti isključena druga glavna objašnjenja za kretanje prskalice.

Za novo istraživanje je napravljena kolekcija „šašavih prskalica“ različitih kontura. Svaki uređaj je testiran u dve konfiguracije – običnoj i obrnutoj.

Neobični oblici su omogućili istraživačima da ispitaju nekoliko odlika odjednom. Zabeležili su kako prskalice rotiraju, posmatrali kretanje vode unutra i van uređaja, i merili obrtni moment ili silu uvijanja proizvedenu kad se prskalicama onemogući okretanje.

Naučnici su uporedili svoju teoriju fluksa impulsa sa dva druga objašnjenja. Prvo je iz 1880-ih, od fizičara Ernsta Maha, i sugeriše da fluid rotira u jednom smeru dok se prskalica okreće u suprotnom. Međutim, Mahovo objašnjenje nije moglo da objasni reverzne rotacije i obrtne momente izmerene tokom novih eksperimenata.

Druga teorija, povezana sa Fajnmanom i kasnijim istraživačima, fokusira se na vodu koja teče blizu spoljnih krajeva krakova. Novi testovi su pokazali da ni spoljni delovi krakova ni voda koja se kreće oko njih ne utiču na kretanje ili obrtni moment prskalice.

Rezultati su snažno podržali teoriju fluksa impulsa. Istraživači su proširili teoriju i otkrili da precizno opisuje delovanje unapred i reverzno kod svakog testiranog oblika prskalice.

Eksperimenti su takođe otkrili da promena oblika krakova može izmeniti i kontrolisati mlazeve vode. Ta sposobnost može biti korisna pri dizajniranju praktičnih uređaja zasnovanih na fluidima.

„Pokazujući da je fluks impulsa odgovor na Fajnmanov problem prskalice, naši nalazi rešavaju dugotrajni otvoreni problem u fizici protoka i obezbeđuju korisno znanje o tome kako ovi uređaji rade i njihovoj efikasnosti“, zaključuju naučnici.

(Telegraf Nauka/Science Daily)