Κάθε καλοκαίρι, οι χλοοτάπητες γεμίζουν με πολύχρωμα «ανόητα ψεκαστήρες», των οποίων οι σωλήνες με θηλιά και συστροφή ψεκάζουν νερό με ασυνήθιστα σχέδια. Τα σχέδιά τους μπορεί να φαίνονται ιδιότροπα, αλλά οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει τώρα αυτές τις συσκευές πίσω αυλής για να διερευνήσουν ένα σοβαρό και δεκαετίες παλιό ερώτημα στη φυσική.
Το μυστήριο είναι γνωστό ως πρόβλημα ψεκαστήρα Feynman. Ζητάει όταν ένας ψεκαστήρας λειτουργεί αντίστροφα, τραβώντας το νερό στο μπράτσο του αντί να το πιέζει προς τα έξω. Κατασκευάζοντας και δοκιμάζοντας διαφορετικά μεγέθη ψεκαστήρες, μια ομάδα μαθηματικών έχει πλέον μια σαφή εμπειρική απάντηση. Τα αποτελέσματά τους παρέχουν εκτενή εικόνα για το πώς τα κινούμενα ρευστά ωθούν, συστρέφουν και περιστρέφουν τις φυσικές δομές.
«Αυτή η εργασία παρέχει πειραματικές απαντήσεις στο πρόβλημα του εκτοξευτήρα του Feynman, σε διαφορετικούς τύπους καταιωνιστήρων, πώς η γωνιακή ορμή της ροής του νερού οδηγεί την περιστροφή του ψεκαστήρα», εξηγεί ο Leif Ristroff, αναπληρωτής καθηγητής υπολογιστών στη Σχολή Μαθηματικών του Ινστιτούτου Courant του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης και συγγραφέας του senior papers. Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών.
Γιατί έχουν σημασία τα προβλήματα με τους ψεκαστήρες
Οι ερευνητές λένε ότι τα ευρήματα είναι χρήσιμα για κάτι περισσότερο από την απλή επίλυση ενός διάσημου επιστημονικού παζλ. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα αντικείμενα αντιδρούν στα κινούμενα ρευστά μπορεί να βοηθήσει τους μηχανικούς να αναπτύξουν μηχανές που συλλαμβάνουν ή μετατρέπουν την ενέργεια από τα ρέοντα ρευστά.
«Τα αποτελέσματά μας παρέχουν μια σταθερή κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα υγρά ανταποκρίνονται στη ροή — γνώση που μπορεί να καθοδηγήσει τις μελλοντικές μηχανικές και τεχνολογικές προόδους, όπως οι στρόβιλοι, που μετατρέπουν αυτή τη ροή σε ενέργεια», σημειώνει ο Brennan Sprinkle, επίκουρος καθηγητής στο Colorado School of Mines και ένας από τους συν-συγγραφείς της εργασίας.
Η ομάδα άρχισε να μελετά το πρόβλημα του καταιονιστή Feynman σε εργασία που δημοσιεύτηκε το 2024. Το ερώτημα έγινε ευρέως γνωστό τη δεκαετία του 1980 αφού ο φυσικός Richard Feynman περιέγραψε τις δικές του αποτυχημένες προσπάθειες να το διερευνήσει πειραματικά.
Αυτή η προηγούμενη μελέτη έδειξε ότι ένας αντίστροφος ψεκαστήρας περιστρέφεται περίπου 50 φορές πιο αργά από έναν κανονικό καταιωνιστή, παρόλο που τα δύο βασίζονται σε στενά συνδεδεμένες φυσικές διαδικασίες.
Ένας συμβατικός ψεκαστήρας συμπεριφέρεται κάπως σαν κυλιόμενος πύραυλος. Το νερό πυροβολεί από το όπλο, δημιουργώντας δυνάμεις που περιστρέφουν τη συσκευή. Ένας αντίστροφος ψεκαστήρας λειτουργεί σαν ένας «πύραυλος μέσα προς τα έξω», καθώς οι πίδακες νερού ταξιδεύουν προς τα μέσα και εισέρχονται στον κεντρικό θάλαμο όπου συνδέονται οι βραχίονες.
Μέσα σε αυτόν τον θάλαμο, δύο εισερχόμενοι πίδακες συγκρούονται. Ωστόσο, δεν χτυπούν ακριβώς ο ένας τον άλλον. Αυτή η ελαφρά κακή ευθυγράμμιση δημιουργεί μια δύναμη που αναγκάζει τον καταιωνιστή να περιστρέφεται προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Οι Restroff, Sprinkle και οι συνάδελφοί τους περιγράφουν αυτή την εξήγηση ως τη θεωρία της ροής ορμής, η οποία εστιάζει στο πώς το νερό που κινείται μέσα από τους ψεκαστήρες μεταφέρει ορμή.
Δοκιμή καταιωνιστήρων με περιστροφές και βρόχους
Οι δοκιμές του 2024 επικεντρώθηκαν μόνο σε τυπικούς ψεκαστήρες με βραχίονες σχήματος S. Αυτό αφήνει ανοιχτό το ενδεχόμενο οι εκτοξευτήρες με πιο πολύπλοκα σχήματα, συμπεριλαμβανομένων των κυρτών και κυκλικών σωλήνων που βρίσκονται στους ψεκαστήρες seeley, να συμπεριφέρονται διαφορετικά.
Προηγούμενη έρευνα δεν έχει αποκλείσει εντελώς άλλες σημαντικές εξηγήσεις για την κίνηση του ψεκαστήρα.
Για τη νέα μελέτη, η ομάδα δημιούργησε μια συλλογή από αφελείς ψεκαστήρες με διαφορετικά περιγράμματα. Κάθε συσκευή δοκιμάστηκε σε δύο διαμορφώσεις. Στη λειτουργία προς τα εμπρός, το νερό ψεκάζεται προς τα έξω από έναν κανονικό ψεκαστήρα γκαζόν. Στην αντίστροφη λειτουργία, τραβήχτηκε νερό στον καταιονιστήρα.
Τα ασυνήθιστα σχήματα επιτρέπουν στους ερευνητές να εξετάσουν πολλά χαρακτηριστικά ταυτόχρονα. Κατέγραψαν πώς περιστρέφονταν οι εκτοξευτήρες, παρατήρησαν την κίνηση του νερού τόσο μέσα όσο και έξω από τη συσκευή και μέτρησαν τη ροπή ή τη δύναμη συστροφής που παράγεται όταν εμποδίζονταν να στρίψουν οι εκτοξευτήρες.
Εξέταση ανταγωνιστικών θεωριών φυσικής
Οι επιστήμονες συνέκριναν τη θεωρία της ροής ορμής με δύο άλλες εξηγήσεις που έχουν προταθεί όλα αυτά τα χρόνια.
Η πρώτη χρονολογείται στη δεκαετία του 1880 και εισήχθη από τον φυσικό Ernst Mach. Αυτό υποδηλώνει ότι το υγρό περιστρέφεται προς μία κατεύθυνση ενώ ο καταιωνιστήρας προς την αντίθετη κατεύθυνση. Ωστόσο, η εξήγηση του Mach δεν μπορούσε να εξηγήσει την αντίθετη περιστροφή και τη ροπή που μετρήθηκαν κατά τη διάρκεια του νέου πειράματος.
Μια δεύτερη θεωρία, που σχετίζεται με τον Feynman και μεταγενέστερους ερευνητές, επικεντρώνεται στο νερό που ρέει κοντά στις εξωτερικές άκρες των βραχιόνων του ψεκαστήρα. Νέες δοκιμές έδειξαν ότι το εξωτερικό των μπράτσων ή το νερό που κινείται γύρω τους δεν επηρέασε την ταχύτητα ή τη ροπή του ψεκαστήρα.
Αντίθετα, τα αποτελέσματα υποστηρίζουν έντονα τη θεωρία της ροής ορμής. Οι ερευνητές επέκτειναν τη θεωρία και διαπίστωσαν ότι περιέγραφε με ακρίβεια τη λειτουργία προς τα εμπρός και προς τα πίσω σε κάθε μέγεθος ψεκαστήρα που δοκίμασαν.
Τα πειράματα αποκάλυψαν επίσης ότι η αλλαγή του σχήματος των βραχιόνων θα μπορούσε να αλλάξει και να ελέγξει τους πίδακες νερού. Αυτή η δυνατότητα μπορεί να είναι χρήσιμη κατά το σχεδιασμό πρακτικών συσκευών που βασίζονται σε υγρά.
«Δείχνοντας ότι η ροή ορμής είναι η απάντηση στο πρόβλημα του ψεκαστήρα του Feynman, τα ευρήματά μας λύνουν ένα μακροχρόνιο ανοιχτό πρόβλημα στη φυσική ροής και παρέχουν χρήσιμες γνώσεις για το πώς λειτουργούν αυτές οι συσκευές και η λειτουργία τους», κατέληξε ο Ristroff.
Άλλοι συγγραφείς της εργασίας ήταν οι μεταπτυχιακοί φοιτητές του NYU Jesse Smith και Mingxuan Zuo, καθώς και ο Will Kuhlke, απόφοιτος του NYU.
Το έργο υποστηρίχθηκε με επιχορηγήσεις από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (DMS-2407787 και DMS-2407788).
