Tim Leifa Ristropha sa NYU je testirao sedam neuobičajenih dizajna prskalica kako bi razjasnio stare neslaganja o ponašanju obrnute prskalice. Eksperimenti su opovrgli dve dominantne teorije — Machovu i Feynmanovu — i ukazali da je presudan fluks ugaonog momenta koji nastaje u centralnom bubnju prskalice. Autori sada prave simulacije kako bi potvrdili model i istražili primene u dizajnu turbina i uređaja za prikupljanje energije.
„Feynman i sledbenici, varate se“: NYU fizičari razrešili misteriju obrnute prskalice
This photo captures the flows coming into the reverse sprinkler, as visualized using particles and false colors. | Credit: NYU's Applied Mathematics Laboratory
Richard Feynman je voleo da postavlja zabavna, naizgled neozbiljna pitanja koja vode do ozbiljne nauke. Jedno od njih — šta se događa kada običnu S‑obliku prskalice uronite u vodu i umesto izbacivanja povežete na usis — ostalo je decenijama nerešeno. Novi eksperimentalni rad tima Leifa Ristropha sa New York Universityja donosi jasnije objašnjenje.
Feynmanova anegdota i raniji rezultati
Feynman je kao student na Prinstonu u 1940‑im godine eksperimentisao sa staklenom prskalicom: uređaj je najpre zadrhtao, potom se jedva pomerao, a na kraju je eksperiment završio lomom stakla. Od tada su različiti eksperimenti davali suprotne rezultate — prskalice su se okretale u jednom ili drugom smeru, treperile ili nisu reagovale — zavisno od postavke i konstrukcije.
Koje su teorije bile u opticaju?
Postojale su dve vodeće ideje: Machova hipoteza da ukupan ugaoni moment tečnosti unutar krakova prskalice mora biti izbalansiran suprotnim obrtanjem same konstrukcije, i Feynmanova hipoteza koja je naglašavala lokalne efekte pritiska i usisavanja pri otvorima mlaznica.
Šta je Ristrophov tim uradio?
U radu objavljenom 13. jula u PNAS, istraživači su konstruisali sedam „besmislenih" varijanti prskalica sa neuobičajenim oblicima krakova — uključujući spiralne krakove sa višestrukim obrtanjima i kontra‑savijenim mlaznicama — kako bi direktno suprotstavili teorije i izneli jasne predviđanja.
The sprinkler designs studied, with the observed rotation direction in the forward (red arrow) and reverse (blue) modes. | Credit: NYU's Applied Mathematics Laboratory
„Bili smo prinuđeni da kažemo: 'Feynman and followers, you guys are off'“, rekao je Leif Ristroph za Live Science.
Glavni nalaz
Eksperimentalni rezultati su opovrgli i Machovu i Feynmanovu pojednostavljenu verziju: spiralna prskalica, iako je nosila znatno veći ugaoni moment tečnosti, praktično nije promenila ponašanje čvrstog dela; promena savijanja mlaznica takođe nije obrtila očekivani smer rotacije. Umesto toga, sva merenja upućuju na ključnu ulogu centralnog bubnja — tačke gde se krakovi spajaju. Dolazna voda se tamo sudara i zatvara u vrtložne tokove, stvarajući fluks ugaonog momenta unutar unutrašnjih kanala, protiv kog se čvrsta konstrukcija uzvraća silom.
Dalji rad i primene
Tim sada razvija numeričke simulacije da proveri da li model fluksa momenta važi i za druge režime protoka i planira da pokuša da ga izvede iz osnovnih jednačina fluidne dinamike. Ristroph ističe praktične implikacije: bolje razumevanje kako zakrivljeni kanali pretvaraju tok u rotacionu silu može pomoći pri dizajnu efikasnijih turbina i uređaja za iskorišćavanje energije vetra i vode.
Autor eksperimenta i tim: Leif Ristroph (NYU), Jesse Smith (doktorant na NYU koji je dao ključni doprinos), studenti Ristrophove grupe i Brennan Sprinkle (ekspert za računarsku dinamiku fluida, Colorado School of Mines).
Studija: Objavljeno 13. jula u PNAS. Visualizacije i eksperimenti izvedeni u Applied Mathematics Laboratory na NYU.
Pomozite nam da budemo bolji.
