В какую сторону будет вращаться обычный садовый опрыскиватель, если перенаправить поток жидкости в обратном направлении? Ответ на этот вопрос кажется простым. Но он меняется, когда человек разбирается в физике движущейся жидкости. Неудивительно, что загадка об инвертированном разбрызгивателе волновала великих умов долгое время. К счастью, американские исследователи наконец-то установили верный ответ теоретически и экспериментально.
Для начала стоит упомянуть, что проблема инвертированного разбрызгивателя — наглядная иллюстрация закона СтиглераРичард Фейнман только популяризировал загадку, её формулировка предшествовала ему. Первый теоретический вопрос появился в трудах… The Science of MechanicsВ 1883 году небезызвестный Эрнст Мах, имя которого носит число Маха, проводил эксперименты. Попытки определить направление вращения инвертированного разбрызгивателя начались приблизительно в 1940-х годах.
Имя Фейнмана связано с этой задачей тем, что когда он услышал обсуждение проблемы инвертированного разбрызгивателя в 1940-е годы от коллег-аспирантов, предложил провести эксперимент в помещении циклотрона Принстонского университета. Эксперимент закончился феерично: стеклянный бак, задействованный в процессе, разорвало от избыточного давления. Результат оказался спорным: разбрызгиватель сначала немного дернулся вокруг своей оси, а затем замер и больше не двигался, хотя вода через него продолжала проходить.
Фейнман познакомил широкую публику с проблемой инвертированного разбрызгивателя в своей автобиографической книге «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман» (1985 год). Хотя эта задача и ранее связывалась с его фамилией среди популяризаторов науки и учёных, что физик не приветствовал. Он справедливо отмечал, что звание первооткрывателя принадлежит не ему, а Маху.
Проблема сводится к следующему. Предположим, полностью погружаем дачный … SМожно попробовать откачать воду с помощью вращающегося разбрызгивателя, который направлен в большую емкость. Как будет функционировать устройство и в каком направлении будет вращаться разбрызгиватель — вопрос с тремя возможными решениями.
- Он будет вращаться в направлении, противоположном обычному режиму распыления: вода всасывается, и на выходе сопел образуется разрежение. Такое объяснение неполно с физической точки зрения, но выглядит наиболее разумным.
- Вращение будет происходить в том же направлении, что и у традиционных разбрызгивателей: вода, затягивающаяся внутрь, передаёт часть момента на изгибающееся сопло. Эта конструкция требует минимального трения во всех вращающихся частях разбрызгивателя.
- Его удерживает на месте сила реакции сопла, засасывающего воду, которая противодействует моменту, передаваемому водой изгибу внутри сопла. По мнению большинства исследователей проблемы, это самый подходящий вариант.
В течение полувека исследователи экспериментировали, чтобы выяснить, какой вариант соответствует действительности. Результаты всегда оставались противоречивыми. Даже при минимальном трении разбрызгивателя он либо неподвижно стоял, либо вращался в обратную сторону. Полного ответа получить не удалось.
Лаборатория прикладной математики Курантовского института математических наук занялась решением важной задачи. NYU Courant: Institute— отдельного отделения Нью-Йоркского университета. В нём неоднократно искали ответы на насущные вопросы «жизни, Вселенной и вообще»: в 2018 году нашли рецепт идеальных мыльных пузырей, в 2021-м объяснили формирование загадочных каменных лесов, а в 2022-м изучилиОсобенности аэродинамики планеров с тонкими крыльями, обеспечивающие высокую эффективность бумажных самолётиков. Новая научная публикация продуктивной исследовательской группы. опубликована в рецензируемом журнале Physical Review Letters.
Ученым пришлось приложить немало усилий, чтобы изучить происходящее с инвертированным разбрызгивателем во всех деталях. Сначала создали самую полную модель устройства, провели все необходимые вычисления и рассчитали разные варианты развития событий в эксперименте. Для опыта исследователи собрали такую установку, в которой минимизировано трение, а также устранены возможные возмущения от потоков жидкости вокруг самого разбрызгивателя.
В эксперименте использовалась вода с добавленными отражающими микрочастицами, которые светились в лучах лазера. Так стало возможным визуализировать поток жидкости и возникающие в нем турбулентности. Результаты эксперимента и моделирования показали удивительную картину: инвертированный разбрызгиватель действительно вращается в противоположную сторону от обычного режима работы, но только в 50 раз медленнее. Самое интересное, что механизм этого вращения полностью идентичен таковому у «правильного» разбрызгивателя, а его секрет кроется в внутреннем устройстве.
При всасывании воды трубочки-сопла создают струи внутри разбрызгивателя. Даже при расположении сопел на противоположных сторонах кольца и параллельности их осей, струи не обязательно встретятся в центре. Сопла изгибаются, меняют направление движения воды, которая получает от этого дополнительный импульс. При выходе из трубки часть импульса заставляет поток отклоняться от прямой траектории.
Внутри разбрызгивателя образуются несколько вихрей, вращающихся в разные стороны. Размеры этих вихрей, а значит, и скорость, объем вовлеченной воды разнятся. Из-за этого момент силы распределяется неравномерно, и устройство начинает вращаться.
Результаты исследования можно изложить следующим образом: направление вращения фейнмановского разбрызгивателя и есть ли оно вообще, прежде всего, определяются его внутренним строением. Обычно вращение будет незначительным в обратную сторону, но при сильном трении внутри деталей заметить это движение сложно.