Eindelijk hebben wiskundigen het ‘reverse sprinkler’-probleem van Feynman opgelost.

Een typische gazonsproeier heeft verschillende sproeiers die onder een hoek op een roterend wiel zijn geplaatst; Wanneer water wordt gepompt, komen er stralen vrij die ervoor zorgen dat het wiel gaat draaien. Maar wat zou er gebeuren als het water in plaats daarvan in de sprinkler zou worden gezogen? In welke richting zal het wiel dan draaien, of zal het überhaupt draaien? Dit is de essentie”Omgekeerd spuiten‘Een probleem waar onder andere natuurkundigen als Richard Feynman al sinds de jaren veertig mee te maken hebben. Nu denken toegepaste wiskundigen van de New York University dat ze de puzzel hebben opgelost, aldus Recent artikel Het antwoord, gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters, daagt de conventionele wijsheid over dit onderwerp uit.

“Onze studie lost het probleem op door zorgvuldige laboratoriumexperimenten te combineren met wiskundige modellen die verklaren hoe backflow-sprinklers werken.” zei co-auteur Lev Ristrov Van het Courant Institute van de New York University. “We ontdekten dat de omgekeerde sprinkler bij het aanzuigen van water in de tegenovergestelde of tegenovergestelde richting draait, net als bij het verwijderen ervan, en de reden is subtiel en verrassend.”

Ristrovs laboratorium pakt regelmatig dit soort kleurrijke puzzels uit de echte wereld aan. In 2018 bijvoorbeeld Ristrov en collega's Fijn afgestemd Het perfecte bubbelrecept is gebaseerd op experimenten met dunne films gemaakt van zeep. (Je wilt een ronde staaf met een omtrek van 1,5 inch en die zachtjes moet blazen met een constante snelheid van 6,9 cm/sec.) Ik zocht erin De vormingsprocessen die ten grondslag liggen aan zogenaamde “steenbossen” zijn gebruikelijk in bepaalde regio's van China en Madagaskar. Deze puntige rotsformaties, zoals de bekende Stenen bos In de provincie Yunnan, China, is dit het gevolg van het smelten van vaste stoffen tot vloeistoffen in aanwezigheid van de zwaartekracht, wat resulteert in natuurlijke convectiestromen.

In 2021 zijn laboratorium Hij bouwde een werkende Tesla-klepVolgens het ontwerp van de uitvinder wordt de waterstroom door de klep gemeten in beide richtingen bij verschillende drukken. Ze ontdekten dat het water ongeveer twee keer zo langzaam stroomt in de niet-gewenste richting. In 2022 studeerde Ristrov Zeer complexe aerodynamica Wat maakt een goede vlieger, specifiek wat nodig is voor een soepele vlucht. Ze ontdekten dat de aerodynamica van een vlieger aanzienlijk verschilt van die van conventionele vliegtuigen, die afhankelijk zijn van rolroeren om lift te genereren.

In zoomen / Illustratie van het “reactiewiel” van Ernst Mach mechanisch (1883).

Publiek domein

Het backscatter-probleem wordt in verband gebracht met Feynman omdat hij het concept populair maakte, maar het dateert feitelijk uit een hoofdstuk in het leerboek van Ernst Mach uit 1883. Mechanica (Die Mechanik in Ihrer Entwicklung Historisch-Kritisch Dargerstellt). Het gedachte-experiment van Mach bleef in relatieve onbekendheid totdat een groep natuurkundigen van de Universiteit van Princeton de kwestie in de jaren veertig begon te bespreken.

Feynman was daar destijds een afgestudeerde student en hij wierp zich met groot enthousiasme op het debat, waarbij hij zelfs een experiment in het cyclotronlaboratorium bedacht om zijn hypothese te testen. (Op ware Feynman-wijze culmineerde dit experiment in het exploderen van de glazen wagen van het apparaat als gevolg van de hoge interne druk.)

Je zou kunnen denken dat een omgekeerde sprinkler net zo zou werken als een gewone sprinkler, alleen maar achteruit zou draaien, om zo te zeggen. Maar de natuurkunde blijkt ingewikkelder te zijn. “Het antwoord is op het eerste gezicht vrij duidelijk”, schreef Feynman. U maakt vast een grapje, meneer Feynman (1985). “Het probleem is dat sommige mensen denken dat het nogal voor de hand liggend is [that the rotation would be] Op de ene manier zou iemand anders kunnen denken dat het op de andere manier heel duidelijk is.