اگر یک آبپاش چمن‌پاش S شکل، زیر آب قرار گیرد و جریان معکوس شود، در کدام جهت می‌چرخد؟ اکنون آزمایش ها پاسخ قطعی را ارائه می دهند.

فیزیکدان ریچارد فاینمن Richard Feynman از خود پرسید که چه اتفاقی می‌افتد اگر یک چمن‌پاش S شکل، که با خروج آب می‌چرخد، در زیر آب قرار داده شود و جهت جریان آن برعکس شود، به طوری که آب را به داخل مکش کند. در کدام جهت می‌چرخد؟ آزمایش ها پاسخ های متناقضی داده اند، اما اکنون محققان آنچه را که به نظر می رسد یک راه حل قطعی است ارائه کرده اند [1]. هنگام مکش آب به داخل، آبپاش جهت چرخش خود را برعکس می کند و حرکت ناپایدار و بسیار کندتر است. توضیح آن، شامل جزئیات جریان سیال در هندسه آبپاش است.

از نظر فاینمن پاسخ در نگاه اول با آنچه در کتاب 1985 خود (حتما شوخی می کنید آقای فایمن) نوشت کاملا واضح بود. اما مشکل این بود که دیگران نظرات متفاوتی همچون: کاملاً واضح است که چرخش یک طرفه است، و یا: کاملاً واضح است که از طرف دیگر می چرخد، داشتند.

ویدئو

از آن زمان، برخی آزمایش‌ها چرخش معکوس ثابتی را نشان داده‌اند [2، 3]، برخی فقط چرخش گذرا [4-6] را نشان داده‌اند، و برخی موقعیت‌ها به چرخش ناپایدار منجر شده‌اند که تغییر جهت می‌دهد [3] یا در جهتی پیش رفته که به هندسه آزمایش بستگی داشته است [4-6].

لیف ریستروف Leif Ristroph، ریاضیدان کاربردی از دانشگاه نیویورک و همکارانش تصمیم گرفتند تا این موضوع را با در نظر گرفتن دقیق همه عوامل مخدوش کننده حل کنند. ریستروف می‌گوید: «همانطور که روی این مشکل کار می‌کردیم، عمیق‌تر و عمیق‌تر به داخل کشیده می‌شدیم و باید در هر مرحله روش‌هایی را توسعه می‌دادیم.

برای رسیدن به قلب چالش فاینمن، آبپاش باید بتواند با کمترین اصطکاک ممکن بچرخد، که یک چالش بزرگ برای آزمایش‌های قبلی بود. این تیم سیستمی ابداع کردند که در آن توپی چرخان حاوی بازوهای S شکل غوطه ور آزادانه در یک مخزن آب شناور است. آنها می توانند جهت جریان را با بالا بردن یا پایین آوردن یک مخزن جانبی که توسط یک لوله سیفون به مرکز توپی متصل است، معکوس کنند.

با توجه به استدلال های قبلی در مورد اینکه آیا هر حرکتی واقعاً یک حالت ثابت است یا فقط گذرا، محققان نیاز داشتند آزمایش را برای مدت طولانی (چند ساعت) اجرا کنند. این فریم های زمانی طولانی همچنین به آنها اجازه می داد تا حرکات را با دقت بالا اندازه گیری کنند. برای درک نظری نتایج، آنها نقشه های دقیقی از الگوهای جریان سیال با استفاده از رنگ های رنگی و ریزذرات معلق که نور لیزر را پراکنده می کنند به دست آوردند.

"آبپاش شناور" با اصطکاک کم برای مطالعه اینکه چگونه چرخش به جهت جریان آب از بازوهای آبپاش بستگی دارد استفاده می شود. قطر حلقه بالایی حدود 6 سانتی متر است.

ریستروف و همکارانش به این نتیجه رسیدند که هر دو آبپاش رو به جلو و معکوس توسط نیروی محرکه جت هدایت می شوند. ریستروف بدنه رو به جلو را با نسخه چرخشی یک موشک با رانشگرهای S شکل مقایسه می کند. اما حالت معکوس صرفاً یک نسخه معکوس زمان نیست: همانطور که آب به داخل بازوها مکیده میشود، الگوی جریان کاملاً متفاوت است. اگرچه این جریان چرخش معکوس را به حرکت در می آورد، اما حرکت ثابت نیست و نوسانات ثابتی در سرعت نشان می دهد. میانگین کلی سرعت چرخش حدود 50 برابر کندتر از زمانی است که آب به بیرون جریان می یابد.

در این مورد "جریان معکوس"، این که یک پیشرانه موشک-مانند هنوز کار می کند، بسیار تعجب آور است، زیرا در نگاه اول جت ها فقط به سمت مرکز دستگاه هدایت می شوند و هیچ گشتاور خالصی تولید نمی کنند.

اما محققان دریافتند که جت‌ها دقیقاً به سمت مرکز هدایت نمی‌شوند، زیرا جریان از بازوهای منحنی عبور می‌کند. همانطور که آب در اطراف خم های بازوها جریان می یابد، توسط نیروی گریز از مرکز به بیرون آویزان می شود که باعث ایجاد نمایه های جریان نامتقارن می شود.

ریستروف می‌گوید: «این همان چیزی است که حالت معکوس را سخت و حساس می‌کند، زیرا نمی‌توان به راحتی استنباط کرد که بر اساس جهت رو به جلو چه اتفاقی خواهد افتاد». با این وجود، الگوی جریانی که به صورت تجربی مشاهده شد، با پیش‌بینی‌شده توسط مدل ریاضی تیم کاملاً مطابقت داشت.

جان بوش John Bush ، متخصص دینامیک سیالات از موسسه فناوری ماساچوست، می گوید: «به نظر می رسد این مطالعه اولین تلاش جدی برای رسیدگی مستقیم به مشکل آبپاش فاینمن با آزمایش های دقیق باشد. به گفته او، هندسه با دقت طراحی شده و اصطکاک کم، به شناسایی مکانیسم های درگیر کمک می کند.

مهندس مکانیک Michael Païdoussis از دانشگاه مک گیل در کانادا، که قبلاً آزمایشاتی را بر روی مشکل آبپاش فاینمن انجام داده است، موافق است که چرخش معکوس توسط این آزمایش ها تأیید می شود. او می افزاید: «درجه تطابق بین نتایج آزمایش و مدل کاملاً قابل توجه است».

ریستروف اذعان می کند که ممکن است به نظر برسد معکوس کردن سیستم آبپاشی به لحاظ کاربردی چندان جالب توجه نیست، "زیرا ما نیازی به "بی آبی" چمن های خود نداریم. اما او می‌گوید که کاربردهایی در مکانیک سیالات وجود دارد که در آنها مهم است که بتوانیم جریان‌های خارج‌شده از دستگاه‌ها را دقیقاً کنترل کنیم و بفهمیم که چگونه این فرآیند نیروهایی را که آنها تجربه می‌کنند تغییر می‌دهد، برای مثال این موضوع، در فناوری‌هایی که انرژی را از جریان هوا یا آب جمع‌آوری می‌کنند، مورد توجه است.

1. K. Wang et al., “Centrifugal flows drive reverse rotation of Feynman’s sprinkler,” Phys. Rev. Lett. 132, 044003 (2024).

2. J. Beals, “New angles on the reverse sprinkler: Reconciling theory and experiment,” Am. J. Phys. 85, 166 (2017).

3. M. P. Païdoussis and M. Tétreault-Friend, “Aspirating cantilevers and reverse sprinklers,” Am. J. Phys. 77, 349 (2009).

4. W. Rueckner, “The puzzle of the steady-state rotation of a reverse sprinkler,” Am. J. Phys. 83, 296 (2015).

5. A. T. Forrester et al., “Inverse sprinklers: A lesson in the use of a conservation principle,” Am. J. Phys. 54, 798 (1986).

6. C. E. Mungan, “A primer on work-energy relationships for introductory physics,” Phys. Teach. 43, 10 (2004).

منبع

Feynman’s Reversed Sprinkler Puzzle Solved

ترجمه خبر: شهره کرمی