Математики только что перевернули спринклер

В течение 141 года физики, такие как Ричард Фейнман, ломали голову над вопросом о потоке жидкости: как бы вращался спринклер, если бы он находился под водой, всасывая материал, а не извергая его? Теперь группа исследователей нашла ответ.

Хотя эта идея была впервые предложена экспериментаторами в 1880-х годах, в середине 20-го века она была повторно популяризирована Фейнманом до такой степени, что она стала известна как спринклер Фейнмана. Проблема заключалась в следующем: обычный разбрызгиватель с S-образными рычагами выплевывает воду, заставляя рычаги вращаться, поливая все, что нуждается в поливе. Но будет ли вообще вращаться обратный разбрызгиватель, оставалось открытым вопросом, и не из-за отсутствия попыток.

Фейнман некоторое время обдумывал эту идею и даже построил экспериментальную установку для решения этого вопроса, будучи аспирантом Принстона. (Эксперимент закончился, когда взорвалась большая бутылка с водой.)

Теперь группа исследователей из Нью-Йоркского университета проверила это. Согласно сообщению Нью-Йоркского университета, обратный разбрызгиватель (как я его называю — скатывается прямо с языка!) состоял из погружного разбрызгивателя на подшипнике со «сверхнизким трением», чтобы оптимизировать способность устройства свободно вращаться. таким образом, чтобы они могли легко наблюдать за потоком воды через устройство.

С этой целью команда также окрасила воду, добавила в нее микрочастицы, осветила ее ярко-зелеными лазерами и записала весь эксперимент на видео с помощью высокоскоростных камер с высоким разрешением. Полученные кадры довольно странные:

Исследование группы, опубликованное на прошлой неделе в журнале Physical Review Letters, показало, что обратный спринклер делает именно это. Он вращается в направлении, противоположном направлению разбрызгивателя, выбрасывающего воду.

«Обычный или «передний» разбрызгиватель похож на ракету, поскольку он движется, выпуская струи», — сказал Лейф Ристроф, исследователь из Нью-Йоркского университета и ведущий автор исследования, в университетском пресс-релизе. «Но обратный разбрызгиватель является загадочным, поскольку всасываемая вода совсем не похожа на форсунки. Мы обнаружили, что секрет скрыт внутри разбрызгивателя, где действительно есть струи, объясняющие наблюдаемые движения».

Хотя обратный разбрызгиватель вращается (проверяет записи) в обратном направлении, он делает это только со скоростью примерно 1/50 скорости обычного разбрызгивателя. Внутри обратного разбрызгивателя всасываемые струи воды сталкиваются друг с другом, но не в лоб, и смешивание этой внутренней воды вызывает медленное вращение разбрызгивателя.

Бреннан Спринкл, исследователь из Колорадской горной школы и соавтор исследования, добавил, что методы, использованные в эксперименте, «будут полезны для многих практических применений, связанных с устройствами, реагирующими на поток воздуха или воды».

Какими бы ни были потенциальные применения, на затруднительное положение, впервые возникшее в 1880-х годах, наконец-то был получен ответ: прецизионные испытания и моделирование, которые 140 лет назад были просто невозможны. Я надеюсь, что это даст вам что-то, что можно добавить в ваш следующий разговор о динамике жидкости.

Смотрите также

2024-01-31 22:30