Durante generaciones, el calor del verano ha hecho que los niños corran entre los chorros de agua creados por los antiguos aspersores de jardín en forma de S.
Pero, ¿qué pasaría con el aspersor si se sumergiera y se empapara en agua? ¿Girará de la misma manera que un aspersor normal si el flujo se invierte, impulsado por la fuerza del agua que fluye, o girará en la dirección opuesta a medida que la succión impulsa la rotación hacia adelante? ¿Es posible que se quede extrañamente quieto?
Eso es todo Un problema de décadas Una pregunta que hizo famosa el famoso físico Richard Feynman a mediados del siglo XX, quien pasó a ser conocido como… El problema de la ametralladora de Feynman.
Ahora un grupo de matemáticos cree haber finalmente resuelto el problema mediante una serie de experimentos de laboratorio apoyados en modelos matemáticos.
Ciertamente no son los primeros en intentarlo, pero sería útil que sus predicciones fueran validadas por resultados experimentales.
A principios de la década de 1940, Feynman era un estudiante de posgrado en la Universidad de Princeton. Construyó una experiencia temporal Esto, según sus colegas, demostró que la ametralladora se mantuvo estable después de algunas pequeñas oscilaciones. Ernst Mach pensaba de manera similar en 1883, en la primera referencia documentada al problema.
Desde entonces, los experimentos han dado resultados contradictorios: algunos muestran la cabeza de la ametralladora Gira en la dirección opuesta; Otros lo notaron Cambiar direcciones incorrectamente O muévete sólo por un breve momento.
El estudiante de doctorado en física de la Universidad de Nueva York, Caizhi Wang, y sus colegas atribuyeron estas discrepancias a la geometría de la configuración experimental anterior y a la fricción entre el eje giratorio y el cojinete interno, que puede resistir otras fuerzas.
Por eso, construyeron un nuevo rodamiento de rodillos de fricción ultrabaja que permite que la marcha atrás hecha a medida gire libremente. El aspersor tenía dos brazos hechos de tubos curvos y un sifón en la parte superior del tubo cilíndrico para absorber agua cuando el dispositivo se sumergía en un tanque lleno de agua.
El dispositivo también está diseñado para que pueda funcionar indefinidamente, con la bomba extrayendo agua del tanque al que ha fluido el agua extraída. Esto permitió a los investigadores realizar sus experimentos durante varias horas, más tiempo que los experimentos anteriores.
El equipo también utilizó tintes de colores, micropartículas dispersadas por láser y cámaras de alta velocidad para visualizar y registrar las rotaciones de los aspersores y los flujos de agua, de modo que pudieran comparar sus resultados experimentales con sus resultados de modelado.
«Hemos descubierto que el aspersor inverso gira en dirección opuesta cuando aspira agua y cuando la suelta, y la razón es sutil y sorprendente». El explica Lev Ristrov, matemático de la Universidad de Nueva York y autor principal del estudio.
Piense en un aspersor normal como una especie de versión giratoria de un cohete: el cabezal del aspersor se empuja en la dirección opuesta al chorro de agua que sale.
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Wang y sus colegas descubrieron que en un aspersor inverso, los chorros de agua entrantes chocan entre sí en la cámara interior del aspersor, pero no se encuentran completamente de frente, generando un par para girar el eje.
El movimiento del eje del aspersor no era constante, sino que giraba en la dirección opuesta, aunque 50 veces más lento que el de un aspersor de salida. (En el vídeo a continuación, se evita que el dispositivo gire para mejorar la visibilidad de las transmisiones).
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«El grado de concordancia entre los resultados del experimento y del modelo es muy impresionante», dijo el ingeniero mecánico de la Universidad McGill, Michael Bedoussis. Felipe Pablo dijo en Revista de física.
Otros físicos Aprueba Los experimentos ayudan a determinar los mecanismos de este problema de fluidos, que podrían tener algunas aplicaciones prácticas.
restaurar Él dice Los resultados se pueden aplicar a técnicas de ingeniería para recolectar energía del flujo de aire o agua, generando movimiento o fuerzas.
«Ahora comprendemos mucho mejor las situaciones en las que el flujo de fluido a través de estructuras puede inducir movimiento». Agregar Brennan Sprinkle, matemática de la Escuela de Minas de Colorado y una de las coautoras del artículo.
El estudio fue publicado en Cartas de revisión física.
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