Hvordan fungerer en omvendt sprinkler? Forskere løser årtier gammelt fysikpuslespil

Problemet er forbundet med pionerer inden for fysik, fra Ernst Mach, der stillede problemet i 1880'erne, til nobelpristageren Richard Feynman, som arbejdede på og populariserede det fra 1960'erne til 1980'erne. Det har siden affødt adskillige undersøgelser, der diskuterer resultatet og den underliggende fysik - og den dag i dag præsenteres det som et åbent problem i fysik og i lærebøger om fluidmekanik.

Da Ristroph, Sprinkle og deres medforfattere, Kaizhe Wang, en NYU ph.d.-studerende på tidspunktet for undersøgelsen, og Mingxuan Zuo, en NYU-kandidatstuderende, satte sig for at løse det omvendte sprinklerproblem, specialfremstillede sprinkleranordninger og nedsænkede dem. i vand i et apparat, der skubber ind eller trækker vand ud med kontrollerbare hastigheder.

For at lade enheden dreje frit som reaktion på strømmen byggede forskerne en ny type roterende lejer med ultralav friktion. De designede også sprinkleren på en måde, der gjorde det muligt for dem at observere og måle, hvordan vandet strømmer udenfor, inde og igennem det.

"Dette er aldrig blevet gjort før og var nøglen til at løse problemet," forklarer Ristroph.

For bedre at kunne observere den omvendte sprinklerproces tilføjede forskerne farvestoffer og mikropartikler i vandet, oplyste med lasere og fangede strømmene ved hjælp af højhastighedskameraer.

Resultaterne viste, at en omvendt sprinkler roterer meget langsommere end en konventionel - omkring 50 gange langsommere - men mekanismerne er grundlæggende ens.

En konventionel fremadsprinkler fungerer som en roterende version af en raket drevet af vand, der sprøjter ud af armene. En omvendt sprinkler fungerer som en "inside-out raket", med dens jetfly, der skyder inde i kammeret, hvor armene mødes. Forskerne fandt ud af, at de to indre jetfly kolliderer, men de mødes ikke præcist direkte, og deres matematiske model viste, hvordan denne subtile effekt frembringer kræfter, der roterer sprinkleren omvendt.

Holdet ser gennembruddet som potentielt gavnligt for at udnytte klimavenlige energikilder.

"Der er rigelige og bæredygtige energikilder, der flyder omkring os - vind i vores atmosfære såvel som bølger og strømme i vores oceaner og floder," siger Ristroph. "At finde ud af, hvordan man høster denne energi er en stor udfordring og vil kræve, at vi bedre forstår væskernes fysik."

Flere oplysninger: Kaizhe Wang et al., Centrifugal Flows Drive Reverse Rotation of Feynman's Sprinkler, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.044003

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af New York University