وبلاگ

دهه‌هاست که دانشمندان در تلاش بوده‌اند تا مشکل آب‌پاش فاینمن را حل کنند: آب‌پاشی که به صورت معکوس کار می‌کند – جایی که آب به‌جای خروج از دستگاه به داخل دستگاه جاری می‌شود – چگونه کار می‌کند؟ تیمی از ریاضیدانان از طریق یک سری آزمایشات دریافته اند که چگونه سیالات جاری نیرو اعمال می کنند و ساختارها را حرکت می دهند، بنابراین پاسخ این معمای دیرینه را آشکار می کنند.

لیف ریستروف، دانشیار مؤسسه علوم ریاضی دانشگاه نیویورک و نویسنده ارشد این مقاله توضیح می‌دهد: «مطالعه ما با ترکیب آزمایش‌های آزمایشگاهی دقیق با مدل‌سازی ریاضی که نحوه عملکرد اسپرینکلر برگشت‌پذیر را توضیح می‌دهد، مشکل را حل می‌کند. کاغذ ظاهر شدن در گزارش نامه معاینه فیزیکی.

ما متوجه شدیم که آبپاش معکوس هنگام جذب آب و همچنین هنگام خارج کردن آن در جهت معکوس یا مخالف می چرخد ​​و دلیل آن ظریف و شگفت آور است.

ریستروف می افزاید: «یک آبپاش معمولی یا «جلو» شبیه موشک است که با شلیک جت ها رانده می شود. اما آبپاش معکوس مرموز است زیرا آبی که مکیده می شود اصلا شبیه جت نیست. ما کشف کردیم که راز در داخل آبپاش پنهان است، جایی که در واقع جت هایی وجود دارند که حرکات مشاهده شده را توضیح می دهند.

این تحقیق به یکی از قدیمی ترین و دشوارترین مسائل در فیزیک سیالات پاسخ می دهد. و در حالی که ریستروف اذعان می کند که درک نحوه عملکرد آبپاش معکوس یک مزیت متوسط ​​دارد – او می گوید: “نیازی به “لحیم کردن” چمن نیست”، یافته ها به ما در مورد فیزیک زیربنایی و اینکه آیا می توانیم روش های مورد نیاز را بهبود ببخشیم، می آموزیم. برای مهندسی وسایلی که از سیالات جاری برای کنترل حرکات و نیروها استفاده می کنند.

ما اکنون درک بسیار بهتری از موقعیت هایی داریم که در آن جریان سیال برنان اسپرینکل، استادیار دانشکده معادن کلرادو و یکی از نویسندگان مقاله، از طریق ساختارها می‌تواند حرکت را القا کند. ما فکر می‌کنیم این روش‌هایی که در آزمایش‌های خود استفاده کردیم برای بسیاری از کاربردهای عملی شامل دستگاه‌هایی مفید خواهد بود. به هوا یا آب جاری واکنش نشان می دهد.”

مشکل آبپاش فاینمن معمولاً به صورت یک فرموله می شود یک آزمایش فکری برای نوعی از چمن‌پاش‌ها که وقتی مایعی مانند آب از لوله‌های S شکل یا بازوهای آن خارج می‌شود، می‌چرخد. این سوال می پرسد که اگر مایع از طریق دست ها به داخل مکیده شود چه اتفاقی می افتد: آیا دستگاه می چرخد، در چه جهتی و چرا؟

این مشکل با پیشگامان فیزیک مرتبط است، از ارنست ماخ، که این مسئله را در دهه 1880 مطرح کرد تا برنده جایزه نوبل، ریچارد فاینمن، که روی آن کار کرد و آن را از دهه 1960 تا 1980 رایج کرد. از آن زمان تاکنون، مطالعات متعددی انجام داده است که در مورد نتیجه و فیزیک زیربنایی بحث می کنند – و تا به امروز خود را به عنوان یک مشکل باز در کتاب های درسی فیزیک و مکانیک سیالات نشان می دهد.

برای حل مشکل آبپاش معکوس، Ristroph، Sprinkle و همکارانشان، Kaizhe Wang، دانشجوی دکترای NYU در زمان مطالعه، و Mingxuan Zuo، یک دانشجوی فارغ التحصیل نیویورک، دستگاه های اسپرینکلر سفارشی ساختند و آنها را در آب غوطه ور کردند. دستگاهی که آب را با نرخ های کنترل شده وارد یا خارج می کند.

برای اینکه دستگاه بتواند آزادانه در پاسخ به جریان بچرخد، محققان نوع جدیدی از یاتاقان های چرخشی با اصطکاک بسیار پایین ساختند. آنها همچنین آبپاش را به گونه ای طراحی می کنند که به آنها امکان نظارت و اندازه گیری نحوه جریان آب در خارج، داخل و از طریق آن را می دهد.

ریستروف توضیح می دهد: «این کار قبلاً هرگز انجام نشده بود و کلید حل مشکل بود.

برای مشاهده بهتر فرآیند پاشش معکوس، محققان رنگ‌ها و ریزذرات را به آب اضافه کردند که توسط لیزر روشن می‌شدند و جریان‌ها را با استفاده از دوربین‌های پرسرعت ثبت کردند.

نتایج نشان می دهد که آبپاش معکوس بسیار آهسته تر از نمونه معمولی می چرخد ​​- حدود 50 برابر کندتر – اما مکانیسم ها اساسا مشابه هستند.

یک آبپاش جلوی معمولی به عنوان یک نسخه چرخان از یک موشک عمل می کند که توسط یک جت آب که از بازوها خارج می شود، کار می کند. آبپاش معکوس با شلیک جت های خود در داخل محفظه ای که بازوها به هم می رسند مانند یک “موشک از داخل به بیرون” عمل می کند. محققان دریافتند که دو جت داخلی با هم برخورد می کنند اما دقیقاً رو به رو به هم نمی رسند و مدل ریاضی آنها نشان می دهد که چگونه این اثر ظریف نیروهایی ایجاد می کند که آبپاش را در جهت مخالف می چرخاند.

این تیم این پیشرفت را به طور بالقوه برای استفاده از منابع انرژی سازگار با آب و هوا مفید می داند.

ریستروف می‌گوید: «منابع انرژی فراوان و پایداری در اطراف ما جریان دارد – باد در جو ما، و همچنین امواج و جریان‌ها در اقیانوس‌ها و رودخانه‌های ما.» “پیدا کردن چگونگی برداشت این انرژی یک چالش بزرگ است و ما را به درک بهتر فیزیک مایعات نیاز دارد.”