Endlich haben Mathematiker Feynmans „Reverse Sprinkler“-Problem gelöst.

Ein typischer Rasensprenger verfügt über verschiedene Düsen, die in Winkeln auf einem rotierenden Rad angeordnet sind. Wenn Wasser gepumpt wird, werden Strahlen freigesetzt, die das Rad zum Drehen bringen. Aber was würde passieren, wenn das Wasser stattdessen in den Sprinkler gesaugt würde? In welche Richtung wird sich das Rad dann drehen, oder wird es sich überhaupt drehen? Das ist die Essenz“Rückwärtssprühen„Ein Problem, mit dem unter anderem Physiker wie Richard Feynman seit den 1940er-Jahren konfrontiert sind. Nun glauben angewandte Mathematiker der New York University, das Rätsel gelöst zu haben“, heißt es Aktuelles Papier Die in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichte Antwort stellt die herkömmliche Meinung zu diesem Thema in Frage.

„Unsere Studie löst das Problem, indem sie sorgfältige Laborexperimente mit mathematischen Modellen kombiniert, die erklären, wie Rückflusssprinkler funktionieren.“ sagte Co-Autor Lev Ristrov Vom Courant Institute der New York University. „Wir haben herausgefunden, dass sich der Umkehrsprinkler sowohl beim Ansaugen als auch beim Entfernen des Wassers in die entgegengesetzte oder entgegengesetzte Richtung dreht, und der Grund dafür ist subtil und überraschend.“

Ristrovs Labor befasst sich häufig mit solchen farbenfrohen Rätseln aus der realen Welt. Zum Beispiel im Jahr 2018 Ristrov und Kollegen Fein abgestimmt Das perfekte Blasenrezept basiert auf Experimenten mit dünnen Seifenfilmen. (Sie benötigen einen kreisförmigen Zauberstab mit einem Umfang von 1,5 Zoll, der sanft mit einer konstanten Geschwindigkeit von 6,9 cm/Sek. blasen sollte.) Ich habe darin gesucht Die Entstehungsprozesse sogenannter „Steinwälder“ sind in bestimmten Regionen Chinas und Madagaskars weit verbreitet. Diese spitzen Felsformationen, wie die berühmten Steinwald In der chinesischen Provinz Yunnan ist es das Ergebnis des Schmelzens von Feststoffen zu Flüssigkeiten unter Einwirkung der Schwerkraft, was zu natürlichen Konvektionsströmungen führt.

Im Jahr 2021 sein Labor Er baute ein funktionierendes Tesla-VentilGemäß der Konstruktion des Erfinders wird der Wasserfluss durch das Ventil in beide Richtungen bei unterschiedlichen Drücken gemessen. Sie fanden heraus, dass das Wasser in die nicht bevorzugte Richtung etwa doppelt so langsam fließt. Im Jahr 2022 studierte Ristrov Sehr komplexe Aerodynamik Was einen guten Drachen ausmacht, insbesondere was für einen reibungslosen Flug erforderlich ist. Sie fanden heraus, dass sich die Aerodynamik eines Drachens erheblich von der Aerodynamik herkömmlicher Flugzeuge unterscheidet, die zur Auftriebserzeugung auf Querruder angewiesen sind.

Hineinzoomen / Illustration des „Reaktionsrads“ von Ernst Mach mechanisch (1883).

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Das Rückstreuproblem wird mit Feynman in Verbindung gebracht, weil er das Konzept populär gemacht hat, aber es geht tatsächlich auf ein Kapitel in Ernst Machs Lehrbuch von 1883 zurück Mechanik (Die Mechanik in Ihrer Entwicklung Historisch-Kritisch Dargerstellt). Machs Gedankenexperiment blieb relativ unbekannt, bis eine Gruppe von Physikern an der Princeton University in den 1940er Jahren begann, das Thema zu diskutieren.

Feynman war dort damals Doktorand und stürzte sich mit großem Enthusiasmus in die Debatte. Er ersann sogar ein Experiment im Zyklotronlabor, um seine Hypothese zu testen. (In wahrer Feynman-Manier gipfelte dieses Experiment darin, dass der Glaswagen des Geräts aufgrund des hohen Innendrucks explodierte.)

Man könnte meinen, dass ein Umkehrsprinkler genau wie ein normaler Sprinkler funktioniert, nur sozusagen rückwärts läuft. Doch die Physik erweist sich als komplizierter. „Die Antwort liegt auf den ersten Blick auf der Hand“, schrieb Feynman. Sie machen sicher Witze, Mr. Feynman (1985). „Das Problem ist, dass manche Leute denken, es sei ziemlich offensichtlich [that the rotation would be] In die eine Richtung, und jemand anderes könnte denken, dass es in der anderen Richtung ganz offensichtlich ist.