Физики решили «проблему Фейнмана» об инвертированном разбрызгивателе. Ответ очевидный, а вот объясне / физика :: длиннопост :: Реактор познавательный :: Ричард Фейнман :: гидродинамика :: наука

физика наука гидродинамика Ричард Фейнман Реактор познавательный длиннопост 

Физики решили «проблему Фейнмана» об инвертированном разбрызгивателе. Ответ очевидный, а вот объяснение — нет

В какую сторону будет вращаться обычный садовый опрыскиватель, если поток жидкости в нем обернуть вспять? Ответ на этот вопрос выглядит абсолютно очевидным. И он всегда разный в зависимости от степени понимания отвечающим физики протекающих процессов. Поэтому неудивительно, что загадка об инвертированном разбрызгивателе занимала лучшие умы человечества многие десятилетия. К счастью, американские ученые наконец-то теоретически и экспериментально обосновали по-настоящему правильное ее решение.

физика,наука,гидродинамика,Ричард Фейнман,Реактор познавательный,длиннопост

Разбрызгиватель, работающий в инвертированном режиме (вода движется к центру устройства через трубки-сопла внутрь). Хорошо видны формирующиеся внутри него вихри разного размера и направления

Для начала стоит упомянуть, что проблема инвертированного разбрызгивателя — наглядная иллюстрация закона Стиглера: Ричард Фейнман лишь популяризовал загадку, но сформулировал ее далеко не первым. Наиболее раннее упоминание этого теоретического вопроса встречается в труде The Science of Mechanics (1883 год) небезызвестного Эрнста Маха, именем которого названо число Маха. Экспериментальные попытки определить, в какую сторону будет вращаться инвертированный разбрызгиватель, стали предпринимать примерно с 1940-х годов.

Имя Фейнмана с этой задачей связано следующим образом. Во-первых, когда он услышал обсуждение проблемы инвертированного разбрызгивателя (как раз в 1940-е) коллегами-аспирантами, предложил провести эксперимент. И не где-нибудь, а в помещении циклотрона Принстонского университета. Опыт закончился феерично: задействованный в процессе стеклянный бак разорвало от избыточного давления. Результат оказался спорным, разбрызгиватель сначала немного дернулся вокруг своей оси, а затем замер и больше не двигался. Хотя вода через него продолжила проходить.

Во-вторых, именно Фейнман познакомил широкую публику с проблемой инвертированного разбрызгивателя. Она упоминается в его автобиографической книге «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман» (1985 год). Хотя в среде популяризаторов науки и ученых эта задача и ранее ассоциировалась с его фамилией, чем гениальный физик явно не был доволен. Он справедливо указывал, что лавры первооткрывателя принадлежат не ему, а Маху.

физика,наука,гидродинамика,Ричард Фейнман,Реактор познавательный,длиннопост

60-дюймовый циклотрон в Лаборатории радиации им. Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли

Упрощенно суть проблемы заключается в следующем. Полностью погрузим садовый S-образный вращающийся разбрызгиватель в большую емкость и попробуем откачать через него воду. В какую сторону будет вращаться разбрызгиватель и будет ли он это делать вообще? Возможных решений три:

1 - Он будет вращаться в сторону, противоположную «обычному» режиму разбрызгивания: вода же всасывается, следовательно, на срезе сопел возникает разрежение. Это объяснение наименее полное с точки зрения физики, но интуитивно кажется самым логичным.

2 - Он будет вращаться в ту же сторону, что и «обычный» разбрызгиватель: увлекаемая в него вода передает часть крутящего момента на изгибающееся сопло. Этот вариант требует как можно меньшего трения во всех вращающихся деталях разбрызгивателя.

3 - Он останется на месте: сила реакции сопла, всасывающего воду, уравновешивается моментом, который вода передает изгибу внутри сопла. С точки зрения большинства изучавших проблему ученых, это наиболее правильный вариант.

физика,наука,гидродинамика,Ричард Фейнман,Реактор познавательный,длиннопост

Разбрызгиватель, работающий в режиме обычного опрыскивателя (вода движется от центра устройства через трубки-сопла наружу)

На протяжении последнего полувека различные исследователи проводили эксперименты, чтобы определить, какой из этих вариантов соответствует действительности. Но результаты были всегда неоднозначные. Даже в тех случаях, когда трение движущихся частей разбрызгивателя удавалось снизить практически полностью, он либо стоял на месте, либо едва заметно вращался в противоположную сторону. Полноценного ответа найти не получалось.

За решение эпохальной задачи взялась лаборатория прикладной математики Курантовского института математических наук (NYU Courant: Institute) — независимого подразделения Нью-Йоркского университета. В ней уже не раз отвечали на животрепещущие вопросы «жизни, Вселенной и вообще»: в 2018 году нашли рецепт идеальных мыльных пузырей, в 2021-м объяснили формирование загадочных каменных лесов, а в 2022-м изучили нюансы аэродинамики планеров с тончайшими крыльями (что позволяет делать самые эффективные бумажные самолетики). Новая научная работа плодотворной исследовательской организации опубликована в рецензируемом журнале Physical Review Letters.

Чтобы во всех деталях изучить происходящее с инвертированным разбрызгивателем, ученым пришлось попотеть. Сначала они создали наиболее полную модель устройства, провели все необходимые вычисления и рассчитали разные варианты развития событий в эксперименте. Для опыта исследователи собрали такую установку, в которой не только минимизировано трение, но и устранены возможные возмущения от потоков жидкости вокруг самого разбрызгивателя.

Во время эксперимента использовали не обычную воду — в нее добавили отражающие микрочастицы, которые ярко светились в лучах подсвечивающего лазера. Так получилось наглядно увидеть поток жидкости и все возникающие в нем турбулентности. Результатом экспериментов и моделирования стала удивительная картина: инвертированный разбрызгиватель действительно будет крутиться в сторону, противоположную «обычному» режиму работы. Только в 50 раз медленнее. Самое удивительное, что обнаружили исследователи: механизм этого вращения полностью идентичен таковому у «правильного», не инвертированного разбрызгивателя. И его секрет кроется в том, что происходит внутри устройства.

физика,наука,гидродинамика,Ричард Фейнман,Реактор познавательный,длиннопост

Схема эксперимента: (a) — разбрызгиватель в разрезе (он способен работать и в обычном и в инвертированном режиме); (b) — чертеж всей установки; (c) — иллюстрация, показывающая метод визуализации турбулентных потоков (в плоскости трубок-сопел работает «лазерная завеса», которая подсвечивает отражающие микрочастицы, двигающиеся вместе с водой)

Дело в том, что при всасывании воды, трубки-сопла тоже формируют струи, только не снаружи разбрызгивателя, а внутри. Даже если они расположены строго на противоположных сторонах кольца и оси их параллельны, получившиеся струи не обязательно столкнутся в центре. Ведь сопла изгибаются, меняют направление движения воды, а она, в свою очередь, получает от этого дополнительный импульс. И когда покидает трубку, часть этого импульса заставляет поток отклоняться от прямолинейной траектории.

В результате внутри разбрызгивателя возникает несколько вихрей, вращающихся в противоположные стороны. Но их размер, а вместе с тем скорость и объем вовлеченной воды, не одинаковый. Это приводит к неравномерному распределению момента силы в разных направлениях. И устройство вращается.

Вывод исследования можно кратко сформулировать так: будет ли фейнмановский разбрызгиватель вращаться и если да, то в какую сторону, — в первую очередь зависит от внутренней геометрии этого разбрызгивателя. В общем случае он будет едва заметно вращаться в обратную сторону, но если трение в его деталях велико, то это движение зафиксировать трудно.

Статья спизжена отсюда


Подробнее




физика,наука,гидродинамика,Ричард Фейнман,Реактор познавательный,длиннопост
Еще на тему
Развернуть

Отличный комментарий!

А можно адаптировать для даунов?
ChibiZ ChibiZ07.02.202412:58ссылка
+4.9
Вода выливается из трубочек и вращает штуковину.

Вопрос: Что будет, если воду в штуковину вливать?

Самый наивный ответ предполагает, что штуковина будет вращаться в обратную сторону.

На самом деле штуковина действительно вращается в обратную сторону, но не просто так, а из-за сложных физических явлений.
yoburg yoburg07.02.202413:01ссылка
+42.6
Будет ли понимать или не понимать loverflame, если сказать очень сложную хуйню?
Вот кому то делать нехуй) Молодцы!
Они же не в свободное время это делают, это их работа, им за это деньги платят.

А меня за такое в школе наказывали.

Тоже в школе на научных грантах сидел?
Задавал тупые, с точки зрения учителя, вопросы.
Да это явно достойно Шнобелевской!
А можно адаптировать для даунов?
Вода выливается из трубочек и вращает штуковину.

Вопрос: Что будет, если воду в штуковину вливать?

Самый наивный ответ предполагает, что штуковина будет вращаться в обратную сторону.

На самом деле штуковина действительно вращается в обратную сторону, но не просто так, а из-за сложных физических явлений.
есть ли прикладная польза от ответа на этот вопрос?
Бюджет освоен, дайте ещё
Но ведь буквально все в этой вселенной работает из-за сложных физических явлений...

вся вселенная ёбаная чёрная магия котора хуй пойми как работает. (с) Альберт Эйнштнейн в частной беседе после открытия "зоопарка частиц".

— Для постройки варп-двигателя нужны дополнительные исследования, деньги и пусть нам привезут ещё этой херни! — заявили учёные-математики Курантовского института математических наук.
Полезно, конечно.
Даже прикладным инженерам будет полезно знать, что в проектировании при учёте гидродинамических явлений нужно учитывать не только внешние потоки, явно определяющие моменты сил, но и внутренние, определяемые геометрией полостей и образующие асимметричные вихри.
Пока не доказано- это гипотеза, а гипотеза без доказательств- сон сутулой собаки. Короч, надо доказать, а потом оно может когда-нибудь пригодиться. Фундаментальная наука, одним словом. Вроде как-то так.
Некоторые думают что это модель нашей вселенной и антивселенной. Пруфов не будет.
И если есть небольшая асимертрия, то вселенная должна вращаться вокруг какого то общего центра с антивселенной.
Знаю я как эти ваши ученые работают.
- Кинуть камень в верх что будет?
- Он упадет в низ.
- На самом деле он действительно упадет в низ но не просто так, а из-за сложных физических явлений.
Ели бы внутри было такое же изменение вектора, ответ был бы проще, а тут прям наука.
Прикол в том что у тебя на картинке оба варианты несоосны, а в их экспериментальной установке соосны, потому результат и не так очевиден
Первый вариант я попытался изобразить без плеча относительно оси вращения, если не считать внешнюю часть, где хитрые силы и возникали
Фейнман - тот еще тролль. Написал "эксперимент шел прекрасно, трубка закручивалась, я добавил давления, чтобы измерять точнее - и тут все взорвалось!", но при этом не написал, в какую сторону шел закрут.

С тех пор попыток провести эксперимент были тысячи, и у всех получались разные результаты. Но в большинстве случаев да, вращение в обратную сторону. Нынешний эксперимент - не оригинален, и в очередной раз просто подтвердил, что все зависит от условий эксперимента и устройства вертушки.
Если от вертушки отлетает струя воды с какой-то скоростью, то вертушка по идее должна получать импульс в обратную сторону в пропорции вес струи/вес вертушки. А при обратном процессе струя попадает в плотную среду и не набирает скорость, а только создает завихрения.
Получается что если трубки-сопла удлинить с ощутимой прямой частью, то струи внутри будут симметричны, и ничто никуда не будет крутиться
я вот тоже думаю, что если геометрия идеальная и трения нет (т.е. условия обычной физической задачи), то вращаться ничего не будет
Все так думали, но в задачу с ноги ворвалась гидродинамика, которая на равне с аэродинамикой такие ебанутые хрени, что может быть что угодно)
И на это выделяют гранты?
Наука - это способ удовлетворить своё любопытство за чужие деньги(с)
Каждый раз, когда вижу новости о чем-то, связанном с Фейнманом, рука тянется поделиться с отцом, он был лютым его фанатом. Но поделиться не с кем уже.
Это как с унитазами в Австралии. Про смыв. Всё зависит от геометрии толчка и системы подачи воды.
Мне бы его проблемы
нужно попробовать воду заменить на ртуть - тогда возможно, будет другой коэфициент, а не "в 50 раз медленней".
но тогда разбрызкиватель нужно будет сделать из урана, чтоб он утопал в ртути, а не плавал в ней сверху.
Иииии.... его нет.
покрыть тонким слоем железа, чтоб не растворялся
Как наблюдать?
Только зарегистрированные и активированные пользователи могут добавлять комментарии.
Похожие темы

Тренды

Похожие посты
 í® " ер ШШ щ L ^ • é ■ ■■ — msThe speed of light. Laser pulse shooting through a bottle Trillion FPS
подробнее»

физика наука свет Реактор познавательный

The speed of light. Laser pulse shooting through a bottle Trillion FPS
Данные с Луны. Терапия Паркинсона. Кольца Алисы. Бутылочное горлышко у предков. Новости QWERTY №271
подробнее»

наука физика квантовая механика Реактор познавательный длиннопост

Данные с Луны. Терапия Паркинсона. Кольца Алисы. Бутылочное горлышко у предков. Новости QWERTY №271
Ричард Фейнман: Характер физического закона. Лекция #1. Пример физического закона — закон тяготения,Science & Technology,vertdider,vert_dider,vert dider,конференция,технологии,исследования,научно-популярное,наука,Lecture (Type Of Public Presentation),Richard Feynman (Academic),Physics (Field Of Stud
подробнее»

физика наука лекция Ричард Фейнман vert dider geek,Прикольные гаджеты. Научный, инженерный и айтишный юмор песочница

Ричард Фейнман: Характер физического закона. Лекция #1. Пример физического закона — закон тяготения,Science & Technology,vertdider,vert_dider,vert dider,конференция,технологии,исследования,научно-популярное,наука,Lecture (Type Of Public Presentation),Richard Feynman (Academic),Physics (Field Of Stud