Физики доказали: Фейнман ошибался в «глупой» задаче о разбрызгивателе

Знаменитый американский физик Ричард Фейнман любил решать несерьезные задачи. Одна из них — как будет вращаться садовый разбрызгиватель, если его заставить не разбрызгивать воду, а всасывать? Ответ мучил ученых десятилетиями, пока команда из Нью-Йоркского университета не провела серию остроумных экспериментов. Оказалось, что все зависит от завихрения потока в центральной ступице устройства. Открытие может найти практическое применение при проектировании особо мощных турбин. Статья опубликована в журнале PNAS. 

В чем заключается суть проблемы 

Классический S-образный разбрызгиватель крутится в одну сторону, выбрасывая струи. Но что будет, если погрузить его в бассейн и подключить к вакууму, заставив втягивать воду, каким будет направление вращения? Этот вопрос долго оставалось без ответа. Фейнман еще в 1940-х пытался поставить опыт в лаборатории, но стеклянная модель разбрызгивателя, сконструированная ученым, разбилась при эксперименте, не дав однозначного ответа. Последующие попытки приводили к противоречивым результатам: разбрызгиватель крутился то вперед, то назад, дергался или вовсе стоял на месте.

Математик Лейф Ристроф и его коллеги решили, наконец, поставить точку в этом вопросе. Они построили семь нарочито «нелепых» разбрызгивателей с изогнутыми, закрученными в спираль или загнутыми в обратную сторону плечами. Это было нужно, чтобы проверить две физические теории о разбрызгивателях. Согласно гипотезе, восходящей к австрийскому физику Эрнсту Маху, момент количества движения воды в рукавах должен уравновешиваться противоположным вращением самого устройства. Сам Фейнман считал, что все дело в перепадах давления у сопел.

Если бы прав был Мах, то разбрызгиватели исследователей крутилась бы совершенно не так, как было показано в эксперименте. Если бы прав был Фейнман, то обратный загиб сопла должен был застававить приборы вертеться в обратную сторону. Но этого не случилось.

«Пришлось сказать: „Фейнман и его последователи, вы неправы“», — признался Ристроф. Даже когда жидкость внутри несла значительно больший угловой момент, «твердое тело почти не реагировало».

Что определяет работу разбрызгивателя

Все измерения указали на центральный узел, где сходятся плечи прибора. Именно там встречные потоки воды сталкиваются и закручиваются, создавая поток момента импульса, которому сопротивляется корпус. Оказалось, что «обратный» разбрызгиватель, сконструированный учеными, — это просто вывернутая наизнанку версия обычного. Его работа определяется точно теми же физическими законами, которые воздействуют на противоположные концы рычагов классического устройства. 

«Нелепая» задача имеет практическое значение. Понимание того, как изогнутые каналы преобразуют поток жидкости в силу вращения, пригодится при проектировании турбин и других устройств, извлекающих энергию из ветра и воды.

«Если мы сможем помочь инженерам лучше использовать колоссальные объемы возобновляемой энергии вокруг нас — это будет фантастика», — подытожил Ристроф.