Физики проверили загадку обратного разбрызгивателя на «забавных» конструкциях

Что произошло

Исследователи Courant Institute при New York University провели серию опытов с разными «забавными» разбрызгивателями — устройствами, которые создают петли и спирали водяными струями. Целью было разобраться с давней задачей гидродинамики об обратном разбрызгивателе.

Новая статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences. В ней команда расширила более ранние опыты и проверила, как форма плеч разбрызгивателя влияет на поток воды, крутящий момент и направление вращения.

Контекст задачи

Проблема обратного разбрызгивателя известна благодаря Richard Feynman, который популяризовал эту идею. Однако ее истоки восходят к главе в учебнике Ernst Mach The Science of Mechanics 1883 года.

Mach предполагал, что обратный разбрызгиватель не будет вращаться: одна сила тянет сопло в одном направлении, а поток воды внутри сопла толкает его в другом, и в устойчивом режиме силы компенсируются. Собственный опыт Feynman показал только небольшой толчок при подаче давления, после чего устройство вернулось в исходное положение и осталось неподвижным.

Как проверяли

В 2024 году прикладной математик Leif Ristroph и коллеги из New York University создали собственный разбрызгиватель с роторными подшипниками сверхнизкого трения, чтобы устройство могло свободно вращаться.

Устройство погружали в воду, а затем с помощью специальной установки либо нагнетали воду внутрь, либо вытягивали ее наружу при контролируемых скоростях потока. Красители, микрочастицы и лазерная подсветка помогали записывать движение воды на высокоскоростное видео.

Тогда команда обнаружила, что обратный разбрызгиватель вращается в 50 раз медленнее обычного, хотя работает по похожим механизмам.

Почему это важно

Новые наблюдения, как следует из описания исследования, сильнее поддержали momentum flux theory и оказались несовместимы с гипотезами Mach и Feynman.

Авторы также пришли к выводу, что форма плеч разбрызгивателя может управлять струйным потоком. По словам соавтора Brennan Sprinkle из Colorado School of Mines, такое понимание может быть полезно для будущих инженерных устройств, включая турбины, которые преобразуют потоки в энергию.