Интересно Секрет обратного разбрызгивателя: тайна, которую скрывали десятилетия

[Sepultura_North]

Секрет обратного разбрызгивателя: тайна, которую скрывали десятилетия​

30 января, 2024

Ученые наконец поняли, как он работает.

Десятилетиями учёные пытались разгадать "Проблему обратного распылителя Фейнмана ": как работает распылитель, работающий в обратном режиме, когда вода поступает в устройство, а не выходит из него? Команда математиков провела ряд экспериментов и выяснила, как течение жидкости оказывает силы и вызывает движение, раскрыв тем самым ответ на эту давнюю загадку.
"Наше исследование решает проблему, сочетая точные лабораторные эксперименты с математическим моделированием, которое объясняет работу обратного распылителя", - объясняет Лейф Ристроф, доцент Института математических наук Куранта Нью-Йоркского университета и старший автор статьи , опубликованной в журнале Physical Review Letters.
"Мы обнаружили, что обратный распылитель вращается в противоположном направлении при всасывании воды, так же, как и при её выбросе, и причина этого тонкая и удивительная".
"Обычный или 'прямой' распылитель похож на ракету, так как он приводится в движение за счёт выброса струй", - добавляет Ристроф. "Но обратный распылитель загадочен, поскольку всасываемая вода совсем не похожа на струи. Мы обнаружили, что секрет скрыт внутри распылителя, где действительно есть струи, объясняющие наблюдаемые движения".
Исследование дает ответ на одну из старейших и сложнейших проблем в физике жидкостей. Хотя Ристроф признает, что понимание работы обратного распылителя имеет ограниченную практическую пользу - "нет необходимости 'разливать' газоны", - результаты помогают нам лучше понять основные физические принципы и возможности улучшения методов для инженерных устройств, использующих течение жидкости для управления движениями и силами.
"Теперь у нас есть гораздо лучшее понимание ситуаций, в которых поток жидкости через структуры может вызывать движение", - отмечает Бреннан Спринкл, доцент Колорадской школы горного дела и один из соавторов статьи. "Мы думаем, что методы, которые мы использовали в наших экспериментах, будут полезны для многих практических применений в устройствах, реагирующих на потоки воздуха или воды".
Проблема распылителя Фейнмана обычно представляется как мысленный эксперимент о типе лужайкового распылителя, который вращается, когда жидкость, такая как вода, выталкивается из его S-образных трубок или "рукавов". Вопрос в том, что произойдет, если жидкость будет всасываться через рукава: будет ли устройство вращаться, в каком направлении и почему?
Проблема связана с пионерами физики, от Эрнста Маха, который поставил эту проблему в 1880-х годах, до лауреата Нобелевской премии Ричарда Фейнмана, который работал над ней и популяризировал её с 1960-х по 1980-е годы. С тех пор это породило множество исследований, обсуждающих результат и основные физические принципы, и до сих пор это представляется как открытая проблема в физике и учебниках по механике жидкостей.
Для решения проблемы обратного распылителя Ристроф, Спринкл и их соавторы, Кайже Ванг, аспирант Нью-Йоркского университета во время исследования, и Минсянь Цзо, аспирант Нью-Йоркского университета, изготовили на заказ устройства распылителя и погрузили их в воду в аппарате, который втягивает или выталкивает воду с контролируемой скоростью.
Чтобы устройство могло свободно вращаться в ответ на поток, исследователи построили новый тип новый тип вращающегося подшипника с минимальным трением. Они также спроектировали распылитель таким образом, чтобы можно было наблюдать и измерять, как вода течет снаружи, внутри и через него.
"Это никогда ранее не делалось и было ключом к решению проблемы", - объясняет Ристроф.
Для лучшего наблюдения за процессом обратного распыления исследователи добавили красители и микрочастицы в воду, подсветили лазерами и зафиксировали потоки с помощью камер высокой скорости.
Результаты показали, что обратный распылитель вращается гораздо медленнее, чем обычный - примерно в 50 раз медленнее, - но механизмы в основном схожи.
Обычный прямой распылитель действует как вращающаяся версия ракеты, работающей на водяных струях, вытекающих из рукавов. Обратный распылитель действует как "внутренне-наружная ракета", со струями, выстреливающими внутри камеры, где встречаются рукава. Исследователи обнаружили, что две внутренние струи сталкиваются, но они не встречаются точно лоб в лоб, и их математическая модель показала, как это тонкое воздействие создает силы, заставляющие распылитель вращаться в обратном направлении.
Команда видит в этом прорыве потенциал для использования климатически дружественных источников энергии.
"Вокруг нас текут обильные и устойчивые источники энергии - ветер в нашей атмосфере, а также волны и течения в наших океанах и реках", - говорит Ристроф. "Выяснение того, как использовать эту энергию, является большой задачей и потребует от нас лучшего понимания физики жидкостей".