спринклер Фейнмана
Спринклер Фейнмана , также называемый обратным спринклером Фейнмана или обратным спринклером , представляет собой спринклерное устройство, которое погружается в резервуар и предназначено для всасывания окружающей жидкости . Вопрос о том, как будет работать такое устройство, стал предметом интенсивных и удивительно продолжительных дебатов. Устройство обычно остается устойчивым и не вращается, хотя при достаточно низком трении и высокой скорости притока было замечено, что оно слабо поворачивается в направлении, противоположном обычному разбрызгивателю.
Обычный разбрызгиватель имеет форсунки, расположенные под углом на свободно вращающемся колесе так, что при выкачивании из них воды образующиеся струи приводят колесо во вращение; и колесо Екатерины , и эолипил («двигатель героя») работают по одному и тому же принципу. «Обратный» или «обратный» спринклер будет работать за счет всасывания окружающей жидкости. Эту проблему сейчас обычно связывают с именем физика- теоретика Ричарда Фейнмана , который упоминает ее в своих мемуарах- бестселлерах «Конечно, вы шутите, мистер Фейнман!» Проблема возникла не у Фейнмана, и он не опубликовал ее решения.
История [ править ]
Первое задокументированное рассмотрение проблемы содержится в главе III, разделе III Эрнста Маха учебника «Наука механики» , впервые опубликованного в 1883 году. [1] Там Мах сообщил, что аппарат «не показал отчетливого вращения». [2] В начале 1940-х годов (и, очевидно, не зная о более раннем обсуждении Маха) проблема начала циркулировать среди членов физического факультета Принстонского университета , вызвав оживленные дебаты. Ричард Фейнман, в то время молодой аспирант Принстона, построил импровизированный эксперимент на базе университетской циклотронной лаборатории. Эксперимент закончился взрывом стеклянной бутыли , которую он использовал как часть своей установки.
В 1966 году Фейнман отклонил предложение редактора журнала « Учитель физики» обсудить проблему в печати и возражал против того, чтобы ее называли «проблемой Фейнмана», указав вместо этого на обсуждение ее в учебнике Маха. [3] Проблема с разбрызгивателями привлекла большое внимание после того, как этот инцидент был упомянут в книге «Вы шутите, мистер Фейнман!» , книга автобиографических воспоминаний, изданная в 1985 году. [4] Фейнман привел один аргумент в пользу того, почему спринклер должен вращаться в прямом направлении, а другой — почему он должен вращаться в обратном направлении; он не сказал, как и двигался ли разбрызгиватель на самом деле. В статье, написанной вскоре после смерти Фейнмана в 1988 году, Джон Уилер , который был его научным руководителем в Принстоне, рассказал, что эксперимент на циклотроне показал «небольшое дрожание при первом приложении давления [...] поток продолжался, реакции не было». [5] Инцидент со спринклером также обсуждается в гения Джеймса Глейка биографии Фейнмана, , опубликованной в 1992 году, где Глейк утверждает, что спринклер вообще не будет вращаться, если его заставить всасывать жидкость. [6]
В 2005 году физик Эдвард Кройц (который руководил Принстонским циклотроном во время инцидента) сообщил в печати, что он помогал Фейнману в постановке эксперимента и что, когда было приложено давление, чтобы вытеснить воду из бутыли через разбрызгивающая головка,
Произошло небольшое дрожание, как назвал это [Фейнман], и головка разбрызгивателя быстро вернулась в исходное положение и осталась там. Поток воды продолжался при неподвижном разбрызгивателе. Мы отрегулировали давление, чтобы увеличить поток воды, примерно пять раз, и разбрызгиватель не двигался, хотя вода свободно текла через него в обратном направлении [...] Затем бутыль взорвалась из-за внутреннего давления. Затем появился дворник и помог мне убрать разбитое стекло и вытереть воду. Я не знаю, чего [Фейнман] ожидал, но мои смутные мысли о феномене обращения времени были так же разбиты, как бутыль. [7]
Вопрос [ править ]
В своей книге Фейнман формулирует вопрос следующим образом: [4]
Проблема вот в чем: у вас есть разбрызгиватель газонов S-образной формы — S-образная труба на шарнире — и вода выбрызгивается под прямым углом к оси и заставляет ее вращаться в определенном направлении. Все знают, как обстоят дела; он отступает от выходящей воды. Теперь вопрос заключается в следующем: если бы у вас было озеро или бассейн с большим запасом воды, и вы полностью поместили разбрызгиватель под воду и всасывали бы воду, а не выплескивали ее, в какую сторону бы она повернулась? Повернется ли он так же, как если бы вы выплеснули воду в воздух, или повернулось бы в другую сторону?
Решение [ править ]
Поведение обратного спринклера качественно совершенно отличается от поведения обычного спринклера, и один из них не ведет себя так, как другой, « играемый задом наперед ». В большинстве опубликованных теоретических трактовок этой проблемы сделан вывод о том, что идеальный реверсивный спринклер не будет испытывать никакого крутящего момента в установившемся состоянии. Это можно понять с точки зрения сохранения углового момента : в установившемся состоянии величина углового момента, переносимая поступающей жидкостью, постоянна, что означает, что на самом спринклере нет крутящего момента.
В качестве альтернативы, с точки зрения сил, действующих на отдельное сопло разбрызгивателя, рассмотрим иллюстрацию Маха. Есть:
- сила реакции на сопле, когда оно всасывает жидкость, вытягивая сопло против часовой стрелки;
- вытекающая вода воздействует на внутреннюю часть сопла, толкая сопло по часовой стрелке.
Эти две силы равны и противоположны, поэтому всасывание жидкости не вызывает результирующей силы на сопле разбрызгивателя. Это похоже на лодку «поп-поп», когда она всасывает воду — поступающая вода передает свой импульс лодке, поэтому всасывание воды не вызывает результирующей силы на лодке. [8] [9]
Многие эксперименты, возвращаясь к Махам, не обнаруживают вращения обратного разбрызгивателя. Было замечено, что в установках с достаточно низким трением и высокой скоростью притока обратный разбрызгиватель слабо поворачивается в противоположном направлении по сравнению с обычным разбрызгивателем, даже в своем устойчивом состоянии. [10] [11] Такое поведение можно объяснить диффузией импульса в неидеальном (т. е. вязком ) потоке. [9] Однако внимательное наблюдение за экспериментальными установками показывает, что этот поворот связан с образованием вихря внутри корпуса спринклера. [12] Анализ фактического распределения сил и давления в неидеальном обратном спринклере дает теоретическую основу для объяснения этого:
Различия в областях действия внутренних и внешних сил образуют пару сил с разными плечами момента, согласующимися с обратным вращением. ... возникающая в результате асимметрия поля потока, развивающаяся ниже по потоку от изгибов разбрызгивателя, подтверждает роль вихрей при обратном вращении спринклера, предполагая механизм генерации вихрей в постоянном направлении. [13]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Мах, Эрнст (1883). Механика в их развитии представлена исторически и критически (на немецком языке). Лейпциг: Ф.А. Брокгауз. Доступно на английском языке как Наука механика: критический и исторический отчет о ее развитии (3-е изд.). Чикаго: Открытый суд. 1919. С. 299–301 .
- ^ Мах, Эрнст (1919). Наука механика: критический и исторический отчет о ее развитии . Перевод МакКормака, Томаса Дж. (3-е изд.). Чикаго: Открытый суд. стр. 301 .
- ^ Фейнман, Ричард П. (5 апреля 2005 г.). Феринман, Мишель (ред.). Совершенно разумные отклонения от проторенной дорожки: письма Ричарда П. Фейнмана . Нью-Йорк: Основные книги. стр. 209–211. ISBN 0-465-02371-1 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Фейнман, Ричард П. (1985). Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман! . Нью-Йорк: WW Нортон. стр. 63–65.
- ^ Уилер, Джон Арчибальд (1989). «Молодой Фейнман». Физика сегодня . 42 (2): 24–28. Бибкод : 1989PhT....42b..24W . дои : 10.1063/1.881189 .
- ^ Глейк, Джеймс (1992). Гений: жизнь и наука Ричарда Фейнмана . Нью-Йорк: Пантеон. стр. 106–108. ISBN 978-0-679-74704-8 .
- ^ Крейц, Эдвард К. (2005). «Обратный спринклер Фейнмана». Американский журнал физики . 73 (3): 198–199. Бибкод : 2005AmJPh..73..198C . дои : 10.1119/1.1842733 .
- ^ Дженкинс, Алехандро (3 мая 2004 г.). «Элементарная обработка обратного оросителя» . Американский журнал физики . 72 (10): 1276–1282. arXiv : физика/0312087 . Бибкод : 2004AmJPh..72.1276J . дои : 10.1119/1.1761063 . S2CID 119430653 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Дженкинс, Алехандро (2011). «Возврат к головке спринклера: импульс, силы и потоки в махистском движении». Европейский журнал физики . 32 (5): 1213–1226. arXiv : 0908.3190 . Бибкод : 2011EJPh...32.1213J . дои : 10.1088/0143-0807/32/5/009 . S2CID 118379711 .
- ^ Ван, Кайжэ; Посыпь, Бреннан; Цзо, Минсюань; Ристроф, Лейф (26 января 2024 г.). «Центробежные потоки приводят к обратному вращению спринклера Фейнмана» . Письма о физических отзывах . 132 (4): 044003. doi : 10.1103/PhysRevLett.132.044003 . Проверено 1 февраля 2024 г.
- ^ «Как работает «обратный спринклер»? Исследователи решают физическую головоломку десятилетней давности» . Нью-Йоркский университет . Проверено 1 февраля 2024 г.
- ^ Рюкнер, Вольфганг (2015). «Загадка установившегося вращения обратного разбрызгивателя» (PDF) . Американский журнал физики . 83 (4): 296–304. Бибкод : 2015AmJPh..83..296R . дои : 10.1119/1.4901816 . S2CID 32075644 .
- ^ Билз, Джозеф (2017). «Новые взгляды на обратный разбрызгиватель: согласование теории и эксперимента». Американский журнал физики . 85 (3): 166–172. Бибкод : 2017AmJPh..85..166B . дои : 10.1119/1.4973374 .
Внешние ссылки [ править ]
- D3-22: Обратный спринклер — металлическая модель , Университета Мэриленда Лекционно-демонстрационный зал по физике
- Лаборатория коридора Эджертон-центра: спринклер Фейнмана. Архивировано 24 марта 2017 г. в Wayback Machine.
- Диссертация по физике А. Дженкинса, Калифорнийский технологический институт (см. главу 6).