Zraszacz Feynmana

Zraszacz Feynmana , nazywany również zraszaczem odwróconym Feynmana lub zraszaczem odwróconym , jest urządzeniem podobnym do tryskacza, które jest zanurzone w zbiorniku i zasysane z otaczającego płynu . Pytanie, jak takie urządzenie mogłoby się obrócić, było przedmiotem intensywnej i niezwykle długotrwałej debaty.

Zwykły zraszacz ma dysze rozmieszczone pod kątem na swobodnie obracającym się kole, tak że podczas wypompowywania z nich wody powstające strumienie powodują obrót koła; zarówno koło Catherine , jak i eolipil („silnik bohatera”) działają na tej samej zasadzie. Zraszacz „odwrócony” lub „odwrócony” działałby zamiast tego poprzez zasysanie otaczającego płynu. Problem ten jest obecnie powszechnie kojarzony z fizykiem teoretycznym Richardem Feynmanem , który wspomina o nim w swoich bestsellerowych wspomnieniach „Pewnie pan żartuje, panie Feynman!”. Problem nie wyszedł od Feynmana ani nie opublikował on jego rozwiązania.

Historia

Pierwsze udokumentowane podejście do problemu znajduje się w rozdziale III, sekcji III podręcznika Ernsta Macha The Science of Mechanics , opublikowanego po raz pierwszy w 1883 roku. Tam Mach poinformował, że urządzenie „nie wykazywało wyraźnego obrotu”. Na początku lat czterdziestych (i najwyraźniej bez świadomości wcześniejszej dyskusji Macha) problem zaczął krążyć wśród członków wydziału fizyki na Uniwersytecie Princeton , wywołując ożywioną debatę. Richard Feynman, wówczas młody doktorant w Princeton, zbudował prowizoryczny eksperyment w obiektach uniwersyteckiego cyklotronowego . Eksperyment zakończył się eksplozją szklanej butli , której używał jako części swojego zestawu.

W 1966 roku Feynman odrzucił ofertę redaktora Physics Teacher , aby omówić problem w druku i sprzeciwił się nazwaniu go „problemem Feynmana”, wskazując zamiast tego na omówienie go w podręczniku Macha. Problem ze zraszaczami przyciągnął wiele uwagi po tym, jak incydent został wspomniany w Na pewno żartujesz, panie Feynman! , książka wspomnień autobiograficznych opublikowana w 1985 roku. Feynman podał jeden argument, dlaczego zraszacz powinien obracać się w kierunku do przodu, a drugi, dlaczego powinien obracać się w odwrotnym kierunku; nie powiedział, jak i czy zraszacz faktycznie się poruszył. W artykule napisanym krótko po śmierci Feynmana w 1988 roku, John Wheeler , który był jego promotorem w Princeton, ujawnił, że eksperyment z cyklotronem wykazał „niewielkie drżenie, gdy po raz pierwszy zastosowano ciśnienie [...] przepływ trwał, nie było żadnej reakcji”. Incydent ze zraszaczem jest również omówiony w biografii Feynmana, Genius, Jamesa Gleicka , opublikowanej w 1992 roku, w której Gleick twierdzi, że zraszacz w ogóle się nie obróci, jeśli zostanie zmuszony do zasysania płynu.

W 2005 roku fizyk Edward Creutz (który był odpowiedzialny za cyklotron Princeton w czasie incydentu) ujawnił w druku, że pomagał Feynmanowi w przygotowaniu eksperymentu i że po zastosowaniu ciśnienia w celu wypchnięcia wody z gąsiora przez głowica zraszacza,

Nastąpiło lekkie drżenie, jak to nazwał [Feynman], a głowica zraszacza szybko wróciła do pierwotnej pozycji i pozostała tam. Przepływ wody był kontynuowany przy nieruchomym zraszaczu. Dostosowaliśmy ciśnienie, aby zwiększyć przepływ wody, około pięć razy, a zraszacz nie poruszył się, chociaż woda przepływała przez niego swobodnie w kierunku do tyłu [...] Następnie balon eksplodował pod wpływem ciśnienia wewnętrznego. Wtedy pojawił się woźny i pomógł mi posprzątać potłuczone szkło i wytrzeć wodę. Nie wiem, co [Feynman] spodziewał się, że się stanie, ale moje niejasne myśli o zjawisku odwrócenia czasu były równie roztrzaskane jak butla.

Pytanie

W swojej książce Feynman recytuje pytanie w następujący sposób

Problem polega na tym, że masz zraszacz do trawnika w kształcie litery S – rurę w kształcie litery S na osi – a woda tryska pod kątem prostym do osi i wprawia ją w ruch w określonym kierunku. Każdy wie, w którą stronę to się kręci; cofa się od wypływającej wody. A teraz pytanie brzmi: gdybyś miał jezioro lub basen -- duży zapas wody -- i umieściłbyś zraszacz całkowicie pod wodą i zasysał wodę, zamiast ją wylewać, w którą stronę by się obrócił ? Czy obróciłby się w taki sam sposób, jak wtedy, gdy wyrzucasz wodę w powietrze, czy też obróciłby się w drugą stronę?

Rozwiązanie

Mechanika Ernsta Macha (1883). Kiedy wydrążona gumowa kulka zostanie ściśnięta, powietrze przepływa w kierunku krótkich strzałek, a koło obraca się w kierunku długiej strzałki. Po zwolnieniu gumowej kulki następuje odwrócenie kierunku przepływu powietrza, ale Mach nie zaobserwował „żadnego wyraźnego obrotu” urządzenia.

Zachowanie zraszacza odwróconego jest jakościowo zupełnie inne niż zwykłego zraszacza, a jeden z nich nie zachowuje się tak, jak drugi „ odwrócony ”. Większość opublikowanych teoretycznych rozwiązań tego problemu kończy się konkluzją, że idealny zraszacz rewersyjny nie będzie doświadczał żadnego momentu obrotowego w stanie ustalonym. Można to rozumieć w kategoriach zachowania momentu pędu : w stanie ustalonym moment pędu przenoszony przez dopływający płyn jest stały, co oznacza, że ​​na sam tryskacz nie działa moment obrotowy.

Alternatywnie, jeśli chodzi o siły działające na pojedynczą dyszę zraszacza, rozważ ilustrację Macha. Jest:

  • siła reakcji działająca na dyszę podczas zasysania płynu, ciągnąca dyszę w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara;
  • wpływająca woda uderzająca w wnętrze dyszy, popychając dyszę zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Te dwie siły są równe i przeciwne, więc zasysanie płynu nie powoduje żadnej siły wypadkowej działającej na dyszę zraszacza. Jest to podobne do łódki pop pop , która zasysa wodę — napływająca woda przenosi swój pęd na łódkę, więc zasysanie wody nie powoduje żadnej siły wypadkowej działającej na łódkę.

Wiele eksperymentów, wracając do Macha, nie wykazało rotacji zraszacza wstecznego. W konfiguracjach z wystarczająco niskim tarciem i dużą szybkością dopływu, zraszacz rewersyjny obraca się słabo w kierunku przeciwnym do zraszacza konwencjonalnego, nawet w stanie ustalonym. Takie zachowanie można wytłumaczyć dyfuzją pędu w przepływie nieidealnym (tj. lepkim ). Jednak uważna obserwacja konfiguracji eksperymentalnych pokazuje, że ten obrót jest związany z tworzeniem się wiru wewnątrz korpusu zraszacza. Analiza rzeczywistego rozkładu sił i ciśnienia w nieidealnym zraszaczu rewersyjnym dostarcza teoretycznej podstawy do wyjaśnienia tego:

Różnice w obszarach, w których działają siły wewnętrzne i zewnętrzne, tworzą parę sił o różnych ramionach momentu zgodnych z odwrotną rotacją. ... wynikająca z tego asymetria pola przepływu rozwinięta w dół od zakrętów ramion zraszaczy potwierdza rolę wirów w odwrotnej rotacji zraszaczy, sugerując mechanizm generowania wirów w stałym kierunku.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Feynman_sprinkler&oldid=1135887013 ”