幾十年前的物理學之謎——費曼的灑水器問題終于解決了

幾代人以來，夏天的炎熱讓孩子們在老式的 S 形花園灑水器噴出的螺旋狀水流中奔跑。

但是，如果灑水頭被淹沒并吸入水中會發生什么？如果水流被反轉，由涌入的水力驅動，它會像普通噴頭一樣旋轉，還是在吸力將旋轉向前拉動時以相反的方向旋轉？它會奇怪地靜止不動嗎？

這就是幾十年前的問題20世紀中葉著名的物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）提出了這個問題，后來被稱為費曼的灑水器問題.

現在，一群數學家認為他們終于通過一系列由數學建模支持的實驗室實驗解決了這個問題。

他們當然不是第一個嘗試的人，但他們的預測得到了實驗結果的驗證。

1940年代初，費曼是普林斯頓大學的一名研究生，他建立了一個臨時實驗據他的同事說，這表明灑水器在幾次微小的搖晃后保持靜止。恩斯特·馬赫（Ernst Mach）在1883年首次提到這個問題時也提出了類似的想法。

此后的實驗產生了相互矛盾的結果：一些實驗顯示了噴頭反向旋轉;其他人觀察到了它不規則地改變方向或者只移動一小會兒。

紐約大學物理學博士生Kaizhe Wang及其同事將這些差異歸結為過去實驗設置的幾何形狀以及旋轉軸和內部軸承之間的摩擦，這可能會抵消其他力。

因此，他們制造了一種新的超低摩擦旋轉軸承，使他們定制的反向噴水器能夠自由旋轉。灑水器有兩個由彎曲管制成的臂，圓柱形管的頂部有一個虹吸管，當設備浸入充滿水的水箱中時，用于吸水。

該設備還被設計成可以無限期運行，泵從水庫中抽水，虹吸的水流入水庫。這使得研究人員能夠進行幾個小時的實驗，比以前的實驗更長。

該團隊還使用彩色染料、激光散射微粒和高速相機來可視化和記錄噴頭和水流的旋轉，以便他們可以將實驗結果與建模輸出進行比較。

“我們發現，反向噴頭在吸水時會以'反向'或相反的方向旋轉，就像噴水時一樣，原因微妙而令人驚訝，”解釋Leif Ristroph，紐約大學數學家，該研究的資深作者。

將普通噴頭想象成火箭的旋轉版本：噴頭的推力與排出的水射流方向相反。

Wang及其同事發現，在他們的反向噴水器中，進入的水射流在噴頭的內腔中相互撞擊，但并不完全迎面相遇，這會產生扭矩來旋轉輪轂。

灑水器輪轂的運動并不穩定，但它確實向相反的方向旋轉，盡管比流出灑水器慢 50 倍。（在下面的視頻中，設備被阻止旋轉，以改善流動的可視化。

“實驗和模型結果之間的一致性非常顯著，”麥吉爾大學機械工程師邁克爾·帕伊杜西斯（Michael Pa?doussis）告訴菲利普·鮑爾物理雜志.

其他物理學家同意這些實驗有助于確定這個流體問題的機制，這可能有一些實際應用。

里斯特羅夫說這些發現可以應用于工程技術，通過產生運動或力從流動的空氣或水中收集能量。

“我們現在對流體流過結構可以引起運動的情況有了更好的理解，”增加布倫南·斯普林克爾（Brennan Sprinkle）是科羅拉多礦業學院的數學家，也是該論文的合著者之一。

該研究已發表在物理評論快報.

寶寶起名 起名