Ученые решили знаменитую задачу о спринклере Фейнмана с помощью садовых разбрызгивателей

Ученые из Нью-Йоркского университета (NYU) и Колорадской горной школы наконец-то разрешили знаменитую загадку физики, известную как «Задача о спринклере Фейнмана». Для этого они использовали садовые «забавные разбрызгиватели» (silly sprinklers) с изогнутыми трубками.

Суть задачи, ставшей широко известной в 1980-х годах после того, как физик Ричард Фейнман рассказал о своих неудачных попытках ее экспериментально решить, заключается в следующем: что произойдет, если заставить спринклер работать в обратном направлении, втягивая воду внутрь, а не разбрызгивая ее наружу?

В предыдущем исследовании 2024 года команда показала, что обратный спринклер вращается примерно в 50 раз медленнее обычного. Новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, пошло дальше. Ученые построили несколько «забавных разбрызгивателей» с различной формой трубок и протестировали их в обоих режимах.

Они сравнили свою теорию «потока импульса» с двумя другими популярными объяснениями. Теория, предложенная физиком Эрнстом Махом еще в 1880-х годах, не смогла объяснить полученные результаты. Вторая теория, связанная с самим Фейнманом, также была опровергнута экспериментами.

В итоге теория «потока импульса» подтвердилась. Она объясняет, что в обратном спринклере струи воды, втягиваясь внутрь, сталкиваются в центральной камере не идеально «лоб в лоб». Это небольшое смещение создает силы, заставляющие устройство вращаться в обратном направлении.

«Наши результаты дают экспериментальный ответ на задачу о спринклере Фейнмана, показывая на нескольких типах разбрызгивателей, как момент импульса потоков воды управляет их вращением», — объясняет Лиф Ристроф, доцент Института математических наук Куранта при NYU и старший автор статьи.

По словам ученых, эти выводы могут быть полезны не только для решения знаменитой головоломки. Понимание того, как объекты реагируют на движущиеся жидкости, поможет инженерам улучшить турбины и другие устройства, преобразующие энергию потоков.

«Наши результаты обеспечивают более твердое понимание того, как компоненты реагируют на потоки жидкости — знание, которое может направлять будущие инженерные и технологические достижения для устройств, таких как турбины, которые преобразуют эти потоки в энергию», — отмечает Бреннан Спринкл, доцент Колорадской горной школы и соавтор статьи.