1495
Щоліта газони заповнюють барвисті «дурнуваті поливалки», чиї петлясті й закручені трубки розбризкують воду незвичними візерунками. Їхні форми можуть здаватися грайливими, та науковці використали ці побутові пристрої, щоб дослідити серйозне питання фізики, яке спантеличувало дослідників десятиліттями. Ідеться про так звану задачу Фейнмана про зрошувач: що станеться, якщо поливалка працює у зворотному режимі, всмоктуючи воду в рукави замість того, щоб виштовхувати її назовні? Роботу опублікували в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Ця робота дає експериментальну відповідь на задачу Фейнмана про зрошувач, показуючи на кількох типах поливалок, як кутовий момент водних потоків спричиняє обертання», — пояснив старший автор дослідження, доцент Нью-Йоркського університету Лейф Рістроф. За словами науковців, висновки корисні не лише для розв’язання відомої головоломки: розуміння того, як об’єкти реагують на рухомі рідини, може допомогти інженерам удосконалити машини, що вловлюють чи перетворюють енергію потоків, — наприклад турбіни.
Команда почала вивчати задачу Фейнмана ще в роботі 2024 року. Питання набуло широкої популярності у 1980-х, коли фізик Річард Фейнман описав власні невдалі спроби дослідити його експериментально. Те раніше дослідження показало, що зворотна поливалка обертається приблизно у 50 разів повільніше за звичайну, хоча обидві спираються на тісно пов’язані механізми.
Звичайна поливалка поводиться дещо як обертова ракета: вода вилітає з рукавів, створюючи сили, що змушують пристрій крутитися. Зворотна ж працює радше як «ракета навиворіт», бо струмені води рухаються всередину й потрапляють до центральної камери, де з’єднуються рукави. Усередині цієї камери два вхідні струмені стикаються — але не строго лоб у лоб. Саме це невелике неспівпадіння створює сили, що змушують поливалку обертатися у зворотному напрямку. Це пояснення дослідники назвали теорією потоку моменту імпульсу.
Досліди 2024 року стосувалися лише стандартних поливалок з рукавами S-подібної форми, тож залишалося питання, чи поводяться складніші форми інакше. Для нового дослідження команда збудувала набір «дурнуватих поливалок» різних обрисів і випробувала кожну у двох режимах — прямому й зворотному. Незвичні форми дозволили одночасно фіксувати, як пристрої обертаються, спостерігати рух води всередині та зовні й вимірювати крутний момент, коли поливалці не давали обертатися.
Науковці порівняли свою теорію з двома іншими поясненнями. Перше, ще з 1880-х від фізика Ернста Маха, припускало, що рідина обертається в один бік, а поливалка — у протилежний, але воно не могло пояснити виміряних зворотних обертань і моментів. Друге, пов’язане з Фейнманом, зосереджувалося на воді біля зовнішніх кінців рукавів, — однак нові тести показали, що ні зовнішні частини рукавів, ні вода навколо них не впливають на рух.
Результати натомість переконливо підтвердили теорію потоку моменту імпульсу, яка точно описала і прямий, і зворотний режими для всіх випробуваних форм. Досліди також виявили, що зміна форми рукавів здатна керувати водними струменями — а це може стати в пригоді при проєктуванні практичних пристроїв на основі рідин. «Показавши, що потік моменту імпульсу є відповіддю на задачу Фейнмана, наші результати розв’язують давню відкриту проблему фізики потоків», — підсумував Рістроф.
