(Июль 2017)
Публикация про «обратный разбрызгиватель Фейнмана» вызвала не только заметное оживление среди читателей, но и породила естественные вопросы — главным образом, из-за видео-демонстраций на YouTube, наглядно как бы «опровергающих» глубину проблемы.
Если напомнить суть проблемы совсем вкратце, то очередное обращение к теме весьма странной физики, которую демонстрирует Reverse Sprinkler или простой разбрызгиватель воды для лужаек, работающий в обратную сторону, заключалось вот в чем.
Знаменитый физик Ричард Фейнман, в 1985 году своими мемуарами очередной раз «спровоцировавший» активное обсуждение этой давней проблемы научным сообществом, на собственном опыте отлично знал, что реверс-разбрызгиватель не вращается, если заставить его засасывать воду, а не выбрасывать как обычно. Но при этом Фейнман всегда категорически отказывался обсуждать то, ПОЧЕМУ устройство остается неподвижным.
Однако ныне, спустя 30 лет после ухода Фейнмана из этого мира, в энциклопедии Wikipedia (для всего на свете излагающей нейтрально-устоявшиеся взгляды общества), вполне однозначно утверждается, что обратный разбрызгиватель на самом деле не неподвижен, а крутится — в направлении, противоположном обычному. И более того, здесь же предоставляются и довольно мутные «объяснения» причин, из-за которых именно так все должно происходить.
Иначе говоря, многомудрый Фейнман может и правда чего-то там недопонял и не разобрался, однако для современных ученых всё вполне понятно — и никакой проблемы здесь уже нет. Согласно устоявшимся воззрениям мейнстрим-науки и заверениям Википедии, во всяком случае…
Нынешняя же статья-напоминание, напротив, ставила целью показать, что никакой полной ясности с этой задачей по-прежнему нет. Результаты опытов все так же противоречивы, теоретические объяснения мутны, а поведение разбрызгивателя при движении струй в одну и в другую сторону демонстрирует фундаментально разную физику…
#
Поскольку современный любознательный народ, узнав нечто новое или необычное, за дополнительной наглядной информацией чаще всего обращается к видеоматериалам YouTube, то и с занятной физикой «разбрызгивателя Фейнмана» произошла аналогичная история.
Видеоматериалов про Reverse Sprinkler в интернете действительно немало, однако вот какая специфическая особенность с ними в массе своей наблюдается. В силу конструктивных особенностей эксперимента, опыты над разбрызгивателем существенно проще проводить в условиях струй воздуха, а не воды. При этом давно известно, что в экспериментах с засасыванием воды (как у Фейнмана) реверс-разбрызгиватель обычно остается неподвижен, а при экспериментах с воздухом — обычно крутится в обратную сторону.
Что же касается наглядных видеодемонстраций на YouTube, то там они по преимуществу проводятся с пылесосом и засасыванием воздуха. Иначе говоря, автору данного текста стали приходить письма с соответствующими ссылками и естественными вопросами: что же тут непонятного, если вертушка и вправду отчетливо крутится в обратную сторону?
Для того, чтобы столь же наглядно пояснить реальную сложность проблемы, пришлось провести дополнительные собственные поиски на YouTube и продемонстрировать следующие факты.
(1) Вот здесь
столь же убедительно и тоже с движением воздуха показано, что реверс-вертушка остается при всасывании совершенно неподвижна.
(2) А вот здесь
показано, что направление реверс-вращения может зависеть от выбора длины для трубок-плечей (плечи малые — вертится в одну сторону, плечи большие — вертится в другую)… Плюс здесь же можно наблюдать неочевидные реакции вертушки даже вообще без загиба трубок на концах (уж тут-то вертушка вроде должна стоять — но крутится почему-то).
(3) Самая, впрочем, содержательная и информативная видеодемонстрация выложена физиками Гарвардского университета в 2016 году. Хотя демонстрирует она, казалось бы, вполне убедительное «опровержение» всем разговорам о непонятности феномена — коль скоро реверс-вертушка здесь очень уверенно и стабильно крутится в обратном направлении:
Однако действительно интересующимся людям очень полезно кликнуть на приведенной там же ссылке, ведущей на соответствующую веб-страницу в Гарварде , где о важных тонкостях и нюансах этого эксперимента рассказывается с подробностями и с большой научной статьей в приложении.
Излагая сокращенно суть этой веб-странички по-русски, рассказывается там следующее:
Что здесь показано
Вдохновленная историей Ричарда Фейнмана из его книги «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман», эта демонстрация отвечает на вопрос: «В каком направлении вращается разбрызгиватель для лужаек, если вода не разбрызгивается в разные стороны, а наоборот, засасывается в его сопла»?
Из демонстрации видно, что обратный разбрызгиватель вращается в противоположную сторону, нежели разбрызгиватель «обычный».
Последние 30 лет при объяснении этого эффекта популярно и на пальцах главной причиной выдвигались «диссипативные эффекты», однако реальная причина того, почему устройство крутится здесь в противоположном направлении, очень далека от очевидной (см. раздел Комментарии ниже).
Как выясняется, в действительности разбрызгиватель имеет такое устройство, чтобы оставаться «подлинно нейтральным» к всасыванию и не вращаться вообще — кроме как в переходный момент рывка, когда аппарат подачи воздуха включается или выключается.
Комментарии
Полное объяснение для физики данной демонстрации дается в статье Вольфганга Рюкнера (это он же и на видео) «Загадка вращения обратного разбрызгивателя в стационарном состоянии» [W. Rueckner, «The puzzle of the steady-state rotation of a reverse sprinkler,» Am. J. Phys. 83(4), 296-304 (2015).] Скачать статью в формате PDF можно здесь.
Содержательные выдержки из статьи Рюкнера:
Непрерывное вращение реверс-разбрызгивателя оставалось загадкой несколько десятилетий. В данной статье представлена серия экспериментов, которые в совокупности демонстрируют, что правильно сконструированный обратный разбрызгиватель в стационарном состоянии не испытывает никакого крутящего момента и НЕ вращается.
Игнорируя промежуточные переходы, когда поток начинается и заканчивается, если любое продолжительное вращение разбрызгивателя появляется,то происходит это по той причине, что крутящий момент порождается вихревым потоком внутри трубы-хаба разбрызгивателя.
Никакого вращения в стационарном состоянии не появляется, если этот вихрь подавляется или появление его заранее предотвращается. В статье предоставлено демонстрационное доказательство того, что идеальный реверсивный разбрызгиватель не вращается.
(Пытаясь объяснить причину того, почему большинство экспериментов с засасыванием воздуха приводило к порождению вращения в направлении, противоположном движению «обычной» вертушки, автор выдвигает такую гипотезу:)
Похоже на то, что тут произошло совпадение — когда во всех первоначальных экспериментах тот вихрь, что формировался внутри трубы разбрызгивателя, оказывался вращающимся в таком направлении, которое заставляло вертушку крутиться в «обратном» направлении. Если бы этот вихрь закручивался в противоположном направлении, то вся история с «объяснениями» реверсивного разбрызгивателя наверняка пошла бы в другую сторону.
Ныне уже есть понимание, что очень тонкие и небольшие асимметрии в воздухозаборных отверстиях для основной трубы хаба оказывают сильный и стабильный эффект на вращение реверс-разбрызгивателя. Тот факт, что внешне идентичный, но чуть иначе подстроенный второй набор отверстий/трубок разбрызгивателя заставляет его крутиться в другом направлении, поддерживает данное утверждение.
Эксперименты с разными формами загибающихся трубок в плечах устройства показали, что даже небольших модификаций здесь бывает достаточно для того, чтобы реверс-разбрызгиватель крутился или в противоположную сторону, или в «нормальную» сторону, или же не крутился вообще…
#
Для полноты картины осталось лишь упомянуть наиболее свежую исследовательскую статью в ту же самую тему, опубликованную в марте 2017 года: Джозеф Билз, «Новые углы зрения на реверс-разбрызгиватель: сводя вместе теорию и эксперимент» (Joseph Beals. «New angles on the reverse sprinkler: Reconciling theory and experiment», Am. J. Phys., Vol. 85, No. 3, March 2017, скачать PDF-файл можно на сайте researchgate.net).
С экспериментальной точки зрения, автором данной работы показано, что глубокое понимание важности вихря в трубе-хабе уже вполне позволяет конструировать такие реверс-разбрызгиватели, которые стабильно крутятся только вперед, только назад, или же стабильно остаются без вращения.
С точки зрения теории Билз предоставляет более глубокие (нежели просто «совпадение») объяснения тому, из-за чего большинство экспериментов демонстрирует обратный ход вертушки.
Самое же главное, автор вполне определенно отмечает нынешний консенсус ученых о том, что имеются «фундаментальные различия между работой обычного и реверс-разбрызгивателей». Ну а вот какова все-таки причина этих фундаментальных различий — вопрос по-прежнему дискуссионный…
# # #
Данный материал подготовлен благодаря поддержке читателей.
kiwi arXiv 