Спринклер Фейнмана , также называемый обратным спринклером Фейнмана или обратным спринклером , представляет собой спринклерное устройство, которое погружается в резервуар и предназначено для всасывания окружающей жидкости . Вопрос о том, как будет работать такое устройство, стал предметом интенсивных и удивительно продолжительных дебатов. Устройство обычно остается устойчивым и не вращается, хотя при достаточно низком трении и высокой скорости притока было замечено, что оно слабо вращается в направлении, противоположном обычному разбрызгивателю.
Обычный разбрызгиватель имеет форсунки , расположенные под углом на свободно вращающемся колесе так, что при выкачивании из них воды образующиеся струи приводят колесо во вращение; колесо Екатерины и эолипил ( «двигатель героя») работают по одному и тому же принципу. «Обратный» или «обратный» спринклер будет работать за счет всасывания окружающей жидкости. Эту проблему сейчас обычно связывают с именем физика- теоретика Ричарда Фейнмана , который упоминает ее в своих мемуарах -бестселлерах «Конечно, вы шутите, мистер Фейнман!» Проблема возникла не у Фейнмана, и он не опубликовал ее решения.
Первое задокументированное рассмотрение проблемы содержится в главе III, разделе III учебника Эрнста Маха « Наука механики» , впервые опубликованного в 1883 году. [1] Там Мах сообщил, что устройство «не показало отчетливого вращения». [2] В начале 1940-х годов (и, очевидно, не зная о более раннем обсуждении Маха) проблема начала циркулировать среди членов физического факультета Принстонского университета , вызвав оживленные дебаты. Ричард Фейнман, в то время молодой аспирант Принстона, построил импровизированный эксперимент на базе университетской циклотронной лаборатории. Эксперимент закончился взрывом стеклянной бутыли , которую он использовал как часть своей установки.
В 1966 году Фейнман отклонил предложение редактора журнала «Учитель физики» обсудить проблему в печати и возражал против того, чтобы ее называли «проблемой Фейнмана», указав вместо этого на обсуждение ее в учебнике Маха. [3] Проблема с разбрызгивателями привлекла большое внимание после того, как инцидент был упомянут в книге « Конечно, вы шутите, мистер Фейнман!» , книга автобиографических воспоминаний, опубликованная в 1985 году. [4] Фейнман привел один аргумент в пользу того, почему разбрызгиватель должен вращаться в прямом направлении, а другой - почему он должен вращаться в обратном направлении; он не сказал, как и двигался ли разбрызгиватель на самом деле. В статье, написанной вскоре после смерти Фейнмана в 1988 году, Джон Уилер , который был его научным руководителем в Принстоне, рассказал, что эксперимент на циклотроне показал «небольшое дрожание при первом приложении давления [...] поток продолжался, реакции не было». [5] Инцидент со спринклером также обсуждается в биографии Фейнмана, гения Джеймса Глейка , опубликованной в 1992 году, где Глейк утверждает, что спринклер вообще не будет вращаться, если его заставить всасывать жидкость. [6]
В 2005 году физик Эдвард Кройц (который руководил Принстонским циклотроном во время инцидента) сообщил в печати, что он помогал Фейнману в постановке эксперимента и что, когда было приложено давление, чтобы вытеснить воду из бутыли через разбрызгивающая головка,
Произошло небольшое дрожание, как назвал это [Фейнман], и головка разбрызгивателя быстро вернулась в исходное положение и осталась там. Поток воды продолжался при неподвижном разбрызгивателе. Мы отрегулировали давление, чтобы увеличить поток воды, примерно пять раз, и разбрызгиватель не двигался, хотя вода свободно текла через него в обратном направлении [...] Затем бутыль взорвалась из-за внутреннего давления. Затем появился дворник и помог мне убрать разбитое стекло и вытереть воду. Я не знаю, чего [Фейнман] ожидал, но мои смутные мысли о феномене обращения времени были так же разбиты, как бутыль. [7]
В своей книге Фейнман формулирует вопрос следующим образом: [4]
Проблема вот в чем: у вас есть разбрызгиватель газонов S-образной формы — S-образная труба на шарнире — и вода выбрызгивается под прямым углом к оси и заставляет ее вращаться в определенном направлении. Все знают, как обстоят дела; он отступает от выходящей воды. Теперь вопрос заключается в следующем: если бы у вас было озеро или бассейн с большим запасом воды, и вы полностью поместили разбрызгиватель под воду и всасывали бы воду, а не выплескивали ее, в какую сторону бы она повернулась? Повернется ли он так же, как если бы вы выплеснули воду в воздух, или повернулось бы в другую сторону?
Поведение обратного спринклера качественно совершенно отличается от поведения обычного спринклера, и один из них не ведет себя так, как другой, « играемый задом наперед ». В большинстве опубликованных теоретических трактовок этой проблемы сделан вывод о том, что идеальный реверсивный спринклер не будет испытывать никакого крутящего момента в установившемся состоянии. Это можно понять с точки зрения сохранения углового момента : в установившемся состоянии величина углового момента, переносимая поступающей жидкостью, постоянна, что означает, что на самом спринклере нет крутящего момента.
В качестве альтернативы, с точки зрения сил, действующих на отдельное сопло разбрызгивателя, рассмотрим иллюстрацию Маха. Есть:
Эти две силы равны и противоположны, поэтому всасывание жидкости не вызывает результирующей силы на сопле разбрызгивателя. Это похоже на лодку «поп-поп» , когда она всасывает воду — поступающая вода передает свой импульс лодке, поэтому всасывание воды не вызывает результирующей силы на лодке. [8] [9]
Многие эксперименты, возвращаясь к Махам, не обнаруживают вращения обратного разбрызгивателя. Было замечено, что в установках с достаточно низким трением и высокой скоростью притока обратный разбрызгиватель слабо поворачивается в противоположном направлении по сравнению с обычным разбрызгивателем, даже в своем устойчивом состоянии. [10] [11] Такое поведение можно объяснить диффузией импульса в неидеальном (т. е. вязком ) потоке. [9] Однако внимательное наблюдение за экспериментальными установками показывает, что этот поворот связан с образованием вихря внутри корпуса спринклера. [12] Анализ фактического распределения сил и давления в неидеальном обратном спринклере обеспечивает теоретическую основу для объяснения этого:
Различия в областях действия внутренних и внешних сил образуют пару сил с разными плечами момента, согласующимися с обратным вращением. ... возникающая в результате асимметрия поля потока, развивающаяся ниже по потоку от изгибов разбрызгивателя, подтверждает роль вихрей при обратном вращении спринклера, предполагая механизм генерации вихрей в постоянном направлении. [13]