Спринклер Фейнмана - Feynman sprinkler

А Спринклер Фейнмана, также называемый Обратный дождеватель Фейнмана или как обратный ороситель, это спринклер -подобное устройство, которое погружается в резервуар и заставляет всасывать окружающую среду жидкость. Вопрос о том, как будет вращаться такое устройство, был предметом интенсивных и удивительно долгих споров.

Обычный ороситель имеет насадки расположены под углом на свободно вращающемся колесе таким образом, чтобы при откачке воды из них возникала струи заставить колесо вращаться; как Екатерининское колесо и эолипил («Двигатель героя») работают по такому же принципу. «Обратный» или «обратный» спринклер будет работать, вместо этого всасывая окружающую жидкость. Проблема теперь обычно связана с теоретическими физик Ричард Фейнман, который упоминает об этом в своем бестселлере воспоминания Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман! Проблема возникла не от Фейнмана, и он не опубликовал ее решения.

История

Иллюстрация 153a от Эрнста Маха Механик (1883). Когда полый резиновый шарик сжимается, воздух течет в направлении коротких стрелок, а колесо вращается в направлении длинной стрелки. Когда резиновый шарик отпускается, направление потока воздуха меняется на противоположное, но Мах не заметил «отчетливого вращения» устройства.

Первое задокументированное рассмотрение проблемы содержится в разделе III главы III. Эрнст Мах учебник Наука механики, впервые опубликовано в 1883 году.[1] Там Мах сообщил, что устройство «не показало отчетливого вращения».[2] В начале 1940-х (и, очевидно, не зная о более раннем обсуждении Маха) проблема начала циркулировать среди сотрудников физического факультета в Университет Принстона, вызывая оживленную дискуссию. Ричард Фейнман, в то время молодой аспирант Принстона, провел импровизированный эксперимент на территории университетского циклотрон лаборатория. Эксперимент закончился взрывом стекла бутыль который он использовал как часть своей установки.

В 1966 году Фейнман отклонил предложение редактора журнала. Учитель физики обсуждать проблему в печати и возражал против того, чтобы ее называли «проблемой Фейнмана», указывая вместо этого на ее обсуждение в учебнике Маха.[3] Проблема спринклера привлекла большое внимание после того, как инцидент был упомянут в Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!, книга автобиографических воспоминаний, изданная в 1985 году.[4] Фейнман не объяснил свое понимание соответствующей физики и не описал результаты эксперимента. В статье, написанной вскоре после смерти Фейнмана в 1988 году, Джон Уиллер, который был его научным руководителем в Принстоне, показал, что эксперимент на циклотроне показал «небольшой тремор при первом приложении давления [...], но по мере продолжения потока реакции не было».[5] Случай с разбрызгивателем также обсуждается в Джеймс Глейк биография Фейнмана, Гений, опубликовано в 1992 году, где Глейк утверждает, что спринклер вообще не будет вращаться, если он будет всасывать жидкость.[6]

В 2005 г. физик Эдвард Кройц (который отвечал за циклотрон в Принстоне во время инцидента) показал в печати, что он помогал Фейнману в проведении его эксперимента и что, когда было приложено давление, чтобы вытеснить воду из бутыли через головку спринклера,

Произошел небольшой тремор, как назвал его [Фейнман], и разбрызгивающая головка быстро вернулась в исходное положение и осталась там. Подача воды продолжалась при неподвижном оросителе. Мы отрегулировали давление для увеличения потока воды примерно в пять раз, и разбрызгиватель не двигался, хотя вода свободно текла через него в обратном направлении [...] Бутылка затем взорвалась из-за внутреннего давления. Затем появился дворник и помог мне очистить разбитое стекло и вытереть воду. Я не знаю, чего [Фейнман] ожидал, но мои смутные мысли о феномене обращения времени были разрушены, как бутыль.[7]

Решение

Поведение обратного спринклера качественно совершенно отличается от поведения обычного спринклера, и один не ведет себя, как другой "воспроизведено в обратном направлении. "Большинство опубликованных теоретических трактовок этой проблемы пришли к выводу, что идеальный обратный спринклер не будет испытывать никакого крутящего момента в своем стационарном состоянии. Это можно понять с точки зрения сохранения углового момента: в его устойчивом состоянии количество углового момента переносимый поступающей жидкостью постоянен, что означает отсутствие крутящего момента на самом спринклере.Существуют две уравновешивающие силы: перепад давления, давящий на заднюю часть форсунки, и поступающая вода, воздействующая на противоположную сторону.[8]

Многие эксперименты, восходящие к Маху, не обнаруживают вращения обратного оросителя. Однако в установках с достаточно низким трением и высокой скоростью притока было замечено, что обратный спринклер слабо поворачивается в противоположном смысле по сравнению с обычным спринклерным оросителем, даже в своем устойчивом состоянии. Такое поведение можно объяснить диффузией импульса в неидеальном (т. Е. вязкий ) поток.[9]

Однако тщательные наблюдения за реальным поведением экспериментальных установок показывают, что этот поворот связан с образованием вихрь внутри корпуса оросителя.[10] Теоретическую основу для объяснения этого дает анализ реального распределения сил и давления в неидеальном обратном оросителе:

Различия в областях, в которых действуют внутренние и внешние силы, составляют пару сил с разными плечами момента, соответствующими обратному вращению. … Результирующая асимметрия поля потока, развивающаяся ниже по потоку от изгибов рукава спринклера, поддерживает роль вихрей в обратном вращении спринклера, предлагая механизм для создания вихрей в постоянном направлении.[11]

Рекомендации

  1. ^ Мах, Эрнст (1883). Die Mechanik в Ihrer Entwicklung Historisch-Kritisch Dargerstellt (на немецком). Лейпциг: Ф. А. Брокгауз. Доступен на английском языке как Наука механика: критический и исторический отчет о ее развитии (3-е изд.). Чикаго: Открытый суд. 1919. С.299 –301.
  2. ^ Мах, Эрнст (1919). Наука механика: критический и исторический отчет о ее развитии. Перевод Маккормака, Томаса Дж. (3-е изд.). Чикаго: Открытый суд. стр.301.
  3. ^ Фейнман, Ричард П. (5 апреля 2005 г.). Феринман, Мишель (ред.). Совершенно разумные отклонения от проторенной дорожки: письма Ричарда П. Фейнмана. Нью-Йорк: Основные книги. С. 209–211. ISBN  0-465-02371-1.
  4. ^ Фейнман, Ричард П. (1985). Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!. Нью-Йорк: У. В. Нортон. С. 63–65.
  5. ^ Уилер, Джон Арчибальд (1989). «Молодой Фейнман». Физика сегодня. 42 (2): 24–28. Bibcode:1989ФТ .... 42б..24Вт. Дои:10.1063/1.881189.
  6. ^ Глейк, Джеймс (1992). Гений: жизнь и наука Ричарда Фейнмана. Нью-Йорк: Пантеон. С. 106–108. ISBN  978-0-679-74704-8.
  7. ^ Кройц, Эдвард С. (2005). «Обратный ороситель Фейнмана». Американский журнал физики. 73 (3): 198–199. Bibcode:2005AmJPh..73..198C. Дои:10.1119/1.1842733.
  8. ^ Дженкинс, Алехандро (3 мая 2004 г.). «Элементарная обработка обратного оросителя». Американский журнал физики. 72 (10): 1276–1282. arXiv:физика / 0312087. Bibcode:2004AmJPh..72.1276J. Дои:10.1119/1.1761063.
  9. ^ Дженкинс, Алехандро (2011). «Пересмотр спринклерной головки: импульс, силы и потоки в махианской движущей силе». Европейский журнал физики. 32 (5): 1213–1226. arXiv:0908.3190. Bibcode:2011EJPh ... 32.1213J. Дои:10.1088/0143-0807/32/5/009.
  10. ^ Рюкнер, Вольфганг (2015). «Загадка установившегося вращения обратного оросителя» (PDF). Американский журнал физики. 83 (4): 296–304. Bibcode:2015AmJPh..83..296R. Дои:10.1119/1.4901816.
  11. ^ Билс, Джозеф (2017). «Новые углы на обратном оросителе: согласование теории и эксперимента». Американский журнал физики. 85 (3): 166–172. Bibcode:2017AmJPh..85..166B. Дои:10.1119/1.4973374.

внешняя ссылка