Американские математики поставили точку в давнем физическом споре, известном как «загадка разбрызгивателя Фейнмана». Учёные экспериментально доказали, что садовый разбрызгиватель, который не разбрызгивает, а всасывает воду, всё равно вращается, но в противоположную сторону. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Загадку сформулировал в 1980-х годах физик Ричард Фейнман: он задался вопросом, будет ли вращаться разбрызгиватель, если заставить его работать в обратном режиме – втягивать воду через сопла. Несмотря на кажущуюся простоту, вопрос не имел однозначного экспериментального ответа. Чтобы найти его, исследователи из Нью-Йоркского университета и Колорадской горной школы создали и протестировали несколько моделей разбрызгивателей, в том числе со сложными изогнутыми и петлеобразными трубками.
Эксперименты подтвердили так называемую теорию потока импульса. Выяснилось, что вращение «обратного» разбрызгивателя вызывает не взаимодействие с окружающей средой, а процессы внутри устройства. Струи воды, поступающие из трубок в центральную камеру, сталкиваются не строго лоб в лоб, а под небольшим углом. Эта асимметрия создаёт крутящий момент, который и заставляет прибор медленно вращаться.
В ходе опытов учёные измеряли скорость вращения, крутящий момент и визуализировали потоки воды. Полученные данные опровергли другие гипотезы, в том числе предложенную в 1880-х годах Эрнстом Махом и более поздние предположения, связанные с самим Фейнманом, которые объясняли вращение взаимодействием трубок с внешней жидкостью. Новая работа показала, что эти внешние факторы не влияют на движение устройства.
По словам авторов, результаты не только решают фундаментальную задачу гидродинамики, но и имеют практическое значение. Глубокое понимание того, как потоки жидкости взаимодействуют с физическими структурами, поможет проектировать более эффективные устройства для преобразования энергии – например, гидротурбины. Кроме того, исследование показало, что форма трубок разбрызгивателя позволяет управлять внутренними струями, что открывает новые возможности для инженеров.
