Спрінклер Фейнмана

Спрінклер Фейнмана

Спрінклер Фейнмана ,також згадується як зворотній спрінклер Фейнмана або реверсивний спрінклер , це прилад який потрібно помістити в резервуар із рідиною ,де він повинен втягувати рідину. Питання щодо того в який бік буде обертатись даний прилад при втягуванні рідини , було предметом інтенсивної і довготривалої дискусії . На звичайному спрінклері на вільно обертаючомуся колесі під певним кутом , в результаті того що , вода за рахунок реактивної тяги , виходячи із сопел буде обертати колесо (саме за таким принципом працює еолопіл Геро́на Александрі́йського ). Зворотній ж спрінклер працює як аспірація навколишньої рідини . Дана проблема в асоціюється із фізиком-теоретиком Річардом Фейнманом , який згадує його в своїй автобіографії “Ви , звичайно, жартуєте містер Фейнман”, проте він не опублікував рішення до неї .

Якщо повітря рухається так як показують короткі стрілки , тоді спрінклер обертається в сторону довгої стрілки

Історія

Перше документальне трактування проблеми опубліковано в1883 році у підручнику Ернста Маха "Наука Механіка" ,там Мах стверджував , що апарат не показує зворотнього повороту . На початку 1940-х проблема почала циркулювати серед членів відділу фізики в Прінстонському університеті, створючи жваву дискусію .Річард Фейнман , у той час молодий аспірант в Прінстоні , був заінтригований цією проблемою і в кінцевому підсумку побудував імпровізований експеремент в циклотронній лабораторії ,який закінчився вибухом скляного резервуару , що використовувався як частина установки

У 1966 році Фейнман відхилив пропозицію щодо опису даної проблеми ,та заперечував проти того щоб її називали “проблемою Фейнмана” , вказуючи замість цього пояснення в підручнику Маха . У 1985 проблема залучила ще більшу увагу після опублікуванні автобографії Річарда Фейнмана “Ви , звичайно, жартуєте містер Фейнман” , в книзі Фейнман не пояснював своє розуміння відповідної фізики , і не описував результатів експеременту . У статті яку написав Джон Уілер незабаром після смерті Річарда Фейнмана , розповідалось про те ,що експеремент в циклотронній лабораторії показав ,що незвазаючи на те , що вода всмоктувалась ,ніякої реакції не відбувалась ,спрінклер не обертався . У 2005 році фізик Едвард Кройц розповів для статті у пресі про те , що він допомагав Фейнману у проведені експеременту . В публікації йшлося про те , що хоч Фейнман і змінював тиск для збільшеня потоку води більш як п'ять разів але спрінклер не обертався , проте після чергової зміни тиску бутель вибухнув через великий внутрішній тиск .“Я не знаю що очікував Фейнман ,але мої смутні думки про розворот спрінклера були зруйновані разом із бутлем ”

Вирішення

Поведінка реверсивного спрінклера різко відрізняється від звичайного спрінклера . Більшість опублікованих теоретичних і експериментальних методів вирішення цієї проблеми , стверджують, що розприскувач не обернеться при всмоктуванні навколишньої рідини . В даний час відомо, що ідеальний реверсивний спрінклер (тобто такий що може обертатися без тертя в оточенні ідеальної рідини ) буде дійсно обертатись назад по відношенню до рідини , що всмоктується . Ідеальний реверсивний спрінклер не буде відчувати ніякого моменту сили в стаціонарному стані . Таку поведіку можна пояснити завдяки закону збереження моменту імпульсу : в стаціонарному стані значення моменту рідини яка надходить є сталою ,із чого випливає що на спрінклері не виникає моменту сили .Експериментальні установки не в змозі виявити обертання реверсивного спрінклера , тому що крутний момент недостатньо великий щоб подолати тертя спрінклера . Величина тертя запобігає спрінклеру повертатись назад , хоч і в цьому напрямку виникає сила яка діє “назад” . З іншого боку експерименти із підшипниками з низьким коефіцієнтом тертя , виявили утворення невеликого значення моменту сили , який діє на спрінклер навіть у стаціонарному стані . Це відбувається в наслідок в’язкозті рідини яка всмоктується і призводить до розпорошення деякої частини енергії рідини і певна частина моменту імпульсу поглинається навколишнім середовищем. Цей момент сили спричинений в’язкістю , примушує реверсивний спрінклер слабо повернутись в напрямку руху рідини .

Посилання

• Ernst Mach, Die Mechanik in Ihrer Entwicklung Historisch-Kritisch Dargerstellt, (Leipzig: Brockhaus, 1883). Available in English as The Science of Mechanics: A Critical and Historical Account of its Development, (Chicago: Open Court, 1919), 4th ed., pp. 299-301.
• Ernst Mach, The Science of Mechanics: A Critical and Historical Account of its Development, (Chicago: Open Court, 1919), 4th ed., p. 301.
• Richard P. Feynman, Perfectly Reasonable Deviations From the Beaten Track: The Letters of Richard P. Feynman, ed. Michelle Feynman, (New York: Basic Books, 2006), pp. 209-211. ISBN 0-465-02371-1
• Richard P. Feynman, Surely You're Joking, Mr. Feynman!, (Norton, New York, NY, 1985), pp. 63-65.
• John A. Wheeler (1989). "The young Feynman". Physics Today 42 (2): 24–28. Bibcode:1989PhT....42b..24W. doi:10.1063/1.881189.
• James Gleick, Genius: The Life and Science of Richard Feynman (New York: Pantheon, 1992), pp. 106-108.
• Edward C. Creutz (2005). "Feynman’s reverse sprinkler". American Journal of Physics 73 (3): 198. Bibcode:2005AmJPh..73..198C. doi:10.1119/1.1842733.
• Alejandro Jenkins (2004). "An elementary treatment of the reverse sprinkler". American Journal of Physics 72 (10): 1276–1282. arXiv:physics/0312087. Bibcode:2004AmJPh..72.1276J. doi:10.1119/1.1761063.
• James B. Calvert, "Turbines," University of Denver. Retrieved April 5, 2006.
• D3-22: Inverse Sprinkler - Metal Model, The University of Maryland Department of Physics, retrieved June 29, 2011
• Alejandro Jenkins (2011). "Sprinkler head revisited: momentum, forces, and flows in Machian propulsion". European Journal of Physics 32 (5): 1213–1226. arXiv:0908.3190. Bibcode:2011EJPh...32.1213J. doi:10.1088/0143-0807/32/5/009.

Зовнішні посилання

• D3-22: Inverse Sprinkler - Metal Model, University of Maryland Physics Lecture-Demonstration Facility
• The Edgerton Center Corridor Lab: Feynman Sprinkler
• Physics dissertation by A. Jenkins, Caltech (see chapter 6)