Powszechnym widokiem na wielu zadbanych trawnikach są zraszacze hydrodynamiczne, czyli sprytne mechanizmy, które opryskują wszystko dookoła, wprawiane w ruch obrotowy samym ciśnieniem wyrzucanej wody. Od strony fizycznej nic niezwykłego. Ale co gdybyśmy odwrócili cały układ i skonstruowali podobne urządzenie, oparte nie o tryskanie, lecz zasysanie otaczającego płynu? Czy zraszacz nadal wirowałby w tym samym kierunku? Czy w ogóle by wirował?
Sprawa powraca jak bumerang od ponad stulecia i nawet została odnotowana we wspomnieniach sławnego Richarda Feynmana (stąd problem figuruje w literaturze właśnie pod nazwą zraszacza Feynmana, choć noblista osobiście nie znalazł jego rozwiązania). Najnowszą analizę zagadnienia przygotowali fizycy z New York University, którzy opublikowali swoje wnioski na łamach Physical Review Letters 26 stycznia.
Oczywiście w przeszłości eksperymentowano już z tryskaczami w przeróżnych konfiguracjach, jednak wyniki dotychczasowych badań dawały różne i nierzadko sprzeczne ze sobą wyjaśnienia. Przykładowo w pracy Wolfganga Ruecknera z 2015 roku przeczytamy, że w idealnych warunkach odwrócony wariant zraszacza nie powinien podlegać rotacji. Ewentualny ruch zaobserwowany w niektórych doświadczeniach miał według niego wynikać z innych czynników, niż samo zasysanie wody lub mieć charakter tymczasowy.
Nowojorczycy doszli do odmiennego stanowiska.
Żeby rozwiać wszelkie wątpliwości, zespół Leifa Ristrofa zaplanował precyzyjny, wielogodzinny eksperyment, w którym obserwował działanie podwodnego “zraszacza” osadzonego na specjalnym łożysku zapewniającym minimalne tarcie. Kiedy urządzenie zaczęło pochłaniać wodę za pomocą ramion w kształcie litery “S”, odnotowano odwrócony ruch. Obroty były co prawda bardzo niemrawe – 50 razy wolniejsze niż w analogicznym przypadku wytryskiwania cieczy na zewnątrz – ale zraszacz naprawdę działał.
Zwolennicy wcześniejszej tezy o braku rotacji twierdzili, że w doskonałych warunkach wsysana woda powinna kierować się na sam środek urządzenia i tym samym nie generować momentu obrotowego. Żeby przetestować ten argument, ekipa Ristrofa gruntownie przeanalizowała dynamikę wody, używając barwnika i oświetlając płyn laserami. Badanie pozwoliło ustalić, że kiedy woda przepływa przez zagięte ramiona, dwa strumienie nie zderzają się ze sobą dokładnie czołowo. Ten delikatna asymetria burzy równowagę, wprowadzając układ w ruch.
Zagadka odwróconego zraszacza może wydawać się trywialna, jednak w istocie sięga samych fundamentów mechaniki płynów. Jak zauważył Ristrof, chociaż “raczej nie będziemy odwadniać naszych trawników”, wiedza na temat wszechobecnych przepływów różnorodnych substancji posiada niezliczone zastosowania – od badań atmosfery i oceanografię, aż po energetykę.
Publikacja Centrifugal Flows Drive Reverse Rotation of Feynman’s Sprinkler ukazała się w Physical Review Letter. Bardziej przystępne omówienie tematu znajdziecie natomiast na stronie Uniwersytetu Nowojorskiego.
