Jahrzehnte altes physikalisches Rätsel - Feynmans Sprinkler-Problem endlich gelöst
Eine Gruppe von Mathematikern glaubt, das Feynmans Sprinkler-Problem, ein jahrzehntealtes physikalisches Rätsel, endlich gelöst zu haben. Ihre Experimente und mathematischen Modelle haben neue Erkenntnisse über die Mechanik der rückwärtsdrehenden Sprinklerrotation geliefert.
Das jahrzehntealte Problem
Seit Generationen haben Kinder im Sommerhitze gerne mit altmodischen, s-förmigen Gartensprinklern gespielt. Die Frage, was passieren würde, wenn der Sprinklerkopf untergetaucht wird und Wasser aufnimmt anstatt es auszustoßen, hat jedoch Physiker seit Jahrzehnten verwirrt. Dieses Problem, das berühmt von dem Physiker Richard Feynman gestellt wurde, ist als Feynmans Sprinkler-Problem bekannt. Würde der Sprinkler in die entgegengesetzte Richtung rotieren? Oder würde er dank der Saugkraft stationär bleiben?
Zahlreiche Experimente seit den 1940er Jahren haben widersprüchliche Ergebnisse erbracht, wobei einige eine rückwärtige Rotation, chaotische Bewegungen oder momentane Bewegungen zeigten. Die Unterschiede wurden auf die unterschiedlichen Versuchsanordnungen und Reibung in der Rotationswelle zurückgeführt. Frühere Studien berücksichtigten nicht vollständig andere wirkende Kräfte. Daher war ein neuer Ansatz erforderlich, um dieses Rätsel zu lösen.
Neue Experimente und Erkenntnisse
Ein Team von Mathematikern unter der Leitung des Doktoranden für Physik an der New York University, Kaizhe Wang, führte eine Reihe von Experimenten durch, um Licht ins Dunkel von Feynmans Sprinkler-Problem zu bringen. Sie konstruierten einen maßgeschneiderten Rückwärtssprinkler mit einem neuen, extrem niedrigen Reibungswiderstand drehenden Lager, das ihm ermöglichte, sich frei zu drehen. Der Sprinkler hatte zwei gebogene Schlaucharme und eine Siphon zum Aufnehmen von Wasser, wenn er in einem Tank untergetaucht war.
Um die Einschränkungen früherer Experimente zu überwinden, stellten die Forscher sicher, dass ihre Vorrichtung unbegrenzt laufen konnte, um längere Beobachtungszeiträume zu ermöglichen. Sie verwendeten auch gefärbte Farbstoffe, laserstreuende Mikropartikel und Hochgeschwindigkeitskameras, um die Rotation des Sprinklers und den Wasserfluss zu visualisieren und aufzuzeichnen. Dadurch konnten sie ihre experimentellen Ergebnisse mit den Ergebnissen mathematischer Modelle vergleichen.
Die überraschende Entdeckung
Das Team stellte fest, dass der Rückwärtssprinkler anfangs in die entgegengesetzte Richtung rotiert, wenn er Wasser aufnimmt, ähnlich wie wenn er Wasser ausstößt. Die Ursache für diese Rückwärtsrotation ist subtil und überraschend. Wenn die hereinströmenden Wasserstrahlen innerhalb der internen Kammer des Sprinklers aufeinandertreffen, erzeugen sie ein Drehmoment, das die Nabe rotieren lässt.
Obwohl die Bewegung der Nabe des Sprinklers nicht gleichmäßig war, drehte sie sich doch in die entgegengesetzte Richtung, wenn auch mit einer langsameren Geschwindigkeit im Vergleich zu einem Sprinkler, der Wasser ausstößt. Die Experimente und mathematischen Modelle zeigten bemerkenswerte Übereinstimmung und lieferten ein besseres Verständnis für die durch den Flüssigkeitsfluss verursachte Bewegung. Dieses Wissen könnte praktische Anwendungen haben, wie zum Beispiel die Entwicklung von Technologien zur Gewinnung von Energie aus strömender Luft oder Wasser.
