Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Фейнман спринклерный , также упоминается как фейнмановский обратным спринклер или в качестве обратного спринклера , является спринклерной -как устройства , которое погружает в резервуаре и сделано , чтобы сосать в окружении жидкости . Вопрос о том, как превратится такое устройство, был предметом интенсивных и удивительно долгих споров.

Обычный спринклер имеет форсунки, расположенные под углом на свободно вращающемся колесе, так что когда из них откачивается вода, возникающие в результате струи заставляют колесо вращаться; и Екатерининское колесо, и эолипил («двигатель Героя») работают по одному и тому же принципу. «Обратный» или «обратный» спринклер будет работать, вместо этого всасывая окружающую жидкость. Проблема теперь обычно ассоциируется с физиком-теоретиком Ричардом Фейнманом , который упоминает о ней в своих бестселлерах мемуаров « Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!». Проблема возникла не от Фейнмана, и он не опубликовал ее решения.

История [ править ]

Иллюстрация 153a из " Механика" Эрнста Маха (1883 г.). 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 главе III, разделе III учебника Эрнста Маха « Наука механики» , впервые опубликованного в 1883 году. [1] Там Мах сообщил, что устройство «не показало отчетливого вращения». [2] В начале 1940-х (и, по-видимому, не зная о более раннем обсуждении Маха) проблема стала циркулировать среди сотрудников физического факультета Принстонского университета , вызвав оживленную дискуссию. Ричард Фейнман, в то время молодой аспирант Принстона, провел импровизированный эксперимент на базе университетской циклотронной лаборатории. Эксперимент закончился взрывом стеклянной бутыли. который он использовал как часть своей установки.

В 1966 году Фейнман отклонил предложение редактора Physics Teacher обсудить проблему в печати и возражал против того, чтобы ее называли «проблемой Фейнмана», указав вместо этого на ее обсуждение в учебнике Маха. [3] Проблема спринклера привлекла большое внимание после того, как инцидент был упомянут в книге «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!». , книга автобиографических воспоминаний, опубликованная 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 биографии Джеймса Глейка о Фейнмане, гении, опубликованной в 1992 году, где Глейк утверждает, что разбрызгиватель вообще не повернется, если он будет всасывать жидкость. [6]

В 2005 году физик Эдвард Кройц (который отвечал за Принстонский циклотрон во время инцидента) показал в печати, что он помогал Фейнману в постановке своего эксперимента и что, когда было приложено давление, чтобы вытеснить воду из бутыли через спринклерная головка,

Произошел небольшой тремор, как назвал его [Фейнман], и оросительная головка быстро вернулась в исходное положение и осталась там. Подача воды продолжалась при неподвижном оросителе. Мы отрегулировали давление, чтобы увеличить поток воды, примерно в пять раз, и разбрызгиватель не двигался, хотя вода свободно текла через него в обратном направлении [...] Затем бутыль 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 разбились вдребезги. [7]

Решение [ править ]

Поведение обратного спринклера качественно совершенно отличается от поведения обычного спринклера, и один не ведет себя так, как другой, « играемый задом наперед ». Большинство опубликованных теоретических исследований этой проблемы пришли к выводу, что идеальный обратный спринклер не будет испытывать никакого крутящего момента в его установившемся состоянии. Это можно понять с точки зрения сохранения углового момента: в его установившемся состоянии количество углового момента, переносимого входящей жидкостью, является постоянным, что означает, что на сам спринклер отсутствует крутящий момент. 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 реверсивного дождевателя. Однако в установках с достаточно низким трением и высокой скоростью притока было замечено, что обратный спринклер слабо поворачивается в противоположном смысле по отношению к обычному спринклеру, даже в своем устойчивом состоянии. Такое поведение можно объяснить диффузией количества движения в неидеальном (т. Е. Вязком ) потоке. [9]

Однако тщательные наблюдения за реальным поведением экспериментальных установок показывают, что этот поворот связан с образованием вихря внутри корпуса спринклера. [10] Анализ фактического распределения сил и давления в неидеальном обратном оросителе дает теоретическую основу для объяснения этого:

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]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мах, Эрнст (1883). Die Mechanik в Ihrer Entwicklung Historisch-Kritisch Dargerstellt (на немецком языке). Лейпциг: Ф. А. Брокгауз.Доступно на английском языке как The Science of Mechanics: A Critical and Historical Account of its Development (3-е изд.). Чикаго: Открытый суд. 1919. стр.  299 -301.
  2. ^ Мах, Эрнст (1919). Наука механики: критический и исторический отчет о ее развитии . Перевод Маккормака, Томаса Дж. (3-е изд.). Чикаго: Открытый суд. С.  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 : 1989PhT .... 42b..24W . DOI : 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. ^ Creutz, Эдвард К. (2005). «Обратный ороситель Фейнмана». Американский журнал физики . 73 (3): 198–199. Bibcode : 2005AmJPh..73..198C . DOI : 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 . DOI : 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 . DOI : 10.1088 / 0143-0807 / 32/5/009 .
  10. ^ Rueckner, Wolfgang (2015). «Загадка установившегося вращения обратного оросителя» (PDF) . Американский журнал физики . 83 (4): 296–304. Bibcode : 2015AmJPh..83..296R . DOI : 10.1119 / 1.4901816 .
  11. ^ Билс, Джозеф (2017). «Новые ракурсы на обратном оросителе: согласование теории и эксперимента». Американский журнал физики . 85 (3): 166–172. Bibcode : 2017AmJPh..85..166B . DOI : 10.1119 / 1.4973374 .

Внешние ссылки [ править ]

  • D3-22: Обратный спринклер - металлическая модель , Лекционно-демонстрационный центр по физике Университета Мэриленда
  • Лаборатория коридора центра Эджертона: Спринклер Фейнмана
  • Диссертация по физике А. Дженкинса, Калифорнийский технологический институт (см. Главу 6)