Durante décadas, os cientistas têm tentado resolver o problema dos sprinklers de Feynman:como funciona um sprinkler funcionando ao contrário - no qual a água flui para dentro do dispositivo em vez de sair dele? Através de uma série de experiências, uma equipa de matemáticos descobriu como os fluidos fluidos exercem forças e movem estruturas, revelando assim a resposta a este mistério de longa data.



“Nosso estudo resolve o problema combinando experimentos de laboratório de precisão com modelagem matemática que explica como funciona um sprinkler reverso”, explica Leif Ristroph, professor associado do Instituto Courant de Ciências Matemáticas da Universidade de Nova York e autor sênior do artigo publicado na revista Cartas de revisão física .

"Descobrimos que o sprinkler reverso gira na direção 'reversa' ou oposta ao absorver água e ao ejetá-la, e a causa é sutil e surpreendente."

“O aspersor regular ou ‘dianteiro’ é semelhante a um foguete, pois se impulsiona disparando jatos”, acrescenta Ristroph. “Mas o sprinkler reverso é misterioso porque a água sugada não se parece em nada com jatos. Descobrimos que o segredo está escondido dentro do sprinkler, onde de fato existem jatos que explicam os movimentos observados.”

A pesquisa responde a um dos problemas mais antigos e difíceis da física dos fluidos. E embora Ristroph reconheça que há uma utilidade modesta na compreensão do funcionamento de um aspersor reverso - "Não há necessidade de 'desregar' os gramados", diz ele - as descobertas nos ensinam sobre a física subjacente e se podemos melhorar os métodos necessários para projetar dispositivos que usam fluidos fluidos para controlar movimentos e forças.

“Agora temos uma compreensão muito melhor sobre situações em que o fluxo de fluidos através de estruturas pode induzir movimento”, observa Brennan Sprinkle, professor assistente na Escola de Minas do Colorado e um dos coautores do artigo. "Acreditamos que esses métodos que usamos em nossos experimentos serão úteis para muitas aplicações práticas envolvendo dispositivos que respondem ao fluxo de ar ou água."

O problema dos aspersores de Feynman é normalmente enquadrado como um experimento mental sobre um tipo de aspersor de gramado que gira quando um fluido, como a água, é expelido de seus tubos ou "braços" em forma de S. A questão pergunta o que acontece se o fluido for sugado pelos braços:o dispositivo gira, em que direção e por quê?

O problema está associado aos pioneiros da física, desde Ernst Mach, que colocou o problema na década de 1880, até ao prémio Nobel Richard Feynman, que o trabalhou e popularizou entre os anos 1960 e 1980. Desde então, gerou numerosos estudos que debatem o resultado e a física subjacente – e até hoje é apresentado como um problema em aberto na física e nos livros didáticos de mecânica dos fluidos.

Ao tentar resolver o problema dos sprinklers reversos, Ristroph, Sprinkle e seus co-autores, Kaizhe Wang, um estudante de doutorado da NYU na época do estudo, e Mingxuan Zuo, um estudante de pós-graduação da NYU, fabricaram dispositivos de sprinklers personalizados e os imergiram na água em um aparelho que empurra ou retira água a taxas controláveis.

Para permitir que o dispositivo gire livremente em resposta ao fluxo, os pesquisadores construíram um novo tipo de rolamento rotativo de atrito ultrabaixo. Eles também projetaram o aspersor de uma forma que lhes permitiu observar e medir como a água flui para fora, para dentro e através dele.

“Isso nunca foi feito antes e foi fundamental para resolver o problema”, explica Ristroph.

Para observar melhor o processo de sprinkler reverso, os pesquisadores adicionaram corantes e micropartículas à água, iluminadas com lasers, e capturaram os fluxos por meio de câmeras de alta velocidade.

Os resultados mostraram que um sprinkler reverso gira muito mais lentamente do que um convencional – cerca de 50 vezes mais lento – mas os mecanismos são fundamentalmente semelhantes.

Um sprinkler frontal convencional atua como uma versão rotativa de um foguete movido por jatos de água dos braços. Um sprinkler reverso atua como um “foguete de dentro para fora”, com seus jatos disparando dentro da câmara onde os braços se encontram. Os pesquisadores descobriram que os dois jatos internos colidem, mas não se encontram exatamente de frente, e seu modelo matemático mostrou como esse efeito sutil produz forças que giram o aspersor no sentido inverso.

A equipa vê o avanço como potencialmente benéfico para o aproveitamento de fontes de energia amigas do clima.

“Existem fontes amplas e sustentáveis ​​de energia fluindo ao nosso redor – o vento na nossa atmosfera, bem como as ondas e correntes nos nossos oceanos e rios”, diz Ristroph. "Descobrir como colher esta energia é um grande desafio e exigirá que compreendamos melhor a física dos fluidos."

Mais informações: Kaizhe Wang et al, Fluxos centrífugos impulsionam a rotação reversa do aspersor de Feynman, Cartas de revisão física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.044003
Informações do diário: Cartas de revisão física

Fornecido pela Universidade de Nova York