Durante décadas, los científicos han estado tratando de resolver el problema de los aspersores de Feynman:¿Cómo funciona un aspersor que funciona al revés, en el que el agua fluye hacia el dispositivo en lugar de salir de él? A través de una serie de experimentos, un equipo de matemáticos ha descubierto cómo los fluidos que fluyen ejercen fuerzas y mueven estructuras, revelando así la respuesta a este misterio de larga data.
"Nuestro estudio resuelve el problema combinando experimentos de laboratorio de precisión con modelos matemáticos que explican cómo funciona un aspersor inverso", explica Leif Ristroph, profesor asociado del Instituto Courant de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Nueva York y autor principal del artículo que aparece en la revista Cartas de revisión física .
"Descubrimos que el aspersor inverso gira en dirección 'inversa' o opuesta cuando toma agua y cuando la expulsa, y la causa es sutil y sorprendente".
"El aspersor normal o 'de avance' es similar a un cohete, ya que se impulsa disparando chorros", añade Ristroph. "Pero el aspersor inverso es un misterio, ya que el agua que se aspira no se parece en nada a un chorro. Descubrimos que el secreto se esconde dentro del aspersor, donde efectivamente se encuentran unos chorros que explican los movimientos observados."
La investigación responde a uno de los problemas más antiguos y difíciles de la física de fluidos. Y aunque Ristroph reconoce que comprender el funcionamiento de un aspersor inverso tiene una utilidad modesta:"No hay necesidad de 'desregar' el césped", dice, los hallazgos nos enseñan sobre la física subyacente y si podemos mejorar los métodos necesarios para diseñar Dispositivos que utilizan fluidos que fluyen para controlar movimientos y fuerzas.
"Ahora comprendemos mucho mejor las situaciones en las que el flujo de fluido a través de estructuras puede inducir movimiento", señala Brennan Sprinkle, profesora asistente de la Escuela de Minas de Colorado y una de las coautoras del artículo. "Creemos que estos métodos que utilizamos en nuestros experimentos serán útiles para muchas aplicaciones prácticas que involucran dispositivos que responden al flujo de aire o agua".
El problema de los aspersores Feynman suele plantearse como un experimento mental sobre un tipo de aspersor para césped que gira cuando se expulsa un líquido, como agua, de sus tubos o "brazos" en forma de S. La pregunta es qué sucede si se aspira líquido a través de los brazos:¿gira el dispositivo, en qué dirección y por qué?
El problema está asociado con los pioneros de la física, desde Ernst Mach, que planteó el problema en la década de 1880, hasta el premio Nobel Richard Feynman, que trabajó en él y lo popularizó entre las décadas de 1960 y 1980. Desde entonces, ha generado numerosos estudios que debaten el resultado y la física subyacente, y hasta el día de hoy se presenta como un problema abierto en los libros de texto de física y mecánica de fluidos.
Para resolver el problema de los rociadores inversos, Ristroph, Sprinkle y sus coautores, Kaizhe Wang, estudiante de doctorado de la Universidad de Nueva York en el momento del estudio, y Mingxuan Zuo, estudiante graduado de la Universidad de Nueva York, fabricaron dispositivos de rociadores personalizados y los sumergieron. en agua en un aparato que empuja hacia adentro o extrae agua a velocidades controlables.
Para permitir que el dispositivo gire libremente en respuesta al flujo, los investigadores construyeron un nuevo tipo de cojinete giratorio de fricción ultrabaja. También diseñaron el aspersor de manera que les permitiera observar y medir cómo fluye el agua por fuera, por dentro y a través de él.
"Esto nunca se había hecho antes y fue clave para resolver el problema", explica Ristroph.
Para observar mejor el proceso de aspersión inversa, los investigadores agregaron tintes y micropartículas al agua, la iluminaron con láseres y capturaron los flujos usando cámaras de alta velocidad.
Los resultados mostraron que un aspersor inverso gira mucho más lentamente que uno convencional (unas 50 veces más lento), pero los mecanismos son fundamentalmente similares.
Un aspersor delantero convencional actúa como una versión giratoria de un cohete impulsado por agua que sale de los brazos. Un aspersor inverso actúa como un "cohete de adentro hacia afuera", con sus chorros disparando dentro de la cámara donde se unen los brazos. Los investigadores descubrieron que los dos chorros internos chocan pero no se encuentran exactamente de frente, y su modelo matemático mostró cómo este efecto sutil produce fuerzas que hacen girar el aspersor en reversa.
El equipo considera que este avance es potencialmente beneficioso para aprovechar fuentes de energía respetuosas con el clima.
"Hay fuentes amplias y sostenibles de energía que fluyen a nuestro alrededor:el viento en nuestra atmósfera, así como las olas y corrientes en nuestros océanos y ríos", dice Ristroph. "Descubrir cómo aprovechar esta energía es un desafío importante y requerirá que comprendamos mejor la física de los fluidos".
Más información: Kaizhe Wang et al, Los flujos centrífugos impulsan la rotación inversa del aspersor de Feynman, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.044003
Información de la revista: Cartas de revisión física
Proporcionado por la Universidad de Nueva York
