Per decenni gli scienziati hanno cercato di risolvere il problema degli irrigatori di Feynman:come funziona un irrigatore che funziona al contrario, in cui l'acqua scorre nel dispositivo anziché fuori da esso? Attraverso una serie di esperimenti, un team di matematici ha scoperto come i fluidi che scorrono esercitano forze e muovono le strutture, rivelando così la risposta a questo mistero di vecchia data.
"Il nostro studio risolve il problema combinando esperimenti di laboratorio di precisione con modelli matematici che spiegano come funziona un irrigatore inverso", spiega Leif Ristroph, professore associato al Courant Institute of Mathematical Sciences della New York University e autore senior dell'articolo apparso sulla rivista Lettere di revisione fisica .
"Abbiamo scoperto che l'irrigatore inverso gira nella direzione 'inversa' o opposta quando si aspira l'acqua come quando la si espelle, e la causa è sottile e sorprendente."
"L'irrigatore normale o 'avanzato' è simile a un razzo, poiché si muove sparando getti", aggiunge Ristroph. "Ma l'irrigatore inverso è misterioso poiché l'acqua aspirata non assomiglia affatto a dei getti. Abbiamo scoperto che il segreto è nascosto all'interno dell'irrigatore, dove infatti ci sono dei getti che spiegano i movimenti osservati."
La ricerca risponde a uno dei problemi più antichi e difficili della fisica dei fluidi. E mentre Ristroph riconosce che c'è una modesta utilità nel comprendere il funzionamento di un irrigatore inverso - "Non c'è bisogno di 'disirrigare' i prati", dice - i risultati ci insegnano la fisica di base e se possiamo migliorare i metodi necessari per progettare dispositivi che utilizzano fluidi correnti per controllare movimenti e forze.
"Ora abbiamo una comprensione molto migliore delle situazioni in cui il flusso di fluido attraverso le strutture può indurre movimento", osserva Brennan Sprinkle, assistente professore alla Colorado School of Mines e uno dei coautori dell'articolo. "Riteniamo che i metodi utilizzati nei nostri esperimenti saranno utili per molte applicazioni pratiche che coinvolgono dispositivi che rispondono al flusso di aria o acqua."
Il problema degli irrigatori Feynman è tipicamente inquadrato come un esperimento mentale su un tipo di irrigatore per prato che gira quando un fluido, come l'acqua, viene espulso dai suoi tubi o "bracci" a forma di S. La domanda chiede cosa succede se il fluido viene risucchiato attraverso le braccia:il dispositivo ruota, in quale direzione e perché?
Il problema è associato ai pionieri della fisica, da Ernst Mach, che lo pose nel 1880, al premio Nobel Richard Feynman, che lavorò e lo rese popolare dagli anni '60 agli anni '80. Da allora ha dato origine a numerosi studi che ne discutono i risultati e la fisica sottostante e fino ad oggi viene presentato come un problema aperto nella fisica e nei libri di testo di meccanica dei fluidi.
Nel tentativo di risolvere il problema degli irrigatori inversi, Ristroph, Sprinkle e i loro coautori, Kaizhe Wang, uno studente di dottorato della New York University al momento dello studio, e Mingxuan Zuo, uno studente laureato della New York University, hanno fabbricato dispositivi di irrigazione su misura e li hanno immersi nell'acqua in un apparato che spinge dentro o estrae l'acqua a velocità controllabili.
Per consentire al dispositivo di ruotare liberamente in risposta al flusso, i ricercatori hanno costruito un nuovo tipo di cuscinetto rotante a bassissimo attrito. Hanno inoltre progettato l'irrigatore in modo da poter osservare e misurare il modo in cui l'acqua scorre all'esterno, all'interno e attraverso di esso.
"Ciò non era mai stato fatto prima ed è stato fondamentale per risolvere il problema", spiega Ristroph.
Per osservare meglio il processo di irrigazione inversa, i ricercatori hanno aggiunto coloranti e microparticelle nell'acqua, illuminata con laser e catturato i flussi utilizzando telecamere ad alta velocità.
I risultati hanno mostrato che un irrigatore inverso ruota molto più lentamente di uno convenzionale, circa 50 volte più lentamente, ma i meccanismi sono fondamentalmente simili.
Un irrigatore anteriore convenzionale agisce come una versione rotante di un razzo alimentato dal getto d'acqua che esce dai bracci. Un irrigatore inverso agisce come un "razzo rovesciato", con i suoi getti che sparano all'interno della camera dove si incontrano i bracci. I ricercatori hanno scoperto che i due getti interni si scontrano ma non si incontrano esattamente frontalmente, e il loro modello matematico ha mostrato come questo sottile effetto produca forze che fanno ruotare l'irrigatore al contrario.
Il team ritiene che questa svolta sia potenzialmente vantaggiosa per sfruttare le fonti energetiche rispettose del clima.
"Ci sono ampie e sostenibili fonti di energia che fluiscono intorno a noi:il vento nella nostra atmosfera, così come le onde e le correnti nei nostri oceani e fiumi", afferma Ristroph. "Capire come raccogliere questa energia è una sfida importante e richiederà una migliore comprensione della fisica dei fluidi."
Ulteriori informazioni: Kaizhe Wang et al, I flussi centrifughi guidano la rotazione inversa dell'irrigatore di Feynman, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.044003
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
Fornito dalla New York University
