Nội dung bài viết
Nghiên cứu mới xác nhận “lý thuyết dòng động lượng” năm 2024 về cách động lượng góc của dòng nước điều khiển chuyển động quay.
Việc tưới nước cho bãi cỏ của bạn vào mùa hè có thể vừa thực tế vừa thú vị với cái gọi là “vòi phun nước ngớ ngẩn”, được thiết kế để tạo ra các vòng phun nước và hình xoắn ốc thú vị. Và có một số cơ chế vật lý hấp dẫn đang được áp dụng.
Theo một bài báo mới đăng trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, các nhà nghiên cứu tại Viện Courant của Đại học New York đã tiến hành một loạt thí nghiệm với các thiết kế vòi phun nước ngớ ngẩn khác nhau để tìm ra câu trả lời cho một vấn đề tồn tại lâu dài trong động lực học chất lỏng.
Như đã báo cáo trước đó, vấn đề phun nước ngược có liên quan đến nhà vật lý Richard Feynman vì ông đã phổ biến khái niệm này, nhưng thực ra nó bắt nguồn từ một chương trong cuốn sách giáo khoa Khoa học Cơ học năm 1883 của Ernst Mach ( Die Mechanik trong Ihrer Entwicklung Historisch-Kritisch Dargerstellt).
Thí nghiệm tưởng tượng của Mach tương đối mù mờ cho đến khi một nhóm các nhà vật lý trường Đại học Princeton bắt đầu tranh luận về vấn đề này vào những năm 1940.
Vào thời điểm đó, Feynman đang là một sinh viên tốt nghiệp và đã lao vào cuộc tranh luận một cách say mê, thậm chí còn nghĩ ra một thí nghiệm trong phòng thí nghiệm cyclotron. để kiểm tra giả thuyết của mình.
Người ta có thể trực giác rằng một vòi phun nước đảo ngược sẽ hoạt động giống như một vòi phun nước thông thường, chỉ đơn thuần là hoạt động ngược lại, có thể nói như vậy. Nhưng vật lý hóa ra phức tạp hơn.
“Câu trả lời hoàn toàn rõ ràng ngay từ cái nhìn đầu tiên,” Feynman viết trong Chắc chắn bạn đang đùa, ông Feynman (1985).
“Vấn đề là, một số người sẽ nghĩ rằng nó hoàn toàn rõ ràng [rằng vòng quay sẽ] theo một chiều, và một người khác sẽ nghĩ rằng nó hoàn toàn rõ ràng theo hướng khác.” Mach đề xuất rằng sẽ không có hiện tượng quay với vòi phun ngược: phản lực tác dụng lên vòi khi nó hút nước sẽ kéo vòi phun ngược chiều kim đồng hồ, còn nước chảy vào bên trong vòi sẽ đẩy vòi phun theo chiều kim đồng hồ.
Hai lực triệt tiêu lẫn nhau trong kịch bản trạng thái ổn định này. Thí nghiệm của riêng Feynman cho thấy một sự rung chuyển nhẹ khi lần đầu tiên áp suất được tác dụng để bơm nước qua vòi, sau đó vòi phun nước trở lại vị trí ban đầu và vẫn đứng yên.
Nhưng những người khác cho rằng nếu ma sát đủ thấp và tốc độ dòng vào đủ cao, một vòi phun nước ngược sẽ bắt đầu quay theo hướng ngược lại với một vòi phun nước thông thường, nhờ sự hình thành dòng xoáy bên trong.
Vì Fe ynman, các thí nghiệm đã được thực hiện khắp nơi: một số cho thấy chuyển động quay ngược ổn định, một số cho thấy chuyển động quay nhất thời và một số tạo ra chuyển động quay không ổn định làm thay đổi hướng hoặc chảy theo hướng được xác định bởi hình học của thiết bị kỳ lạ.
Vào năm 2024, nhà toán học ứng dụng Leif Ristroph và một số đồng nghiệp của Đại học New York đã chế tạo vòi phun nước tùy chỉnh của riêng họ kết hợp vòng bi quay có độ ma sát cực thấp để thiết bị của họ có thể quay tự do.
Họ nhúng vòi phun nước vào nước và sử dụng một thiết bị đặc biệt để bơm nước vào hoặc kéo nước ra với tốc độ dòng chảy được kiểm soát cẩn thận. Điều này cho phép nhóm quan sát cách nước chảy bên trong, bên ngoài và qua thiết bị.
Việc thêm thuốc nhuộm và vi hạt vào nước rồi chiếu sáng chúng bằng tia laser đã giúp ghi lại các dòng chảy trên video tốc độ cao. Họ tiến hành thí nghiệm trong vài giờ mỗi lần để lập bản đồ chính xác hơn về mô hình dòng chất lỏng.
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng vòi phun nước ngược quay chậm hơn 50 lần so với vòi phun nước thông thường nhưng nó hoạt động theo cơ chế tương tự, điều này khiến họ ngạc nhiên.
Ristroph mô tả hành vi này giống như một “tên lửa từ trong ra ngoài”, trong đó các tia phản lực bên trong bắn vào bên trong buồng nơi t Hai cánh tay của anh ta gặp nhau và va chạm – nhưng chúng không va chạm trực diện, dẫn đến lực làm quay vòi phun nước ngược lại.
Ngược lại, vòi phun nước phía trước giống một tên lửa đang quay với các tia phun ra từ cánh tay của nó. Các mô hình dòng chảy được quan sát bằng thực nghiệm năm 2024 hoàn toàn phù hợp với các mô hình toán học của nhóm mà họ gọi là lý thuyết dòng động lượng.
Tuy nhiên, nó không loại trừ dứt khoát các lý thuyết cạnh tranh. Ngoài ra, nhóm chỉ quan tâm đến các vòi phun nước có cánh tay hình chữ S.
Vì vậy, bài báo mới nhất này dựa trên công trình trước đó bằng cách mở rộng các thí nghiệm sang các vòi phun nước ngớ ngẩn mà nhóm đã tự tạo ra. Ristroph và cộng sự.
đã thử nghiệm chúng ở cả chế độ tiến (nơi nước phun ra) và chế độ lùi (nơi nước được hút vào). Những quan sát của họ ủng hộ mạnh mẽ lý thuyết thông lượng động lượng của Ristroph và cộng sự và không nhất quán với các giả thuyết của Mach và Feynman.
Họ cũng phát hiện ra rằng hình dạng cánh tay của một vòi phun nước nhất định có thể kiểm soát dòng tia và nhóm nghiên cứu đã nghĩ ra những hướng dẫn cụ thể để thiết kế các cấu trúc nhằm kiểm soát dòng chảy nhằm tạo ra mô-men xoắn và chuyển động quay.
“Những phát hiện của chúng tôi cung cấp sự hiểu biết chắc chắn hơn về cách các bộ phận phản ứng với dòng chất lỏng—kiến thức có thể hướng dẫn fu đồng tác giả Brennan Sprinkle của Trường Mỏ Colorado cho biết, các tiến bộ kỹ thuật và công nghệ dành cho các thiết bị, chẳng hạn như tua-bin, có thể chuyển đổi các dòng này thành năng lượng.
Phòng thí nghiệm của Ristroph thường xuyên giải quyết những loại câu đố đầy màu sắc này trong thế giới thực. Ví dụ, vào năm 2018, Ristroph và các đồng nghiệp đã tinh chỉnh công thức tạo ra bong bóng hoàn hảo dựa trên các thí nghiệm với màng mỏng xà phòng.
Năm 2021, phòng thí nghiệm Ristroph đã xem xét các quá trình hình thành bên dưới cái gọi là "đá rừng" phổ biến ở một số khu vực nhất định ở Trung Quốc và Madagascar.
Vào năm 2021, phòng thí nghiệm của ông đã chế tạo một van Tesla hoạt động theo thiết kế của nhà phát minh và đo lưu lượng nước qua van theo cả hai hướng ở các áp suất khác nhau.
Và vào năm 2022, Ristroph đã nghiên cứu tính khí động học cực kỳ phức tạp của những yếu tố tạo nên một chiếc máy bay giấy tốt—đặc biệt là những yếu tố cần thiết để lướt êm ái. PNAS, 2026.
DOI: 10.1073/pnas.2537479123 (Giới thiệu về DOI). Ars Technica đã tách tín hiệu khỏi tiếng ồn trong hơn 25 năm.
Với sự kết hợp độc đáo giữa hiểu biết về kỹ thuật và mối quan tâm sâu rộng đến nghệ thuật và khoa học công nghệ, Ars là nguồn đáng tin cậy trong biển thông tin. cần biết mọi thứ, chỉ những gì quan trọng.
Gợi ý thực hành:
1. Theo dõi thông báo từ cơ quan địa phương tại California.
2. Kiểm tra nguồn chính thức trước khi chia sẻ lại thông tin.