Todo verão, os gramados ficam cheios de “aspersores bobos” coloridos, cujos tubos giratórios e retorcidos borrifam água em padrões incomuns. Seus projetos podem parecer extravagantes, mas os pesquisadores agora usaram esses dispositivos de quintal para investigar uma questão séria e de décadas na física.
O mistério é conhecido como problema dos sprinklers de Feynman. Ele pede isso quando um sprinkler funciona ao contrário, puxando água para dentro de seu braço em vez de forçá-la para fora. Ao construir e testar diferentes tamanhos de sprinklers, uma equipe de matemáticos produziu agora uma resposta empírica clara. Seus resultados fornecem informações abrangentes sobre como os fluidos em movimento empurram, torcem e giram as estruturas físicas.
“Este trabalho fornece respostas experimentais ao problema dos aspersores de Feynman, em diferentes tipos de aspersores, como o momento angular do fluxo de água impulsiona a rotação do aspersor, “explica Leif Ristroff, professor associado de computação na Courant Institute School of Mathematics da Universidade de Nova York, e autor do artigo sênior na Science que aparece na Senior & Data. Anais da Academia Nacional de Ciências.
Por que os problemas com sprinklers são importantes
Os pesquisadores dizem que as descobertas são úteis para mais do que apenas resolver um famoso quebra-cabeça científico. Compreender como os objetos reagem aos fluidos em movimento pode ajudar os engenheiros a desenvolver máquinas que capturem ou convertam energia dos fluidos em movimento.
“Nossos resultados fornecem uma compreensão sólida de como os fluidos respondem ao fluxo – conhecimento que pode orientar futuros avanços tecnológicos e de engenharia, como turbinas, que convertem esse fluxo em energia”, observa Brennan Sprinkle, professor assistente da Escola de Minas do Colorado e um dos coautores do artigo.
A equipe começou a estudar o problema dos sprinklers de Feynman em um trabalho publicado em 2024. A questão tornou-se amplamente conhecida na década de 1980, depois que o físico Richard Feynman descreveu suas próprias tentativas fracassadas de investigá-la experimentalmente.
Esse estudo anterior mostrou que um sprinkler reverso gira cerca de 50 vezes mais lentamente do que um sprinkler normal, embora os dois dependam de processos físicos intimamente relacionados.
Um sprinkler convencional se comporta como um foguete em movimento. A água jorra da arma, criando forças que giram o dispositivo. Um aspersor reverso funciona como um “foguete de dentro para fora”, pois os jatos de água viajam para dentro e entram na câmara central onde os braços se conectam.
Dentro dessa câmara, dois jatos colidem. No entanto, eles não se batem exatamente. Este ligeiro desalinhamento cria uma força que faz com que o sprinkler gire na direção oposta.
Restroff, Sprinkle e seus colegas descrevem essa explicação como a teoria do fluxo de momento, que se concentra em como a água que se move através dos aspersores carrega o momento.
Testando sprinklers com voltas e loops
Os testes de 2024 focaram apenas em sprinklers padrão com braços em forma de S. Isso deixa aberta a possibilidade de que sprinklers com formatos mais complexos, incluindo os tubos curvos e em espiral encontrados nos sprinklers Seeley, possam se comportar de maneira diferente.
Pesquisas anteriores não descartaram completamente outras explicações importantes para o movimento dos sprinklers.
Para o novo estudo, a equipe criou uma coleção de sprinklers ingênuos com contornos diferentes. Cada dispositivo foi testado em duas configurações. No modo direto, a água é pulverizada para fora de um aspersor de gramado normal. No modo reverso, a água foi puxada para o aspersor.
Formas incomuns permitem aos pesquisadores examinar vários recursos ao mesmo tempo. Eles registraram como os sprinklers giravam, observaram o movimento da água dentro e fora do dispositivo e mediram o torque ou força de torção produzida quando os sprinklers eram impedidos de girar.
Examinando teorias físicas concorrentes
Os cientistas compararam a sua teoria do fluxo de momento com duas outras explicações que foram propostas ao longo dos anos.
O primeiro data da década de 1880 e foi introduzido pelo físico Ernst Mach. Isto sugere que o líquido gira em uma direção enquanto o aspersor gira na direção oposta. No entanto, a explicação de Mach não conseguiu explicar a rotação e o torque opostos medidos durante o novo experimento.
Uma segunda teoria, associada a Feynman e pesquisadores posteriores, concentra-se na água que flui perto das bordas externas dos braços do aspersor. Novos testes mostraram que a parte externa dos braços ou a água movendo-se ao redor deles não afetaram a velocidade ou o torque do aspersor.
Os resultados, em vez disso, apoiam fortemente a teoria do fluxo de momento. Os pesquisadores ampliaram a teoria e descobriram que ela descrevia com precisão a operação direta e reversa em todos os tamanhos de sprinklers testados.
Experimentos também revelaram que mudar o formato dos braços poderia alterar e controlar os jatos de água. Esse recurso pode ser útil ao projetar dispositivos práticos baseados em líquidos.
“Ao mostrar que o fluxo de momento é a resposta para o problema dos sprinklers de Feynman, nossas descobertas resolvem um problema aberto de longa data na física dos fluxos e fornecem conhecimento útil sobre como esses dispositivos funcionam e suas funções”, concluiu Ristroff.
Outros autores do artigo foram os estudantes de pós-graduação da NYU Jesse Smith e Mingxuan Zuo, bem como Will Kuhlke, formado pela NYU.
O trabalho foi apoiado por doações da National Science Foundation (DMS-2407787 e DMS-2407788).
