Os cientistas dizem ter resolvido em detalhes aquele que pode ser o problema mais famoso de toda a física relacionado ao cuidado do gramado.
O chamado problema dos sprinklers de Feynman leva o nome de Richard Feynman, um dos físicos mais famosos do século 20, embora ele não tenha sido o primeiro a colocá-lo e não tenha conseguido resolvê-lo.
Aqui está o problema: imagine um aspersor de gramado submerso na água, onde a água é sugada para seus braços em vez de borrifada. O sprinkler gira como antes, gira na direção oposta ou não gira?
Cientistas liderados pelo físico experimental e matemático aplicado da Universidade de Nova York, Leif Ryströf, dizem ter resolvido essa questão. “Estou confiante de que fornecemos uma resposta experimental ao problema dos sprinklers de Feynman”, disse o Dr. Ristroff.
Os pesquisadores relatam suas últimas descobertas Um artigo de pesquisa publicado na segunda-feira Em Anais da Academia Nacional de Ciências.
“Este problema de Feynman, como disse Feynman, está resolvido”, disse Detlef Lohse, professor da Universidade de Twente, na Holanda, que não esteve envolvido na investigação.
Para entender o problema inverso do aspersor submersível, considere primeiro um aspersor de jardim simples em forma de S que gira em torno de um pivô central e borrifa água. A água flui pelo centro e sai do bico nas extremidades de seus dois braços curvos, criando um impulso que gira o aspersor. A física para explicar este movimento – essencialmente como o de um foguete movido a água – é simples e controversa.
Mas o fluxo se inverte e o problema se complica.
Embora as equações que descrevem a velocidade da água e os aspersores sejam as mesmas, não existe uma resposta simples. Os físicos têm debatido o problema desde que Ernst Mach, um físico austríaco, o descreveu pela primeira vez em 1883.
Em seu livro, “Surely, You Gotta Be Joking, Mr. Feynman”, Feynman disse que foi um tema de debate entre estudantes de pós-graduação quando ele estava na Universidade de Princeton na década de 1940.
Ele apresentou um argumento sobre como um sprinkler reverso poderia girar em uma direção e, em seguida, um argumento conflitante sobre como ele poderia girar na outra direção.
Ele não revelou qual achava ser a resposta, mas descreveu como montou um experimento para resolver a questão. O dispositivo explode. “De repente, tudo explodiu vidro e água em todas as direções por todo o laboratório”, escreveu Feynman.
Dr. Ristroff decidiu resolver este problema há cerca de cinco anos. “Eu estava procurando por alguns problemas difíceis e não resolvidos, e este realmente chamou minha atenção, porque tem uma história notória”, disse ele.
Um dos colaboradores que o Dr. Ristroff contratou foi Brennan Sprinkle, então pesquisador de pós-doutorado que começou na NYU. “Leif disse algo muito bom”, disse o Dr. Sprinkle. “Ei, você tem um nome meio engraçado – uma versão educada disso – dê uma olhada no teste que fiz.”
Dr. Sprinkle visitou o laboratório e ficou intrigado, por causa de seu nome e ciência. “Minha primeira reação foi, sim, seria divertido”, disse ele. “E então minha segunda reação foi: ‘Ah, na verdade, é um problema profundamente subdiagnosticado, o que é ótimo.'”
Os teóricos tinham previsões conflitantes sobre a direção que o sprinkler invertido deveria girar. Os experimentos – mesmo aqueles que não foram tão explosivos quanto os de Feynman – foram inconclusivos.
Depois de conduzir experimentos específicos, o Dr. Ristroff e seus colegas da NYU Há dois anos, foi relatado que eles tinham a resposta: Os sprinklers submersíveis sugam água e giram na direção oposta a um sprinkler normal que expele água.
A rotação foi consideravelmente mais lenta, cerca de um quadragésimo da velocidade normal.
Os pesquisadores também tiveram uma explicação para o motivo pelo qual ele estava girando na direção oposta. As curvas nos braços do aspersor criaram uma força que moveu os dois jatos de água que entravam.
“Se você é um carro e está virando à direita, sentirá uma força, uma força inercial, indo na direção oposta”, disse o Dr. Sprinkle.
No fluido, a força move os jatos para que não colidam com a cabeça, criando uma força de torção que gira o aspersor.
Nem todo mundo estava convencido.
“Nunca recebi tantas mensagens de ódio”, disse Ristroff.
Dado que a dinâmica dos fluidos fluidos é complexa, perguntaram-se os críticos, como é que os investigadores poderiam ter a certeza de que as suas experiências, que descreviam uma configuração específica, eram geralmente verdadeiras?
Uma nova série de experimentos descritos no artigo de segunda-feira analisou o que aconteceu com o formato do “aspersor bobo”, testando se outros fatores poderiam mudar a direção de rotação.
Por exemplo, o raciocínio de Feynman para explicar por que um aspersor reverso iria na direção oposta, como mostrado nos experimentos do Dr. Ristroff, é que a sucção nas extremidades dos braços puxará o aspersor naquela direção.
Se isso for verdade, adicione uma segunda volta a cada braço para que a abertura fique voltada para o outro lado, mudando a direção do giro.
“Isso não faz muito, simplesmente não importa”, disse Ristroff. O aspersor com curva extra é girado na mesma direção que o formato em S simples. O mesmo aconteceu com outras variações de sprinklers. O fator mais importante foi a quantidade de flexão perto do pivô, pois determinou o deslocamento dos dois jatos que se aproximavam.
Idéias alternativas “estão claramente erradas em relação ao que descobrimos”, disse Ristroff. Isso o deixou mais confiante de que a explicação dada no artigo de 2024 estava correta.
Sprinklers submersos que se movem em direções opostas não têm muitos usos óbvios no mundo real, mas a pesquisa pode contribuir para uma compreensão geral do movimento complexo e interligado de um objeto sólido imerso em um fluxo de fluido.
Esse conhecimento pode então ser aplicado para projetar sistemas que colham energia das ondas do mar ou do vento.
O problema dos sprinklers Feynman ainda não foi totalmente resolvido, disse Ristroff, porque ninguém ainda produziu uma simulação computacional que mostre como a água exerce pressão sobre um sprinkler. O problema é complicado por causa da alta pressão nos tubos dos sprinklers e tudo está em constante movimento.
Dr. Sprinkle ainda é professor de matemática aplicada e estatística na Escola de Minas do Colorado.
“É apenas uma configuração numericamente bastante desafiadora”, disse o Dr. Sprinkle.
