Briser la physique : la tournure improbable du problème des arroseurs de Feynman

Les scientifiques ont résolu le problème des arroseurs Feynman, vieux de plusieurs décennies, en montrant qu’un arroseur fonctionnant en sens inverse tourne à l’opposé du moment où il éjecte de l’eau. Cette découverte approfondit notre compréhension de la dynamique des fluides et pourrait éclairer le développement des énergies renouvelables.

Depuis des décennies, les scientifiques tentent de résoudre le problème des arroseurs de Feynman : comment fonctionne un arroseur fonctionnant à l’envers, dans lequel l’eau s’écoule ? dans l’appareil plutôt que de l’en sortir : travailler ? Grâce à une série d’expériences, une équipe de mathématiciens a compris comment les fluides en écoulement exercent des forces et déplacent les structures, révélant ainsi la réponse à ce mystère de longue date.

« Notre étude résout le problème en combinant des expériences de laboratoire de précision avec une modélisation mathématique qui explique le fonctionnement d’un arroseur inversé », explique Leif Ristroph, professeur agrégé à L’Université de New Yorkdu Courant Institute of Mathematical Sciences et auteur principal de l’article, apparaît dans la revue Lettres d’examen physique. « Nous avons constaté que l’arroseur inversé tourne dans le sens « inverse » ou dans le sens opposé lorsqu’il aspire l’eau et qu’il le fait lorsqu’il l’éjecte, et la cause est subtile et surprenante. »

Comprendre les arroseurs inversés

« L’arroseur ordinaire ou « avant » est semblable à une fusée, puisqu’il se propulse en tirant des jets », ajoute Ristroph. « Mais l’arroseur inversé est mystérieux puisque l’eau aspirée ne ressemble pas du tout à des jets. Nous avons découvert que le secret est caché à l’intérieur l’arroseur, où se trouvent effectivement des jets qui expliquent les mouvements observés.

La recherche répond à l’un des problèmes les plus anciens et les plus difficiles de la physique des fluides. Et même si Ristroph reconnaît qu’il est modestement utile de comprendre le fonctionnement d’un arroseur inversé – « Il n’est pas nécessaire de « désarroser » les pelouses », dit-il – les résultats nous renseignent sur la physique sous-jacente et nous demandent si nous pouvons améliorer les méthodes nécessaires pour concevoir dispositifs qui utilisent des fluides en écoulement pour contrôler les mouvements et les forces.

« Nous comprenons désormais bien mieux les situations dans lesquelles l’écoulement d’un fluide à travers les structures peut provoquer un mouvement », note Brennan Sprinkle, professeur adjoint à la Colorado School of Mines et l’un des co-auteurs de l’article. « Nous pensons que les méthodes que nous avons utilisées dans nos expériences seront utiles pour de nombreuses applications pratiques impliquant des dispositifs qui réagissent au flux d’air ou d’eau. »

Le problème des arroseurs Feynman est généralement présenté comme une expérience de réflexion sur un type d’arroseur de pelouse qui tourne lorsqu’un fluide, comme l’eau, est expulsé de ses tubes ou « bras » en forme de S. La question demande ce qui se passe si du liquide est aspiré par les bras : l’appareil tourne-t-il, dans quelle direction et pourquoi ?

Le contexte historique et la percée expérimentale

Le problème est associé aux pionniers de la physique, depuis Ernst Mach, qui a posé le problème dans les années 1880, jusqu’au lauréat du prix Nobel Richard Feynman, qui a travaillé sur ce problème et l’a popularisé des années 1960 aux années 1980. Depuis, elle a donné lieu à de nombreuses études qui débattent de ses résultats et de la physique sous-jacente. Elle est encore aujourd’hui présentée comme un problème ouvert dans les manuels de physique et de mécanique des fluides.

En cherchant à résoudre le problème des arroseurs inversés, Ristroph, Sprinkle et leurs co-auteurs, Kaizhe Wang, doctorant à NYU au moment de l’étude, et Mingxuan Zuo, étudiant diplômé de NYU, ont fabriqué des dispositifs d’arrosage sur mesure et les ont immergés. dans l’eau dans un appareil qui pousse ou retire l’eau à des débits contrôlables. Pour permettre à l’appareil de tourner librement en réponse au flux, les chercheurs ont construit un nouveau type de roulement rotatif à très faible friction. Ils ont également conçu l’arroseur de manière à pouvoir observer et mesurer la façon dont l’eau s’écoule à l’extérieur, à l’intérieur et à travers l’arroseur.

«Cela n’avait jamais été fait auparavant et c’était la clé pour résoudre le problème», explique Ristroph.

Pour mieux observer le processus d’arrosage inversé, les chercheurs ont ajouté des colorants et des microparticules dans l’eau, illuminés par des lasers, et ont capturé les flux à l’aide de caméras à grande vitesse.

Les résultats ont montré qu’un arroseur inversé tourne beaucoup plus lentement qu’un arroseur conventionnel – environ 50 fois plus lentement – ​​mais que les mécanismes sont fondamentalement similaires. Un arroseur avant conventionnel agit comme une version rotative d’une fusée propulsée par l’eau jaillissant des bras. Un arroseur inversé agit comme une « fusée à l’envers », avec ses jets tirant à l’intérieur de la chambre où les bras se rencontrent. Les chercheurs ont découvert que les deux jets internes entrent en collision mais ne se rencontrent pas exactement de front, et leur modèle mathématique a montré comment cet effet subtil produit des forces qui font tourner l’arroseur en sens inverse.

L’équipe considère cette avancée comme potentiellement bénéfique pour l’exploitation de sources d’énergie respectueuses du climat.

« De nombreuses sources d’énergie durables circulent autour de nous : le vent dans notre atmosphère ainsi que les vagues et les courants dans nos océans et nos rivières », explique Ristroph. « Découvrir comment récupérer cette énergie constitue un défi majeur et nécessitera de mieux comprendre la physique des fluides. »

Le travail a été soutenu par une subvention de la National Science Foundation (DMS-1646339).