لقد أثبت الفيزيائيون أن فاينمان كان مخطئًا في مشكلة الرشاش “الغبية”.

أحب الفيزيائي الأمريكي الشهير ريتشارد فاينمان حل المشكلات التافهة. أحدها هو كيف سيدور رشاش الحديقة إذا اضطر إلى عدم رش الماء بل امتصاصه؟ لقد حيرت الإجابة العلماء لعقود من الزمن حتى أجرى فريق من جامعة نيويورك سلسلة من التجارب البارعة. اتضح أن كل شيء يعتمد على اضطراب التدفق في المحور المركزي للجهاز. يمكن أن يجد هذا الاكتشاف تطبيقًا عمليًا في تصميم توربينات قوية بشكل خاص. مقال منشور في المجلة بناس.

ما هو جوهر المشكلة؟

يدور الرشاش الكلاسيكي على شكل حرف S في اتجاه واحد، ويطرد النفاثات. ولكن ماذا يحدث إذا غمرته في حوض سباحة وقمت بتوصيله بالمكنسة الكهربائية، مما أجبره على سحب الماء، فما هو اتجاه دورانه؟ ظل هذا السؤال دون إجابة لفترة طويلة. في الأربعينيات من القرن الماضي، حاول فاينمان إجراء تجربة في المختبر، لكن النموذج الزجاجي للمرش الذي صممه العالم تحطم أثناء التجربة، دون إعطاء إجابة محددة. أدت المحاولات اللاحقة إلى نتائج متناقضة: يدور الرشاش أولاً، ثم إلى الخلف، أو يرتعش، أو يتوقف.

قرر عالم الرياضيات ليف ريستروف وزملاؤه أخيرًا وضع حد لهذه المشكلة. لقد صنعوا سبع مرشات “سخيفة” عمدًا بأذرع منحنية أو لولبية أو منحنية للخلف. وكان هذا ضروريًا لاختبار نظريتين فيزيائيتين حول الرشاشات. وفقًا لفرضية تعود إلى عالم الفيزياء النمساوي إرنست ماخ، يجب موازنة الزخم الزاوي للماء الموجود في الذراعين بالدوران المعاكس للجهاز نفسه. وكان فاينمان نفسه يعتقد أن الأمر كله يتعلق بانخفاض الضغط عند الفوهات.

إذا كان ماخ على حق، فإن رشاشات الباحثين سوف تدور بشكل مختلف تمامًا عما ظهر في التجربة. لو كان فاينمان على حق، فإن ثني الفوهة للخلف كان من شأنه أن يتسبب في دوران الأجهزة في الاتجاه المعاكس. لكن هذا لم يحدث.

اعترف ريستروف قائلًا: «كان علي أن أقول: فاينمان وأتباعه، أنتم مخطئون». وحتى عندما كان السائل الموجود بداخله يحمل زخمًا زاويًا أكبر بكثير، فإن “المادة الصلبة استجابت بالكاد”.

ما الذي يحدد كيفية عمل الرش؟

أشارت جميع القياسات إلى العقدة المركزية حيث تلتقي أذرع الجهاز. هناك تتصادم تدفقات المياه القادمة وتدور، مما يخلق تدفقًا من الزخم الزاوي الذي يقاومه الهيكل. اتضح أن الرشاش “العكسي” الذي صممه العلماء هو ببساطة نسخة من الداخل إلى الخارج من الرشاش المعتاد.. يتم تحديد عملها من خلال نفس القوانين الفيزيائية التي تعمل على الأطراف المقابلة لروافع الجهاز الكلاسيكي.

إن المشكلة “السخيفة” لها أهمية عملية. إن فهم كيفية تحويل القنوات المنحنية لتدفق السوائل إلى قوة دورانية سيكون مفيدًا في تصميم التوربينات والأجهزة الأخرى التي تستخرج الطاقة من الرياح والمياه..

وخلص ريستروف إلى القول: “إذا تمكنا من مساعدة المهندسين على الاستفادة بشكل أفضل من الكميات الهائلة من الطاقة المتجددة من حولنا، فسيكون ذلك رائعا”.