راز پنهان معمای آبپاش فاینمن

آیا یک آبپاش که به‌جای پاشیدن آب آن را می‌مکد، می‌تواند ‌بچرخد؟ اگر این‌گونه باشد در کدام جهت؟ این پرسش سال‌ها ذهن بزرگ‌ترین فیزیک‌دانان را به خود مشغول کرده بود.

پاسخی که دهه‌ها در هاله‌ای از ابهام بود، حالا با ترکیبی از آزمایش‌های دقیق و مدلسازی ریاضی روشن شده است: آبپاش معکوس نه‌تنها می‌چرخد، بلکه در جهتی متفاوت با آبپاش معمولی حرکت می‌کند.

یکی از اسرار جذاب فیزیک که از قرن نوزدهم تاکنون ذهن‌های کنجکاو را درگیر کرده، بالاخره به نقطه پایان خود رسید. «مسئله آبپاش فاینمن» نه‌تنها یک معمای ذهنی درسی برای دانشجویان فیزیک بود، بلکه نمادی از چالش‌های ظاهراً ساده اما پیچیده در دنیای علم به شمار می‌رفت.

یک آبپاش در حالت مکش

این مسئله که پرسش ساده‌ای درباره چرخش یک آبپاش در حالت مکش مطرح می‌کرد، حالا با پژوهشی نوآورانه و دقیق توسط گروهی از ریاضی‌دانان دانشگاه نیویورک حل شده است. یافته‌هایی که می‌تواند افق‌های تازه‌ای در درک ما از سیالات، حرکت، و حتی انرژی‌های نو بگشاید.

این آبپاش معکوس می‌چرخد

دانشمندان بالاخره موفق شدند معمای چندین دهه‌ای فیزیک را حل کنند: یک آبپاش که آب را به‌جای پاشیدن، به درون خود می‌کشد، چگونه رفتار می‌کند؟ نتایج نشان داد که این آبپاش در جهتی مخالف با آبپاش معمولی می‌چرخد. این یافته‌ها درک ما از دینامیک سیالات را عمیق‌تر می‌کند و می‌تواند راهی برای طراحی سیستم‌های جدید در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر باشد.

پاسخ به یک معمای کهنه

برای دهه‌ها، دانشمندان در تلاش بودند پاسخ این پرسش ساده اما پیچیده را پیدا کنند: اگر آب به‌جای خروج از آبپاش، به داخل آن مکیده شود، دستگاه چه رفتاری از خود نشان می‌دهد؟ تیمی از ریاضی‌دانان با انجام آزمایش‌هایی دقیق و ترکیب آن با مدل‌سازی‌های ریاضی، موفق به کشف پاسخ این پرسش شدند.

لیف رستروف، استاد مؤسسه ریاضیات کاربردی دانشگاه نیویورک و نویسنده ارشد این مطالعه که در نشریه Physical Review Letters منتشر شده، می‌گوید: ما با ترکیب آزمایش‌های دقیق آزمایشگاهی و مدل‌های ریاضی توانستیم توضیح دهیم که آبپاش معکوس چگونه عمل می‌کند. در واقع ما دریافتیم که این آبپاش هنگام مکش آب، در جهت مخالف با زمانی که آب را بیرون می‌پاشد می‌چرخد و نکته جالب آن‌جاست که این پدیده بسیار ظریف و شگفت‌انگیز است.

رفتار معکوس و مرموز

رستروف در ادامه توضیح می‌دهد: آبپاش معمولی مانند یک موشک عمل می‌کند، چون با بیرون‌راندن آب، نیروی پیش‌ران تولید می‌کند. اما رفتار آبپاش معکوس مرموزتر است، چون مکش آب شبیه جتی که در موشک وجود دارد نیست. راز این رفتار درون خود آبپاش پنهان است؛ جایی که جت‌هایی وجود دارند که حرکت آبپاش را توضیح می‌دهند.

این پژوهش توانسته پاسخی برای یکی از قدیمی‌ترین و دشوارترین مسائل فیزیک سیالات ارائه دهد. هرچند به گفته رستروف، استفاده عملی از آبپاش معکوس چندان فراگیر نیست. «نیازی به خشک‌کردن چمن‌ها نداریم!» اما اهمیت این تحقیق در کشف اصول فیزیکی نهفته در آن است، اصولی که می‌توانند به توسعه فناوری‌هایی منجر شوند که با استفاده از سیالات، حرکت و نیرو تولید می‌کنند.

آزمایشی دقیق با طراحی بی‌نظیر

در این تحقیق، تصویرسازی از فرایند با استفاده از رنگ‌های فلورسنت و ذرات معلق در آب انجام شد تا حرکت سیال بهتر مشاهده شود. در این فرایند از لیزر برای نوردهی و از دوربین‌های پرسرعت برای ثبت حرکات استفاده شد.

برای رسیدن به نتیجه‌ای قابل‌اعتماد، پژوهشگران آبپاش‌هایی را با طراحی اختصاصی تولید کرده و آن‌ها را درون مخازنی از آب قرار دادند که امکان پمپاژ یا مکش آب در نرخ‌های قابل‌کنترل را فراهم می‌کرد. همچنین بلبرینگ‌های خاصی طراحی شد که چرخش آزاد دستگاه را با کمترین اصطکاک ممکن سازد. این طراحی نوآورانه، مشاهده مستقیم حرکت داخلی و بیرونی آب را ممکن کرد—کاری که پیش‌ازاین هیچ‌گاه انجام نشده بود.

رفتار متفاوت، اما سازوکار مشابه

نتایج آزمایش نشان داد آبپاش معکوس تقریباً ۵۰ برابر کندتر از آبپاش معمولی می‌چرخد، اما مکانیسم کلی هر دو شبیه به یکدیگر است. آبپاش معمولی مانند یک موشک عمل می‌کند که با بیرون‌راندن جت آب، نیروی چرخشی ایجاد می‌کند. اما در مدل معکوس، این جت‌ها درون محفظه مرکزی ایجاد می‌شوند؛ درست جایی که لوله‌ها به هم می‌رسند.

پژوهشگران دریافتند دو جت داخلی درون آبپاش به یکدیگر برخورد می‌کنند، اما برخورد آن‌ها کاملاً متقارن نیست. همین نامتقارن بودن باعث ایجاد نیرویی چرخشی در جهت معکوس می‌شود. مدل ریاضی آن‌ها نیز این مشاهدات را تأیید کرد و نشان داد چگونه همین اثر کوچک منجر به چرخش معکوس آبپاش می‌شود.

افق‌هایی تازه برای انرژی‌های تجدیدپذیر

بِرِنان اسپریـنکل، استاد دانشگاه Colorado School of Mines و یکی از نویسندگان مقاله، معتقد است این مطالعه درک ما را از شرایطی که در آن جریان سیال باعث حرکت سازه‌ها می‌شود، بهبود می‌بخشد.

او می‌گوید: ما حالا درک بسیار بهتری از چگونگی تأثیر جریان‌های سیال در درون ساختارها برای ایجاد حرکت داریم. روش‌هایی که ما در این تحقیق به کار بردیم، می‌تواند در بسیاری از کاربردهای عملی که به تعامل هوا یا آب با تجهیزات وابسته‌اند، مفید باشد.

نگاه جدیدی به سیالات

پاسخ به معمایی که بیش از یک قرن ذهن فیزیک‌دانان را به خود مشغول کرده بود، حالا نه‌تنها فهم ما از سیالات را دگرگون کرده، بلکه چشم‌اندازهای جدیدی برای مهندسی آینده و تولید انرژی پاک پیش روی ما می‌گذارد.

آبپاشی که در سکوت و کندی، در خلاف جهت چرخش عادی‌اش می‌چرخد، نشان داد که علم، حتی در ساده‌ترین ابزارها نیز رازهایی شگفت‌انگیز پنهان کرده است؛ رازهایی که تنها بادقت، کنجکاوی و نوآوری می‌توان آن‌ها را آشکار کرد.

منبع: همشهری