Un rociador Feynman , también conocido como rociador inverso Feynman o rociador inverso , es un dispositivo similar a un rociador que se sumerge en un tanque y se hace para succionar el fluido circundante . La cuestión de cómo giraría tal dispositivo fue objeto de un intenso y notablemente prolongado debate.
Un aspersor regular tiene boquillas dispuestas en ángulo sobre una rueda que gira libremente de manera que cuando se bombea agua de ellas, los chorros resultantes hacen que la rueda gire; tanto la rueda de Catherine como el aeolipile ("motor del héroe") funcionan según el mismo principio. En su lugar, un rociador "inverso" o "inverso" funcionaría aspirando el fluido circundante. El problema ahora se asocia comúnmente con el físico teórico Richard Feynman , quien lo menciona en sus exitosas memorias ¡ Seguramente estás bromeando, Sr. Feynman! El problema no se originó con Feynman, ni publicó una solución.
Historia
El primer tratamiento documentado del problema se encuentra en el capítulo III, sección III del libro de texto de Ernst Mach La ciencia de la mecánica , publicado por primera vez en 1883. [1] Allí, Mach informó que el dispositivo no mostraba "una rotación distinta". [2] A principios de la década de 1940 (y aparentemente sin tener conocimiento de la discusión anterior de Mach), el problema comenzó a circular entre los miembros del departamento de física de la Universidad de Princeton , generando un animado debate. Richard Feynman, en ese momento un joven estudiante de posgrado en Princeton, construyó un experimento improvisado dentro de las instalaciones del laboratorio de ciclotrones de la universidad . El experimento terminó con la explosión de la bombona de vidrio que estaba usando como parte de su configuración.
En 1966, Feynman rechazó una oferta del editor de Physics Teacher para discutir el problema en forma impresa y se opuso a que se llamara "el problema de Feynman", señalando en cambio la discusión del mismo en el libro de texto de Mach. [3] El problema de los rociadores atrajo mucha atención después de que se mencionara el incidente en ¡ Seguramente está bromeando, Sr. Feynman! , un libro de reminiscencias autobiográficas publicado en 1985. [4] Feynman no explicó su comprensión de la física relevante, ni describió los resultados del experimento. En un artículo escrito poco después de la muerte de Feynman en 1988, John Wheeler , quien había sido su asesor de doctorado en Princeton, reveló que el experimento en el ciclotrón había mostrado “un pequeño temblor cuando se aplicó la presión por primera vez [...] pero como el el flujo continuó, no hubo reacción ". [5] El incidente del rociador también se discute en la biografía de James Gleick de Feynman, Genius, publicada en 1992, donde Gleick afirma que un rociador no girará en absoluto si se lo hace succionar líquido. [6]
En 2005, el físico Edward Creutz (que estaba a cargo del ciclotrón de Princeton en el momento del incidente) reveló en forma impresa que había ayudado a Feynman a preparar su experimento y que, cuando se aplicó presión para forzar la salida del agua del garrafón a través de la cabeza del rociador,
Hubo un pequeño temblor, como [Feynman] lo llamó, y el cabezal del aspersor se movió rápidamente a su posición original y se quedó allí. El flujo de agua continuó con el aspersor parado. Ajustamos la presión para aumentar el flujo de agua, unas cinco veces distintas, y el aspersor no se movía, aunque el agua fluía libremente a través de él en sentido inverso [...] Entonces el garrafón explotó debido a la presión interna. Entonces apareció un conserje y me ayudó a limpiar el vidrio roto y trapear el agua. No sé qué había esperado [Feynman] que sucediera, pero mis vagos pensamientos sobre un fenómeno de inversión del tiempo estaban tan destrozados como la garrafa. [7]
Solución
El comportamiento del aspersor inverso es cualitativamente bastante distinto al del aspersor ordinario, y uno no se comporta como el otro "al revés ". La mayoría de los tratamientos teóricos publicados sobre este problema han concluido que el aspersor inverso ideal no experimentará ningún par en su estado estable. Esto puede entenderse en términos de conservación del momento angular: en su estado estacionario, la cantidad de momento angular transportado por el fluido entrante es constante, lo que implica que no hay par en el propio aspersor. Hay dos fuerzas de contrapeso: el diferencial de presión que empuja en la parte posterior de la boquilla y el agua que entra impacta en el lado opuesto. [8]
Muchos experimentos, que se remontan a Mach, no encuentran rotación del aspersor inverso. Sin embargo, en configuraciones con una fricción suficientemente baja y una alta tasa de flujo de entrada, se ha visto que el rociador inverso gira débilmente en el sentido opuesto al rociador convencional, incluso en su estado estacionario. Tal comportamiento podría explicarse por la difusión de la cantidad de movimiento en un flujo no ideal (es decir, viscoso ). [9]
Sin embargo, observaciones cuidadosas del comportamiento real de las configuraciones experimentales muestran que este giro está asociado con la formación de un vórtice dentro del cuerpo del aspersor. [10] Un análisis de la distribución real de fuerzas y presión en un rociador inverso no ideal proporciona la base teórica para explicar esto:
Las diferencias en las regiones sobre las que actúan las fuerzas internas y externas constituyen un par de fuerzas con diferentes brazos de momento compatibles con la rotación inversa. … La asimetría del campo de flujo resultante desarrollada aguas abajo de las curvas del brazo del rociador apoya el papel de los vórtices en la rotación inversa del rociador al sugerir un mecanismo para generar vórtices en una dirección consistente. [11]
Referencias
- ^ Mach, Ernst (1883). Die Mechanik en Ihrer Entwicklung Historisch-Kritisch Dargerstellt (en alemán). Leipzig: FA Brockhaus. Disponible en inglés como La ciencia de la mecánica: un relato crítico e histórico de su desarrollo (3ª ed.). Chicago: Open Court. 1919. pp. 299 -301.
- ^ Mach, Ernst (1919). La ciencia de la mecánica: un relato crítico e histórico de su desarrollo . Traducido por McCormack, Thomas J. (3ª ed.). Chicago: Open Court. págs. 301 .
- ^ Feynman, Richard P. (5 de abril de 2005). Ferynman, Michelle (ed.). Desviaciones perfectamente razonables del camino trillado: las cartas de Richard P. Feynman . Nueva York: Basic Books. págs. 209–211. ISBN 0-465-02371-1.
- ^ Feynman, Richard P. (1985). ¡Seguro que está bromeando, señor Feynman! . Nueva York: WW Norton. págs. 63–65.
- ^ Wheeler, John Archibald (1989). "El joven Feynman". La física hoy . 42 (2): 24-28. Código Bibliográfico : 1989PhT .... 42b..24W . doi : 10.1063 / 1.881189 .
- ^ Gleick, James (1992). Genio: la vida y la ciencia de Richard Feynman . Nueva York: Pantheon. págs. 106-108. ISBN 978-0-679-74704-8.
- ^ Creutz, Edward C. (2005). "Aspersor inverso de Feynman". Revista estadounidense de física . 73 (3): 198-199. Código bibliográfico : 2005AmJPh..73..198C . doi : 10.1119 / 1.1842733 .
- ^ Jenkins, Alejandro (3 de mayo de 2004). "Un tratamiento elemental del aspersor inverso" . Revista estadounidense de física . 72 (10): 1276-1282. arXiv : física / 0312087 . Código Bibliográfico : 2004AmJPh..72.1276J . doi : 10.1119 / 1.1761063 .
- ^ Jenkins, Alejandro (2011). "Cabezal de aspersor revisitado: impulso, fuerzas y flujos en la propulsión machiana". Revista europea de física . 32 (5): 1213-1226. arXiv : 0908.3190 . Código Bibliográfico : 2011EJPh ... 32.1213J . doi : 10.1088 / 0143-0807 / 32/5/009 .
- ^ Rueckner, Wolfgang (2015). "El rompecabezas de la rotación en régimen permanente de un rociador inverso" (PDF) . Revista estadounidense de física . 83 (4): 296-304. Código bibliográfico : 2015AmJPh..83..296R . doi : 10.1119 / 1.4901816 .
- ^ Beals, Joseph (2017). "Nuevos ángulos en el aspersor inverso: conciliando teoría y experimento". Revista estadounidense de física . 85 (3): 166-172. Código bibliográfico : 2017AmJPh..85..166B . doi : 10.1119 / 1.4973374 .
enlaces externos
- D3-22: Aspersor inverso - Modelo de metal , Centro de demostraciones y conferencias de física de la Universidad de Maryland
- El laboratorio del corredor Edgerton Center: Feynman Sprinkler
- Tesis de física de A. Jenkins, Caltech (ver capítulo 6)