几十年来，科学家们一直试图解决费曼洒水器问题：反向运行的洒水器(水流入装置而不是流出装置)如何工作?通过一系列实验，一组数学家弄清楚了流动的流体如何施加力并移动结构，从而揭示了这个长期谜团的答案。

纽约大学库朗数学科学研究所副教授、发表在《物理评论》杂志上的论文的高级作者LeifRistrop解释说：“我们的研究通过将精确的实验室实验与数学模型相结合来解决这个问题，数学模型解释了反向喷头的工作原理。”信件。

“我们发现，反向喷头在吸水时和喷水时会以‘相反’或相反的方向旋转，其原因是微妙且令人惊讶的。”

“常规或‘前向’洒水器类似于火箭，因为它通过喷射射流来推动自身，”里斯特罗夫补充道。“但是反向洒水器很神秘，因为被吸入的水看起来根本不像喷射器。我们发现秘密隐藏在洒水器内部，那里确实有喷射器可以解释观察到的运动。”

这项研究回答了流体物理学中最古老、最困难的问题之一。虽然里斯特罗夫认识到了解反向喷水器的工作原理有一定的用处——“没有必要给草坪‘浇水’，”他说，但这些发现让我们了解了基本的物理原理，以及我们是否可以改进设计所需的方法。使用流动流体来控制运动和力的装置。

“我们现在对流体流过结构会引起运动的情况有了更好的了解，”科罗拉多矿业学院助理教授、该论文的合著者之一布伦南·斯普林克(BrennanSprinkle)指出。“我们认为我们在实验中使用的这些方法对于涉及对流动空气或水做出响应的设备的许多实际应用非常有用。”

费曼洒水器问题通常被视为关于一种草坪洒水器的思想实验，当液体(例如水)从S形管或“臂”中喷出时，草坪洒水器就会旋转。问题是，如果通过手臂吸入液体会发生什么：设备是否旋转、朝什么方向旋转以及为什么?

这个问题与物理学先驱有关，从1880年代提出该问题的恩斯特·马赫，到从1960年代到1980年代致力于研究并推广该问题的诺贝尔奖获得者理查德·费曼。此后，它催生了许多研究，争论其结果和基础物理学，直到今天，它仍作为物理学和流体力学教科书中的一个开放问题提出。

为了解决反向喷水器问题，Ristrop、Sprinkle及其合著者、当时纽约大学博士生KaizheWang和纽约大学研究生MingxuanZuo定制了喷水器装置并将其浸入水中在以可控速率推入或抽出水的装置中的水中。

为了让设备根据流量自由旋转，研究人员制造了一种新型超低摩擦旋转轴承。他们还设计了洒水器，使他们能够观察和测量水在其外部、内部和流过的方式。

“这是以前从未做过的，也是解决问题的关键，”里斯特罗夫解释道。

为了更好地观察反向洒水过程，研究人员在水中添加了染料和微粒，用激光照射，并使用高速摄像机捕捉水流。

结果表明，反向喷头的旋转速度比传统喷头慢得多，大约慢50倍，但其机制基本相似。

传统的前向洒水器的作用就像火箭的旋转版本，由臂中喷出的水提供动力。反向洒水器充当“由内而外的火箭”，其喷射器在臂相​​遇的室内喷射。研究人员发现，两个内部喷射流发生碰撞，但它们并没有完全正面相遇，他们的数学模型显示了这种微妙的效应如何产生使喷头反向旋转的力。

该团队认为这一突破可能有利于利用气候友好型能源。

“我们周围有充足且可持续的能源流动——大气中的风以及海洋和河流中的波浪和水流，”里斯特罗夫说。“弄清楚如何收集这种能量是一项重大挑战，需要我们更好地了解流体的物理学。”

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：