リチャード・ファインマンは、軽薄な質問に答えるのが好きだった真面目な物理学者でした。もしかしたら数学でわかるかもしれない 最適なランチの注文方法 ?男はブラッドハウンドのように匂いを追うことができるだろうか 自分の足跡の匂いを嗅ぐ ?今回、研究者らは「ナンセンス」スプリンクラーの物理学を調べることで、ファインマンの最も興味深い未解決の質問の1つを捉えた。
S字型のノズルを備えた一般的な芝生用スプリンクラーは、2つの開口部から水を注ぎながら一定方向に回転します。しかし、そのスプリンクラーをプールに落とし、掃除機に接続して、水をスプレーするのではなく吸い込むとすると、スプリンクラーはどちらに回転しますか?前と同じ方向に回転しますか、それとも逆に回転しますか?
ファインマン その質問をした 1940年代にプリンストン大学の大学院生として。ファインマン氏によると、大学の研究室にガラス製のスプリンクラーを設置したという。それは短い「震え」を与え、その後、圧力が増加してもほとんど動きませんでした。彼はガラスが割れるまでこのプロセスを繰り返し、答えは曖昧になった。それ以来、数十年にわたるさらなる実験により、テストがどれだけ慎重に組み立てられたかに応じて、スプリンクラーが一方向に回転するか、反対方向に回転するか、前後に揺れるか、まったく動かないかなど、考えられるすべての答えが見つかりました。
2024年、応用数学者と実験物理学者が率いるニューヨーク大学のチーム レイフ・リストロフ この問題に最初の危機をもたらし、次のことを発見しました。 逆スプリンクラーが回転します 前方スプリンクラーの向かい側。しかし、この説明は通常の S 字型スプリンクラーでテストされただけであり、他の 2 つの重要な理論によって直接矛盾することはまだありませんでした。
その1つは、オーストリアの物理学者エルンスト・マッハに遡り、スプリンクラーアーム内で回転する水の全角運動量は、スプリンクラー自体の逆回転によってバランスがとれなければならないと主張しています。もう 1 つはファインマン自身に関連したもので、ノズルの非常に外側の圧力と吸引効果に焦点を当てています。
そこでリストロフ氏のチームは、もしスプリンクラーがスプリンクラーのような形をしていなかったらどうなるだろうかと考えた。もし彼の腕が螺旋を描いていたり、間違った方向に曲がっていたり、腕自身が曲がっていたりしたらどうなるでしょうか?
7月13日にジャーナルに掲載された新しい研究では PNAS 研究者らは、主要な理論を互いに争わせるために、異常なアーム形状を備えた意図的に「愚かな」スプリンクラーを 7 つ構築しました。これには、水の角運動量を最大化するために複数回螺旋を描くアームを備えたスプリンクラーと、ノズルにカウンター エンコーダーを備えたスプリンクラーが含まれています。
スプリンクラーの設計は、前進 (赤い矢印) モードと後進 (青い矢印) モードで観察される回転感覚で研究されました。
(画像クレジット: ニューヨーク大学応用数学研究所)
その過程で、彼らは両方のアイデアを破壊しました。もしマッハが正しければ、スパイラルのデザインは劇的に異なる回転をしていたはずです。ファインマンの指摘が正しければ、ノズルの曲線を逆転させればスプリンクラーの方向も逆転するはずだった。どちらも起こりませんでした。
「私たちは『ファインマンとその追随者よ、あなたたちはアウトだ』と言わざるを得ませんでした」とリストロフ氏はライブ・サイエンスに語った。
マッハの理論をテストすることを目的としたスパイラルアームスプリンクラーも同様に不屈でした。内部の流体の方がかなり多くの角運動量を持っていたとしても、「固体はほとんど気にしない」とリストロフ氏は言う。
7 つのモデルからの 3 つの測定値はすべて、アームが交わるスプリンクラーの中心ハブを示していました。そこで、入ってくる水が衝突して渦を巻き、デバイス内で角運動量の流れを生成し、固体構造がそれを押し戻します。この発見は、リバース スプリンクラーが、アームの両端で作用する同じ物理学によって支配されるフォワード スプリンクラーの裏返しバージョンにすぎないことを示唆しています。
リストロフ氏は、このプロジェクトに取り組んでいる間にニューヨーク大学で物理学の博士号を取得したばかりのジェシー・スミスと、リストロフ氏の学生からなる小規模チームとリストロフ氏の長年の共同研究者のおかげでこの結果が可能になったと指摘した。 ブレナン・スプリンクル コロラド鉱山学校の数値流体力学の専門家で、姓は偶然です。
研究チームは現在、運動量流れモデルが既に研究されている流れ条件を超えて保持できるかどうかをテストするコンピュータシミュレーションを構築しており、最終的には流体力学の基本方程式からモデルを導き出したいと考えている。
リストロフ氏は、この「ばかばかしい」問題には現実世界への応用もあり、湾曲した水路が流体の流れを回転力に変える仕組みを理解すれば、風や水流からエネルギーを回収するタービンやその他の装置の設計に役立つ可能性があると述べた。
「私たちの周囲に存在する膨大な量の風力エネルギーと水を有効活用するための機器の設計をエンジニアが支援できるようなことができれば、それはもちろん素晴らしいことです。」と彼は言いました。
Smith, JE、Zuo, M.、Kuhlke, W.、Sprinkle, B.、および Ristroph, L. (2026)。ジオメトリは、スプリンクラー問題における運動量の流れを制御します。米国科学アカデミー紀要、123。 https://doi.org/10.1073/pnas.2537479123