Les scientifiques affirment avoir résolu le problème d’entretien des pelouses le plus célèbre de toute la physique.
Le problème dit du spray Feynman doit son nom à l’un des physiciens les plus célèbres du 20e siècle. Richard Feynmanmême s’il ne l’a pas mis la première fois, il n’a pas pu le résoudre.
Voici le problème : imaginez qu’un arroseur de pelouse soit immergé sous l’eau et qu’au lieu de pulvériser de l’eau, vous l’aspiriez dans votre main. L’arroseur tourne-t-il comme avant, dans la direction opposée ou ne tourne-t-il pas du tout ?
Des scientifiques dirigés par Leif Ryströf, physicien expérimental et mathématicien appliqué de l’Université de New York, affirment avoir résolu cette question. “Je crois que nous avons fourni une réponse expérimentale au problème du spray Feynman”, a déclaré le Dr Ristroff.
Les chercheurs rapportent leurs dernières découvertes Article publié lundi Dans les actes de l’Académie nationale des sciences.
“Feynman dit que le problème est résolu”, a déclaré Detlef Lohse, professeur à l’Université de Twente aux Pays-Bas, qui n’a pas participé à l’étude.
Pour comprendre le problème des arroseurs inversés et submersibles, considérons d’abord un arroseur de jardin typique en forme de S qui tourne autour d’un axe central et pulvérise de l’eau. L’eau s’écoule par le centre et hors des buses aux extrémités de deux bras incurvés, créant une force de rotation pour le pulvérisateur. La physique permettant d’expliquer ce mouvement est fondamentalement aussi simple et incontestable qu’une fusée à propulsion hydraulique.
Mais inversez la tendance et le problème se complique.
Bien que les équations décrivant le mouvement de l’eau et des embruns soient les mêmes, il n’y a pas de réponse simple. Les physiciens débattent de la question depuis que le physicien autrichien Ernst Mach l’a décrite pour la première fois en 1883.
Dans son livre M. Feynman, You’ve Gotta Be Joking, Feynman dit que c’était un sujet controversé parmi les étudiants diplômés dans les années 1940 à l’Université de Princeton.
Il présente un argument sur la façon dont un jet inversé peut tourner dans une direction, puis un argument contradictoire sur la façon dont il peut se déplacer dans une autre direction.
Il n’a pas dit quelle était, selon lui, la réponse, mais il a expliqué comment il avait mis en place une expérience pour répondre à cette question. L’appareil a explosé. “Soudain, tout a soufflé du verre et de l’eau dans toutes les directions dans le laboratoire”, a écrit Feynman.
Le Dr Ristroff a décidé de s’attaquer au problème il y a 5 ans. “Je recherchais des questions difficiles qui n’avaient pas été bien traitées, et celle-ci a retenu mon attention car elle a une histoire si tristement célèbre”, a-t-il déclaré.
L’un des collègues embauchés par le Dr Ristroff était Brennan Sprinkle, un chercheur postdoctoral qui venait tout juste de commencer à NYU. “Une version polie de ‘Hé, tu as un drôle de nom – regarde cette expérience que j’ai menée.'”
Le Dr Sprinkle a visité le laboratoire et a été intrigué par son nom ainsi que par sa science. “Ma première réaction a été oui, ce serait drôle”, a-t-il déclaré. “Et ma deuxième réaction a été : ‘Oh, en fait, c’est un sujet vraiment cool et insensible.’
Les théoriciens ont fait des prédictions contradictoires sur la direction dans laquelle le jet inversé devrait tourner. Les expériences, même celles qui n’explosaient pas comme Feynman, n’étaient pas concluantes.
Après des tests approfondis, le Dr Ristroff et ses collègues de NYU La réponse a été rapportée il y a deux ans: un arroseur submersible qui puise de l’eau tourne dans le sens inverse d’un arroseur classique.
La rotation était assez lente, environ un quarantième de la vitesse normale.
Les scientifiques ont expliqué pourquoi il tournait dans la direction opposée. Le mouvement de flexion de l’arroseur créait la force nécessaire pour propulser les deux jets d’eau entrant.
“Si vous êtes dans une voiture et que vous tournez à droite, vous allez ressentir une force, une force d’inertie allant dans la direction opposée”, a déclaré le Dr Sprinkle.
Les forces présentes dans le fluide déplacent les jets pour éviter d’entrer en collision les uns avec les autres, créant ainsi un couple qui fait tourner le jet.
Tout le monde n’était pas convaincu.
“Je n’ai jamais reçu autant de courriers haineux”, a déclaré le Dr Ristroff.
La dynamique des fluides en écoulement étant complexe, les critiques se demandent comment les chercheurs peuvent être sûrs que leurs expériences décrivant une configuration particulière sont généralement vraies.
Une nouvelle série d’expériences, décrite dans le journal de lundi, a examiné ce qui est arrivé à la forme du “spray stupide” et a testé si d’autres facteurs pouvaient changer la direction de la rotation.
Par exemple, l’argument de Feynman expliquant pourquoi un jet inversé se déplace dans la direction opposée aux observations expérimentales du Dr Rystroff est que l’aspiration au bout du bras tire le jet dans cette direction.
Si cela était vrai, ajouter un deuxième pli à chaque bras et faire face à l’ouverture changerait le sens de rotation.
“Ce n’est rien, cela n’a pas d’importance”, a déclaré le Dr Ristroff. Un pulvérisateur avec une courbure supplémentaire tourne dans le même sens qu’un pulvérisateur ordinaire en forme de S. Il en va de même pour les autres versions de spray. Le facteur le plus important était le degré de courbure près de l’axe, car il déterminait la différence entre les deux jets entrants.
Les idées alternatives sont « très fausses par rapport à ce que nous avons trouvé », a déclaré le Dr Ristroff. Cela le rend encore plus confiant dans la justesse de son interprétation du document de 2024.
Les pulvérisations immergées se déplaçant dans une direction inversée ne sont pas particulièrement applicables dans le monde réel, mais cette étude fournira une compréhension générale du mouvement complexe et cohérent d’un solide immergé dans un écoulement de fluide.
Ces connaissances peuvent ensuite être utilisées dans la conception de systèmes récupérant l’énergie des vagues ou du vent.
Le Dr Ristroff a déclaré que le problème de l’arroseur Feynman n’avait pas encore été entièrement résolu car personne n’avait été capable de produire des simulations informatiques de la manière dont l’eau exerçait une pression sur l’arroseur. Le problème est compliqué par la haute pression à l’intérieur du tuyau d’arrosage et par le fait que tout est en mouvement constant.
Aujourd’hui, le Dr Sprinkle, professeur de mathématiques appliquées et de statistiques à la Colorado School of Mines, travaille sur ce sujet.
“C’est juste une configuration numérique assez compliquée”, a déclaré le Dr Sprinkle.