Czemu zraszacz działa jak rakieta. Głowimy się od XIX w. i eureka

Zraszacz ustawiony na trawniku wygląda jak zwykły kawałek plastiku podłączony do węża. Tymczasem jego obrót prowadzi wprost do jednego z najbardziej upartych problemów mechaniki płynów. Naukowcy zbudowali serię celowo powyginanych urządzeń, odwrócili w nich kierunek przepływu i pokazali, że o ruchu decyduje pęd niesiony przez wodę oraz geometria ramion.

Woda płynie przez centralną rurkę, rozdziela się między zakrzywione ramiona i wylatuje z dysz. Urządzenie obraca się w stronę przeciwną do kierunku strumieni. Przypomina to rakietę: gaz jest wyrzucany w jedną stronę, a pojazd przyspiesza w drugą. Kłopot zaczyna się jednak po odwróceniu przepływu. Wyobraźmy sobie zraszacz zanurzony w zbiorniku, z którego pompa nie wypycha wody, lecz zasysa ją przez końcówki ramion. Czy urządzenie powinno obracać się odwrotnie niż podczas podlewania, pozostać nieruchome, a może wykonać tylko krótkie szarpnięcie przy uruchamianiu pompy?

To tzw. problem odwróconego zraszacza, dyskutowany co najmniej od XIX w. Rozpoznawalny stał się dzięki Richardowi Feynmanowi, wybitnemu fizykowi teoretykowi, który próbował zbadać go eksperymentalnie, lecz nie doprowadził sprawy do jednoznacznego finału. Późniejsze doświadczenia także dawały różne wyniki, zależne od konstrukcji, tarcia i sposobu uruchomienia przepływu.

Trudność polegała na poprawnym rozliczeniu ciśnienia, zmiany kierunku strugi, oporu, wirów i momentu pędu, czyli obrotowego odpowiednika zwykłego pędu. Wszystkie te efekty występują jednocześnie, a najważniejszy nie musi być tym najbardziej widocznym.

Jak czytamy w artykule naukowym przygotowanym przez naukowców powiązanych z New York University, jeżeli przez urządzenie w każdej sekundzie przepływa określona masa wody, która zmienia prędkość i kierunek, to razem z nią przenoszony jest pęd. Ponieważ dysze znajdują się w pewnej odległości od osi, liczy się także moment pędu. Zakrzywione ramiona nadają wypływającej wodzie kierunek styczny do obrotu. Struga opuszcza urządzenie z określonym momentem pędu, więc zraszacz otrzymuje przeciwnie skierowany moment siły. To on rozpędza konstrukcję. Porównanie z rakietą jest więc tutaj wybitnie trafne. W obu przypadkach masa opuszczająca układ zabiera ze sobą pęd.

Co ważne, bardzo istotna jest tu sama geometria ramion. Określa ona, gdzie woda przyspiesza, jak mocno zakręca i pod jakim kątem wylatuje. Dwa zraszacze zasilane takim samym ciśnieniem mogą więc obracać się inaczej. Jak pisaliśmy w tekście: Na Wenus zachodzi zjawisko jak w kuchennym zlewie. Tylko skala jest absurdalna, codzienne zachowanie cieczy potrafi być modelem dla procesów działających w zupełnie innej skali. Zraszacz również wygląda niepozornie, ale pozwala testować zasady wykorzystywane w turbinach i pompach.

Zasysanie wody komplikuje cały obraz, ponieważ na zewnątrz nie widać wąskich strug podobnych do tych wylatujących z dysz. Woda napływa do końcówek ramion z wielu kierunków, dlatego można odnieść wrażenie, że nie wnosi do układu uporządkowanego momentu pędu. Odpowiedź kryje się jednak wewnątrz urządzenia.

Po wejściu do zakrzywionych przewodów woda przyspiesza i zaczyna wirować. Krzywizna wymusza zmianę kierunku ruchu. Gdy strugi docierają do centralnej komory, nie zderzają się idealnie czołowo. Pozostaje niewielka asymetria, przez którą część momentu pędu trafia do środka konstrukcji.

Odwrócony zraszacz zachowuje się zatem jak rakieta wywinięta na drugą stronę. Strugi nie wylatują poza urządzenie, lecz powstają w jego wnętrzu. Ich zderzenie przekazuje korpusowi moment siły, który wywołuje obrót w kierunku przeciwnym do ruchu zwykłego zraszacza.

Efekt jest bardzo słaby. W precyzyjnych doświadczeniach odwrócony zraszacz obracał się około 50 razy wolniej od działającego normalnie. To tłumaczy wcześniejsze rozbieżności. Niewielki moment napędowy łatwo zagłuszało tarcie łożyska, opór przewodów, turbulencje albo krótkie szarpnięcie po uruchomieniu pompy.

Wcześniejsze badania obejmowały głównie klasyczne urządzenia z dwoma ramionami przypominającymi literę S. Taka konstrukcja mogła przypadkiem faworyzować jedno wyjaśnienie. W nowym eksperymencie badacze przygotowali więc zestaw znacznie dziwniejszych zraszaczy: z dodatkowymi pętlami, zakrętami i konturami przypominającymi ogrodowe zabawki.

Każdy model pracował w dwóch trybach. Najpierw wypychał wodę, a później był zanurzany i zasysał ją do środka. Naukowcy obserwowali przepływ wewnątrz i wokół konstrukcji, mierzyli prędkość obrotu, a także blokowali urządzenia, aby bezpośrednio określić moment siły próbujący je poruszyć.

Niektóre kształty wzmacniały wpływ zewnętrznych części ramion, inne zmieniały tworzenie się strug. Gdyby obrót był skutkiem oporu wody na zewnętrznych łukach, część modeli powinna zachowywać się inaczej. Tak się nie stało. Dla wszystkich sprawdzonych geometrii kierunek i wartość momentu siły zgadzały się z bilansem momentu pędu przenoszonego przez wodę. Kształt ramion zmieniał działanie urządzenia, ale dokładnie w sposób przewidywany przez teorię strumienia pędu.

Jedno z historycznych wyjaśnień wiązano z Ernstem Machem. W uproszczeniu zakładało ono, że płyn obracający się w jednym kierunku powinien wymuszać przeciwny obrót urządzenia. Taki obraz nie potrafił jednak odtworzyć wszystkich kierunków i wartości momentu siły zmierzonych w nowych konstrukcjach.

Drugi pomysł skupiał się na zewnętrznych końcówkach ramion oraz wodzie opływającej ich wloty. Eksperymenty pokazały, że modyfikowanie tych fragmentów nie zmieniało ruchu w sposób wymagany przez tę hipotezę. Decydujące było to, co woda robiła po wejściu do przewodów i jaki moment pędu transportowała przez układ.

Jak pisaliśmy w tekście: Zajrzeli w oko tornada na superkomputerze. Kompletnie zaskoczył ich wynik, przepływ potrafi tworzyć wiry w wielu skalach, a jego dokładne policzenie staje się ogromnym wyzwaniem. Tutaj badacze wybrali inną drogę: projektowali kolejne geometrie tak, aby po jednej eliminować konkurencyjne odpowiedzi.

Rozwiązanie problemu nie sprawi oczywiście, że podlewanie trawnika stanie się jakąś przełomową technologią. Znaczenie badania leży tak naprawdę w pokazaniu, jak precyzyjnie kształt przewodu steruje wymianą pędu między płynem a konstrukcją.

Tę samą fizykę wykorzystują turbiny, pompy oraz urządzenia czerpiące energię z wiatru, fal i prądów wodnych. Ich łopatki i kanały są projektowane tak, aby odpowiednio zakrzywiać strumień. Niewielka zmiana geometrii może zwiększyć użyteczny moment siły, zmniejszyć niepożądane obciążenia albo ograniczyć straty podczas mieszania strug.

Przeczytaj także:

Nowe doświadczenia nie są gotowym projektem lepszej turbiny. Pokazują jednak, że chcąc kontrolować obrót, trzeba kontrolować moment pędu niesiony przez przepływ, a najskuteczniejszą dźwignią bywa geometria kanałów.

Najciekawsze jest to, że do zamknięcia wieloletniego sporu nie potrzebowano gigantycznego akceleratora. Wystarczyły przezroczyste przewody, pompa, precyzyjne łożysko, kamery i zestaw zraszaczy wyglądających jak dziecięce zabawki. To dobry przykład, że proste pytania nie muszą mieć prostych odpowiedzi, a przedmioty mijane codziennie mogą nadal skrywać fizykę, której przez ponad 100 lat nie potrafiliśmy uczciwie rozliczyć.

*Źródło grafiki wprowadzającej: Q. Hưng Phạm, Pexels / Canva Pro