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(noticias nanowerk) Los científicos llevan décadas intentando resolver el problema de los aspersores de Feynman: ¿Cómo funciona un aspersor que funciona hacia atrás? ¿En qué dirección fluye el agua? en ello el dispositivo en lugar de sacarlo – ¿funciona? A través de una serie de experimentos, un equipo de matemáticos ha descubierto cómo los fluidos que fluyen ejercen fuerzas y mueven estructuras, revelando la respuesta a este misterio de larga data.
«Nuestro estudio resuelve el problema combinando experimentos de laboratorio de precisión con modelos matemáticos que explican cómo funciona un aspersor reversible», explica Leif Ristroph, profesor asociado del Instituto Courant de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Nueva York y autor principal del artículo del Journal. Cartas de examen físico (“Las corrientes centrífugas impulsan la rotación inversa del aspersor de Feynman”). «Descubrimos que el aspersor reversible gira en dirección ‘inversa’ u opuesta tanto durante la succión como durante la descarga, y la causa es sutil y sorprendente».
«El aspersor normal o de ‘disparo hacia adelante’ es similar a un cohete en el sentido de que se impulsa disparando chorros», añade Ristroph. “Pero el aspersor invertido es misterioso porque el agua aspirada no parece en absoluto un chorro. Descubrimos que el secreto está escondido dentro del aspersor, donde en realidad hay boquillas que explican los movimientos observados”.
La investigación responde a uno de los problemas más antiguos y difíciles de la física de fluidos. Y si bien Ristroph reconoce que comprender cómo funciona un aspersor reversible tiene un beneficio modesto: «No hay necesidad de ‘drenar’ el césped», dice, los resultados nos dan una idea de la física subyacente y de si deberíamos hacerlo. Los métodos requeridos para la ingeniería pueden mejorar los dispositivos que utilizan fluidos que fluyen para controlar movimientos y fuerzas.
«Ahora comprendemos mucho mejor las situaciones en las que el flujo de fluido a través de estructuras puede desencadenar movimiento», señala Brennan Sprinkle, profesora asistente de la Escuela de Minas de Colorado y una de las coautoras del estudio. «Creemos que estos métodos que utilizamos en nuestros experimentos serán útiles para muchas aplicaciones prácticas que involucran dispositivos que responden al flujo de aire o agua».
El problema de los aspersores Feynman se presenta típicamente como un experimento mental sobre un tipo de aspersor para césped que gira cuando un líquido, como agua, es expulsado de sus tubos o «brazos» en forma de S. La pregunta es qué sucede cuando se aspira líquido a través de los brazos: ¿gira el dispositivo, en qué dirección y por qué?
El problema está asociado con los pioneros de la física, desde Ernst Mach, que planteó el problema en la década de 1880, hasta el premio Nobel Richard Feynman, que trabajó en él y lo popularizó entre las décadas de 1960 y 1980. Desde entonces, ha generado numerosos estudios que discuten el resultado y la física subyacente, y hasta el día de hoy se presenta como un problema abierto en los libros de texto de física y mecánica de fluidos.
Para resolver el problema de los rociadores inversos, Ristroph, Sprinkle y sus coautores Kaizhe Wang, un estudiante graduado de la Universidad de Nueva York en el momento del estudio, y Mingxuan Zuo, un estudiante graduado de la Universidad de Nueva York, fabricaron dispositivos de rociadores personalizados y los sumergieron en agua, un dispositivo que empuja el agua hacia adentro o hacia afuera a un ritmo controlable. Para permitir que el dispositivo gire libremente en respuesta al flujo, los investigadores construyeron un nuevo tipo de cojinete de rotación con una fricción extremadamente baja. También diseñaron el aspersor para poder observar y medir cómo fluye el agua por fuera, por dentro y a través del aspersor.
«Esto nunca había sucedido antes y fue la clave para resolver el problema», explica Ristroph.
Para observar mejor el proceso de aspersión inversa, los investigadores agregaron tintes y micropartículas al agua, la iluminaron con láseres y capturaron los flujos con cámaras de alta velocidad.
Los resultados mostraron que un aspersor reversible gira mucho más lento que un aspersor tradicional (unas 50 veces más lento), pero los mecanismos son fundamentalmente similares. Un aspersor delantero tradicional actúa como una versión giratoria de un cohete, impulsado por agua que sale de los brazos. Un aspersor inverso actúa como un “cohete de adentro hacia afuera”, con sus boquillas disparando hacia la cámara donde se unen los brazos. Los investigadores descubrieron que los dos chorros internos chocan pero no se encuentran exactamente de frente, y su modelo matemático mostró cómo este efecto sutil crea fuerzas que hacen girar el aspersor en la dirección opuesta.
El equipo ve este avance como un beneficio potencial para el uso de fuentes de energía respetuosas con el clima.
«Hay fuentes de energía abundantes y sostenibles que fluyen a nuestro alrededor: el viento en nuestra atmósfera y las olas y corrientes en nuestros océanos y ríos», dice Ristroph. «Descubrir cómo aprovechar esta energía es un gran desafío y requiere una mejor comprensión de la física de los fluidos».
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