Het probleem wordt in verband gebracht met pioniers in de natuurkunde, van Ernst Mach, die het probleem in de jaren tachtig van de negentiende eeuw stelde, tot de Nobelprijswinnaar Richard Feynman, die er van de jaren zestig tot en met tachtig aan werkte en het populair maakte. Sindsdien heeft het talloze studies voortgebracht die debatteren over de uitkomst en de onderliggende natuurkunde – en tot op de dag van vandaag wordt het gepresenteerd als een open probleem in natuurkunde- en vloeistofmechanicaleerboeken.

Bij hun poging om het omgekeerde sprinklerprobleem op te lossen, vervaardigden Ristrof, Sprinkle en hun co-auteurs, Kaizhe Wang, een promovendus aan de NYU ten tijde van het onderzoek, en Mingxuan Zuo, een afgestudeerde student aan de NYU, op maat gemaakte sprinklerapparaten en dompelden ze onder in water. in water in een apparaat dat met controleerbare snelheden water in- of uitzuigt.

Om het apparaat vrij te laten draaien als reactie op de stroming, bouwden de onderzoekers een nieuw type roterend lager met ultralage wrijving. Ze hebben de sprinkler ook zo ontworpen dat ze konden observeren en meten hoe het water naar buiten, naar binnen en erdoorheen stroomt.

"Dit is nog nooit eerder gedaan en was de sleutel tot het oplossen van het probleem", legt Ristrof uit.

Om het omgekeerde sprinklerproces beter te observeren, voegden de onderzoekers kleurstoffen en microdeeltjes toe aan het water, belichtten ze met lasers en legden ze de stromen vast met behulp van hogesnelheidscamera's.

Uit de resultaten bleek dat een omgekeerde sprinkler veel langzamer draait dan een conventionele sprinkler (zo'n 50 keer langzamer), maar de mechanismen zijn in wezen vergelijkbaar.

Een conventionele voorwaartse sprinkler fungeert als een roterende versie van een raket die wordt aangedreven door water dat uit de armen spuit. Een omgekeerde sprinkler fungeert als een ‘binnenstebuiten-raket’, waarbij de stralen in de kamer schieten waar de armen elkaar ontmoeten. De onderzoekers ontdekten dat de twee interne jets met elkaar botsen, maar elkaar niet precies frontaal ontmoeten. Hun wiskundige model liet zien hoe dit subtiele effect krachten produceert die de sprinkler in omgekeerde richting laten draaien.

Het team beschouwt de doorbraak als potentieel gunstig voor het benutten van klimaatvriendelijke energiebronnen.

"Er stromen voldoende duurzame energiebronnen om ons heen:wind in onze atmosfeer en golven en stromingen in onze oceanen en rivieren", zegt Ristrof. "Uitzoeken hoe we deze energie kunnen oogsten is een grote uitdaging en vereist dat we de fysica van vloeistoffen beter begrijpen."

Meer informatie: Kaizhe Wang et al., Centrifugale stromen zorgen voor omgekeerde rotatie van Feynman's sprinkler, Fysieke recensiebrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.044003

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door New York University