Cada verano, el césped se llena de coloridos “aspersores tontos”, cuyos tubos giratorios y giratorios rocían agua en patrones inusuales. Sus diseños pueden parecer caprichosos, pero los investigadores ahora han utilizado estos dispositivos de jardín para investigar una cuestión seria de la física que existe desde hace décadas.
El misterio se conoce como el problema de los aspersores de Feynman. Pregunta eso cuando un aspersor funciona al revés, empujando agua hacia su brazo en lugar de forzarla hacia afuera. Al construir y probar diferentes tamaños de aspersores, un equipo de matemáticos ha logrado una respuesta empírica clara. Sus resultados proporcionan información detallada sobre cómo los fluidos en movimiento empujan, tuercen y rotan las estructuras físicas.
“Este trabajo proporciona respuestas experimentales al problema de los aspersores de Feynman, en diferentes tipos de aspersores, cómo el momento angular del flujo de agua impulsa la rotación del aspersor”, explica Leif Ristroff, profesor asociado de informática en la Escuela de Matemáticas del Instituto Courant de la Universidad de Nueva York y autor del artículo principal en Science que aparece en Senior & Data. Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
Por qué son importantes los problemas con los rociadores
Los investigadores dicen que los hallazgos son útiles para algo más que resolver un famoso rompecabezas científico. Comprender cómo reaccionan los objetos a los fluidos en movimiento puede ayudar a los ingenieros a desarrollar máquinas que capturen o conviertan energía de los fluidos que fluyen.
“Nuestros resultados proporcionan una comprensión sólida de cómo los fluidos responden al flujo: conocimiento que puede guiar futuros avances tecnológicos y de ingeniería, como las turbinas, que convierten este flujo en energía”, señala Brennan Sprinkle, profesor asistente de la Escuela de Minas de Colorado y uno de los coautores del artículo.
El equipo comenzó a estudiar el problema de los aspersores de Feynman en un trabajo publicado en 2024. La cuestión se hizo ampliamente conocida en la década de 1980 después de que el físico Richard Feynman describiera sus propios intentos fallidos de investigarla experimentalmente.
Ese estudio anterior demostró que un aspersor inverso gira aproximadamente 50 veces más lentamente que un aspersor normal, aunque ambos dependen de procesos físicos estrechamente relacionados.
Un aspersor convencional se comporta como un cohete rodante. El agua sale disparada del arma, creando fuerzas que hacen girar el dispositivo. Un aspersor inverso funciona como un “cohete de adentro hacia afuera”, ya que los chorros de agua viajan hacia adentro y entran en la cámara central donde se conectan los brazos.
Dentro de esa cámara, dos aviones entrantes chocan. Sin embargo, no se golpean exactamente entre sí. Esta ligera desalineación crea una fuerza que hace que el aspersor gire en la dirección opuesta.
Restroff, Sprinkle y sus colegas describen esta explicación como la teoría del flujo de impulso, que se centra en cómo el agua que se mueve a través de los aspersores transmite impulso.
Prueba de aspersores con giros y bucles
Las pruebas de 2024 se centraron únicamente en aspersores estándar con brazos en forma de S. Esto deja abierta la posibilidad de que los aspersores con formas más complejas, incluidos los tubos curvos y en bucle que se encuentran en los aspersores Seeley, se comporten de manera diferente.
Investigaciones anteriores no han descartado por completo otras explicaciones importantes para el movimiento de los aspersores.
Para el nuevo estudio, el equipo creó una colección de aspersores sencillos con diferentes contornos. Cada dispositivo fue probado en dos configuraciones. En el modo de avance, el agua se rocía hacia afuera desde un aspersor de césped normal. En el modo inverso, el agua entraba en el aspersor.
Las formas inusuales permiten a los investigadores examinar varias características a la vez. Registraron cómo giraban los aspersores, observaron el movimiento del agua tanto dentro como fuera del dispositivo y midieron el par o la fuerza de torsión producida cuando se impedía que los aspersores giraran.
Examinando teorías físicas en competencia
Los científicos compararon su teoría del flujo de impulso con otras dos explicaciones propuestas a lo largo de los años.
El primero data de la década de 1880 y fue introducido por el físico Ernst Mach. Esto sugiere que el líquido gira en una dirección mientras que el aspersor gira en la dirección opuesta. Sin embargo, la explicación de Mach no pudo explicar la rotación y el par opuestos medidos durante el nuevo experimento.
Una segunda teoría, asociada con Feynman e investigadores posteriores, se centra en el agua que fluye cerca de los bordes exteriores de los brazos de los aspersores. Nuevas pruebas demostraron que el exterior de los brazos o el agua que se movía a su alrededor no afectaba la velocidad o el par del aspersor.
En cambio, los resultados apoyan firmemente la teoría del flujo de impulso. Los investigadores ampliaron la teoría y descubrieron que describía con precisión tanto el funcionamiento directo como el inverso en todos los tamaños de aspersores que probaron.
Los experimentos también revelaron que cambiar la forma de los brazos podría alterar y controlar los chorros de agua. Esta capacidad puede resultar útil a la hora de diseñar dispositivos prácticos basados en líquidos.
“Al mostrar que el flujo de impulso es la respuesta al problema de los aspersores de Feynman, nuestros hallazgos resuelven un problema abierto desde hace mucho tiempo en la física del flujo y proporcionan conocimientos útiles sobre cómo funcionan estos dispositivos”, concluyó Ristroff.
Otros autores del artículo fueron los estudiantes graduados de la Universidad de Nueva York Jesse Smith y Mingxuan Zuo, así como Will Kuhlke, un graduado de la Universidad de Nueva York.
El trabajo fue apoyado por subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias (DMS-2407787 y DMS-2407788).
