Un aspersor Feynman , también conocido como aspersor inverso Feynman o aspersor inverso , es un dispositivo similar a un aspersor que se sumerge en un tanque y se hace que succione el fluido circundante . La cuestión de cómo giraría un dispositivo de este tipo fue objeto de un intenso y notablemente duradero debate. El dispositivo generalmente permanece estable sin rotación, aunque con una fricción suficientemente baja y una alta tasa de entrada, se ha visto que gira débilmente en la dirección opuesta de un aspersor convencional.
Un aspersor normal tiene boquillas dispuestas en ángulos sobre una rueda que gira libremente, de modo que cuando se bombea agua desde ellas, los chorros resultantes hacen que la rueda gire; una rueda de Catalina y la eolípila ("máquina de Hero") funcionan según el mismo principio. Un aspersor "inverso" o "al revés" funcionaría aspirando el fluido circundante. El problema ahora se asocia comúnmente con el físico teórico Richard Feynman , quien lo menciona en sus exitosas memorias ¡Seguro que está de broma, señor Feynman!. El problema no se originó con Feynman, ni publicó una solución para él.
El primer tratamiento documentado del problema se encuentra en el capítulo III, sección III, del libro de texto de Ernst Mach La ciencia de la mecánica , publicado por primera vez en 1883. [1] Allí, Mach informó que el dispositivo no mostraba "rotación distintiva". [2] A principios de la década de 1940 (y aparentemente sin conocimiento de la discusión anterior de Mach), el problema comenzó a circular entre los miembros del departamento de física de la Universidad de Princeton , generando un animado debate. Richard Feynman, en ese momento un joven estudiante de posgrado en Princeton, construyó un experimento improvisado dentro de las instalaciones del laboratorio de ciclotrones de la universidad . El experimento terminó con la explosión de la garrafa de vidrio que estaba usando como parte de su configuración.
En 1966, Feynman rechazó una oferta del editor de Physics Teacher para discutir el problema en forma impresa y se opuso a que se lo llamara "el problema de Feynman", señalando en cambio la discusión del mismo en el libro de texto de Mach. [3] El problema del aspersor atrajo mucha atención después de que el incidente fuera mencionado en ¡Seguro que está bromeando, señor Feynman!, un libro de reminiscencias autobiográficas publicado en 1985. [4] Feynman dio un argumento de por qué el aspersor debería girar en dirección hacia adelante y otro de por qué debería girar en dirección inversa; no dijo cómo o si el aspersor realmente se movía. En un artículo escrito poco después de la muerte de Feynman en 1988, John Wheeler , que había sido su asesor de doctorado en Princeton, reveló que el experimento en el ciclotrón había mostrado "un pequeño temblor cuando se aplicó la presión por primera vez [...] pero a medida que el flujo continuó no hubo reacción". [5] El incidente del aspersor también se analiza en la biografía de Feynman escrita por James Gleick , Genius, publicada en 1992, donde Gleick afirma que un aspersor no girará en absoluto si se le obliga a aspirar líquido. [6]
En 2005, el físico Edward Creutz (que estaba a cargo del ciclotrón de Princeton en el momento del incidente) reveló por escrito que había ayudado a Feynman a preparar su experimento y que, cuando se aplicó presión para forzar la salida del agua del garrafón a través del cabezal del rociador,
Hubo un pequeño temblor, como lo llamó [Feynman], y el cabezal del aspersor rápidamente volvió a su posición original y se quedó allí. El flujo de agua continuó con el aspersor estacionario. Ajustamos la presión para aumentar el flujo de agua, unas cinco veces separadas, y el aspersor no se movió, aunque el agua fluía libremente a través de él en dirección inversa [...] El garrafón explotó entonces, debido a la presión interna. Entonces apareció un conserje y me ayudó a limpiar el vidrio roto y a secar el agua. No sé qué esperaba [Feynman] que sucediera, pero mis vagos pensamientos de un fenómeno de inversión del tiempo se hicieron añicos tanto como el garrafón. [7]
En su libro, Feynman recita la pregunta de la siguiente manera: [4]
El problema es el siguiente: tienes un aspersor de césped en forma de S (un tubo en forma de S sobre un pivote) y el agua sale en ángulo recto con respecto al eje y lo hace girar en una dirección determinada. Todo el mundo sabe en qué dirección gira; se aleja del agua que sale. Ahora bien, la pregunta es la siguiente: si tuvieras un lago o una piscina (una gran reserva de agua) y colocaras el aspersor completamente bajo el agua y succionaras el agua en lugar de expulsarla, ¿en qué dirección giraría? ¿Giraría de la misma manera que cuando expulsas el agua al aire o giraría en sentido contrario?
El comportamiento del aspersor inverso es cualitativamente muy distinto al del aspersor ordinario, y uno no se comporta como el otro " jugado al revés ". La mayoría de los tratamientos teóricos publicados de este problema han llegado a la conclusión de que el aspersor inverso ideal no experimentará ningún par en su estado estacionario. Esto puede entenderse en términos de conservación del momento angular : en su estado estacionario, la cantidad de momento angular transportado por el fluido entrante es constante, lo que implica que no hay par en el aspersor en sí.
Alternativamente, en términos de fuerzas sobre una boquilla de aspersor individual, considere la ilustración de Mach. Hay:
Estas dos fuerzas son iguales y opuestas, por lo que la succión del fluido no genera ninguna fuerza neta sobre la boquilla del aspersor. Esto es similar a lo que ocurre cuando un barco se mueve cuando succiona agua: el agua que entra transfiere su impulso al barco, por lo que la succión de agua no genera ninguna fuerza neta sobre el barco. [8] [9]
Muchos experimentos, que se remontan a Mach, no encuentran rotación del aspersor inverso. En configuraciones con una fricción suficientemente baja y una alta tasa de entrada de flujo, se ha visto que el aspersor inverso gira débilmente en el sentido opuesto al aspersor convencional, incluso en su estado estable. [10] [11] Tal comportamiento podría explicarse por la difusión del momento en un flujo no ideal (es decir, viscoso ). [9] Sin embargo, la observación cuidadosa de configuraciones experimentales muestra que este giro está asociado con la formación de un vórtice dentro del cuerpo del aspersor. [12] Un análisis de la distribución real de fuerzas y presión en un aspersor inverso no ideal proporciona la base teórica para explicar esto:
Las diferencias en las regiones sobre las que actúan fuerzas internas y externas constituyen un par de fuerzas con diferentes brazos de momento consistentes con la rotación inversa. ... la asimetría del campo de flujo resultante desarrollada aguas abajo de las curvas de los brazos del aspersor respalda el papel de los vórtices en la rotación inversa del aspersor al sugerir un mecanismo para generar vórtices en una dirección consistente. [13]