Matematikawan menggunakan ‘penyiram konyol’ anak-anak untuk memecahkan misteri fisika yang telah berusia puluhan tahun
Sebuah tim matematikawan dari Universitas New York dan Colorado School of Mines telah memecahkan Masalah Penyiram, sebuah misteri fisika berusia puluhan tahun mengenai bagaimana alat penyiram beroperasi secara terbalik. Dalam pengujian mainan di halaman belakang yang tidak menentu ini, ahli matematika mampu menentukan secara pasti bagaimana gaya fluida menyebabkan alat penyiram berputar ketika alirannya dibalik. Hal ini menunjukkan bahwa sprinkler hisap balik berputar ke belakang karena gaya yang dihasilkan di dalam perangkat. “Pekerjaan ini memberikan jawaban eksperimental untuk Masalah Penyiram Feynman dengan menunjukkan, pada beberapa jenis penyiram, bagaimana momentum sudut aliran air mendorong rotasi penyiram,” kata Leif Ristroph, seorang profesor di Sekolah Matematika, Komputasi, dan Ilmu Data Courant Institute di Universitas New York. Desain sprinkler dipelajari, dengan arah putaran yang diamati dalam mode maju (panah merah) dan mundur (biru). Gambar milik Laboratorium Matematika Terapan NYU Sebuah permainan asah otak selama satu abad Pertanyaannya tampak sederhana: Apa yang terjadi pada alat penyiram rumput jika Anda merendamnya dalam air dan membalikkan alirannya, menyedot cairan ke dalam daripada menembakkannya keluar? Apakah ia berputar ke depan, berputar ke belakang, atau sekadar bergetar dan diam? Teka-teki ini sudah ada sebelum zaman atom. Fisikawan terkenal Ernst Mach pertama kali mengemukakan masalah ini pada tahun 1883, dengan menyatakan bahwa “cairan berputar ke satu arah dan alat penyiram ke arah lain”. Beberapa dekade kemudian, peraih Nobel Richard Feynman mempopulerkan teka-teki tersebut setelah usahanya sendiri untuk memecahkannya, yang berakhir dengan ledakan kaca carboy di bawah tekanan tinggi. Selama beberapa generasi, model matematika yang saling bertentangan dan eksperimen yang cacat saling bertentangan. Dalam studi awal mereka pada tahun 2024, tim peneliti memperkenalkan “teori fluks momentum” untuk menjelaskan bahwa alat penyiram terbalik bertindak seperti “roket dari dalam ke luar.” Teori ini menjelaskan bahwa rotasi sprinkler didorong oleh momentum sudut aliran fluida internalnya. Ia berputar mundur dengan kecepatan 50 kali lipat dari kecepatan konvensional karena pancaran air internalnya bertabrakan sedikit di luar pusat. “Para peneliti menemukan bahwa dua pancaran internal bertabrakan, namun keduanya tidak bertemu secara langsung—efek halus yang menghasilkan gaya yang memutar alat penyiram secara terbalik,” kata mereka. Namun, upaya awal ini meninggalkan celah besar. Itu hanya mengevaluasi lengan standar, rapi, dan berbentuk S. Hal ini menyisakan pertanyaan apakah geometri yang lebih kompleks dan gila akan berperilaku berbeda, dan juga masih menyisakan teori-teori sejarah yang bersaing untuk dibantah. Kekuatan bentuk konyol Untuk menutup kasus ini, tim peneliti membuat serangkaian alat penyiram konyol khusus yang menampilkan beragam loop dan kontur geometris. Itu diuji dalam mode penyemprotan maju dan hisap mundur. Dan mengukur torsi yang tepat, memetakan jalur fluida internal, dan melacak arus luar. Ini menunjukkan bahwa loop tidak mengubah fisika. Eksperimen tersebut memberikan “dukungan kuat” bagi teori fluks momentum penulis, yang bertahan di semua bentuk aneh yang diuji. Hal ini membuktikan bahwa teori tersebut berlaku secara universal untuk mode maju dan mundur, apapun bentuk sprinklernya. Lebih jauh lagi, penelitian ini menunjukkan bahwa memodifikasi kontur lengan memungkinkan kontrol yang tepat terhadap aliran cairan internal. Ini memiliki nilai praktis untuk aplikasi teknik seperti turbin pengubah energi. “Dengan menunjukkan bahwa fluks momentum adalah jawaban terhadap Masalah Penyiram Feynman, temuan kami mengatasi masalah terbuka yang sudah lama ada dalam fisika aliran dan memberikan pengetahuan yang berguna tentang cara kerja perangkat ini dan efektivitasnya,” simpul Ristroph. Temuan ini dipublikasikan di jurnal Proceedings of the National Academy of Sciences pada 13 Juli.
Diterbitkan : 2026-07-13 20:07:00
sumber : interestingengineering.com
