跳到内容 一小撮科学 新的研究确认了2024年“动量流理论”，该理论解释了水流的角动量如何驱动旋转。 版权：纽约大学应用数学实验室 在夏季给草坪浇水既实用又有趣，采用所谓的“傻喷洒器”，其设计旨在形成有趣的水射流环和螺旋。 而且，里面还有一些迷人的物理现象。 根据一项新的论文，纽约大学库朗数学研究所的研究人员对不同的傻喷洒器设计进行了系列实验，试图解答流体动力学中的一个长期问题，论文发表在《美国国家科学院院刊》上。 如先前报道的那样，反向喷洒器问题与物理学家理查德·费曼有关，因为他普及了这一概念，但它实际上可以追溯到恩斯特·马克在1883年出版的教科书《力学科学》（Die Mechanik in Ihrer Entwicklung Historisch-Kritisch Dargerstellt）中的一章。 马克的思想实验在相对默默无闻中沉寂，直到1940年代普林斯顿大学的一组物理学家开始讨论这个问题。 当时，费曼还是一名研究生，热衷于参与辩论，甚至在回旋加速器实验室设计了一个实验来测试他的假设。 有人或许会直觉认为反向喷洒器的工作方式与常规喷洒器完全一样，只是“反向播放”。 但实际物理现象更加复杂。 “答案乍看起来是完美明确的，”费曼在《你在开玩笑吧，费曼先生》（1985）中写道。“问题是，有人会认为旋转方向清晰明确，而另一个人则认为完全相反。” 马克提出，反向喷洒器不会旋转：吸水时喷嘴的反作用力会使喷嘴逆时针旋转，而流入喷嘴内部的水则向顺时针方向推喷嘴。在这种稳态情况下，这两种力相互抵消。 费曼自己的实验表明，当首次施加压力以通过喷嘴泵水时，会出现轻微抖动，然后喷洒器回到了原来的位置并保持静止。 恩斯特·马克的《力学》（1883）中“反应轮”的插图。 版权：公共领域 恩斯特·马克的《力学》（1883）中“反应轮”的插图。 版权：公共领域 但其他人则提出，如果摩擦足够低且流入速率足够高，反向喷洒器会因内部涡流的形成而朝着与普通喷洒器相反的方向旋转。 自费曼以来，各种实验结果千差万别：一些显示出稳定的反向旋转，一些仅显示出短暂旋转，还有一些产生了不稳定的旋转，方向改变或按装置的几何形状流动。 当喷洒器变得傻乎乎 时值2024年，纽约大学应用数学家莱夫·里斯特罗夫及其几位同事制造了自己的定制喷洒器，采用超低摩擦旋转轴承，使其装置能够自由旋转。他们将喷洒器浸入水中，并使用特殊装置以精确控制的流率泵水进去或抽水出来。这使得团队能够观察水如何在装置内部、外部及通过装置流动。 向水中添加染料和微小颗粒，并用激光照射，有助于捕捉高速视频中的流动。他们进行实验的时间持续几个小时，以更好地精确绘制流体流动模式。团队发现，反向喷洒器的旋转速度比普通喷洒器慢50倍，但它沿着类似的机制运作，这令他们感到惊讶。 里斯特罗夫将其行为描述为“一种从内部向外的火箭”，其中内部喷流朝着各臂相遇的腔体内喷射并相撞——但它们不会直接碰撞，这最终导致了使喷洒器反向旋转的力。 相比之下，普通喷洒器更像一枚旋转的火箭，喷流从其臂射出。 2024年实验观察到的流动模式与团队的数学模型非常一致，团队将其称为动量流理论。 然而，这并没有明确排除竞争理论。此外，团队只关注形状为S型的喷洒器。因此，这篇最新论文在之前工作的基础上，扩展实验到了他们自己创造的傻喷洒器。里斯特罗夫等人在前向模式（喷水）和反向模式（吸水）下对它们进行了测试。他们的观察结果强烈支持里斯特罗夫等人的动量流理论，并与马克和费曼的假设不一致。他们还发现，特定喷洒器的臂形状可以控制喷流，团队制定了特定的指导方针，以设计结构来控制流动，以产生扭矩和旋转。“我们的发现提供了...