Her yaz, çimler rengarenk "eğlenceli fıskiyelerle" dolar; kıvrımlı ve döngülü boruları suyu alışılmadık desenlerde püskürtür. Tasarımları eğlenceli görünse de araştırmacılar bu bahçe aletlerini fizikte onlarca yıllık ciddi bir soruyu araştırmak için kullandı.
Bu gizem, Feynman'ın Fıskiye Problemi olarak biliniyor. Sorun, bir fıskiyenin ters çalıştığında, yani suyu dışarı püskürtmek yerine kollarının içine çektiğinde ne olacağını sorguluyor. Çeşitli şekillerde fıskiyeler inşa edip test eden bir matematikçi ekibi, artık net bir deneysel yanıt üretti. Sonuçlar ayrıca hareket eden sıvıların fiziksel yapıları nasıl ittiği, büktüğü ve döndürdüğü konusunda daha geniş bir anlayış sunuyor.
New York Üniversitesi Courant Matematik, Hesaplama ve Veri Bilimi Enstitüsü'nde doçent olan ve makalenin kıdemli yazarı Leif Ristroph, "Bu çalışma, Feynman'ın Fıskiye Problemi için deneysel yanıtı, birkaç fıskiye türünde su akışlarının açısal momentumunun fıskiyelerin dönüşünü nasıl yönlendirdiğini göstererek sağlıyor," diye açıklıyor. Makale, Proceedings of the National Academy of Sciences dergisinde yayımlandı.
Fıskiye Problemi Neden Önemli?
Araştırmacılar, bulguların ünlü bir bilimsel bulmacayı çözmekten daha fazlasına yaradığını söylüyor. Nesnelerin hareket eden sıvılara nasıl tepki verdiğini anlamak, mühendislerin akan sıvılardan enerji yakalayan veya dönüştüren makineleri geliştirmesine yardımcı olabilir.
Colorado Maden Okulu'nda yardımcı doçent ve makalenin ortak yazarlarından Brennan Sprinkle, "Bulgularımız, bileşenlerin sıvı akışlarına nasıl tepki verdiğine dair daha sağlam bir anlayış sağlıyor; bu bilgi, türbinler gibi bu akışları enerjiye dönüştüren cihazlar için gelecekteki mühendislik ve teknolojik ilerlemelere rehberlik edebilir," diyor.
Ekip, Feynman'ın Fıskiye Problemini 2024'te yayımlanan çalışmalarında incelemeye başladı. Sorun, 1980'lerde fizikçi Richard Feynman'ın konuyu deneysel olarak araştırmak için yaptığı başarısız girişimleri anlatmasıyla yaygın olarak tanındı.
Bu önceki araştırma, ters bir fıskiyenin sıradan bir fıskiyeden yaklaşık 50 kat daha yavaş döndüğünü, ancak her ikisinin de yakından ilişkili fiziksel mekanizmalara dayandığını göstermişti.
Geleneksel bir fıskiye, dönen bir rokete benzer şekilde davranır. Su kollardan fışkırır ve cihazı döndüren kuvvetler üretir. Ters bir fıskiye ise daha çok "içe dönük bir roket" gibi çalışır çünkü su jetleri içe doğru hareket eder ve kolların bağlandığı merkez hazneye girer.
Bu haznenin içinde, gelen iki jet çarpışır. Ancak birbirlerine tam olarak kafa kafaya çarpmazlar. Bu hafif hizalama bozukluğu, fıskiyenin ters yönde dönmesine neden olan kuvvetler yaratır.
Ristroph, Sprinkle ve meslektaşları bu açıklamayı momentum akısı teorisi olarak tanımladı. Bu teori, dönen suyun fıskiye boyunca momentumu nasıl taşıdığına odaklanıyor.
Kıvrımlı ve Döngülü Fıskiyeleri Test Etmek
2024'teki deneyler yalnızca S şeklinde kollara sahip standart fıskiyelere odaklanmıştı. Bu, eğlenceli fıskiyelerde bulunan kavisli ve döngülü borular da dahil olmak üzere daha karmaşık formlara sahip fıskiyelerin farklı davranabileceği ihtimalini açık bıraktı.
Önceki çalışma ayrıca fıskiyenin hareketine ilişkin diğer önemli açıklamaları tamamen elememişti.
Yeni araştırma için ekip, farklı hatlara sahip bir dizi eğlenceli fıskiye inşa etti. Her cihaz iki konfigürasyonda test edildi. İleri modda, su sıradan bir çim fıskiyesinden püskürtüldüğü gibi dışarı püskürtüldü. Ters modda ise su fıskiyenin içine çekildi.
Alışılmadık şekiller, araştırmacıların aynı anda birkaç özelliği incelemesine olanak tanıdı. Fıskiyelerin nasıl döndüğünü kaydettiler, cihazların içinde ve dışında hareket eden suyu gözlemlediler ve fıskiyelerin dönmesi engellendiğinde üretilen torku veya bükülme kuvvetini ölçtüler.
Rakip Fizik Teorileri Test Ediliyor
Bilim insanları, momentum akısı teorilerini yıllar içinde öne sürülen diğer iki açıklamayla karşılaştırdı.
Birincisi 1880'lere dayanıyor ve fizikçi Ernst Mach tarafından ortaya atıldı. Bu teori, sıvının bir yönde dönerken fıskiyenin ters yönde döndüğünü öne sürüyor. Ancak Mach'ın açıklaması, yeni deneylerde ölçülen ters dönüşleri ve torkları açıklayamadı.
Feynman ve daha sonraki araştırmacılarla ilişkilendirilen ikinci bir teori, fıskiye kollarının dış uçlarının yakınında akan suya odaklanıyor. Yeni testler, ne kolların dış kısımlarının ne de etraflarında hareket eden suyun fıskiyenin hareketini veya torkunu etkilemediğini gösterdi.
Sonuçlar bunun yerine momentum akısı teorisini güçlü bir şekilde destekledi. Araştırmacılar teoriyi genişletti ve test ettikleri her fıskiye şeklinde hem ileri hem de ters çalışmayı doğru bir şekilde tanımladığını buldu.
Deneyler ayrıca kolların şeklini değiştirmenin su jetlerini değiştirebileceğini ve kontrol edebileceğini ortaya çıkardı. Bu yetenek, pratik sıvı tabanlı cihazlar tasarlarken faydalı olabilir.
Ristroph, "Momentum akısının Feynman'ın Fıskiye Probleminin cevabı olduğunu göstererek, bulgularımız akış fiziğinde uzun süredir devam eden açık bir sorunu ele alıyor ve bu cihazların nasıl çalıştığı ve etkinlikleri hakkında faydalı bilgiler sağlıyor," diye sözlerini tamamlıyor.
Makalenin diğer yazarları NYU yüksek lisans öğrencileri Jesse Smith ve Mingxuan Zuo ile NYU lisans öğrencisi Will Kuhlke oldu.
Çalışma, Ulusal Bilim Vakfı'ndan (DMS-2407787 ve DMS-2407788) alınan hibelerle desteklendi.
