پاسخِ یکصدسالهٔ معما در آزمایشگاهِ نیویورک
معمایِ «رشاشِ معکوس» که بیش از یک قرن فیزیکدانان را به خود مشغول کرده بود، سرانجام با تکیه بر آزمایشهای نوین روشن شد. محققانِ مؤسسهٔ کورانتِ دانشگاهِ نیویورک در مطالعهای جدید که در نشریاتِ آکادمیِ ملیِ علوم منتشر شد، نشان دادند که اصولِ حاکم بر رشاشِ معکوس دقیقاً در طرحهای مختلفِ رشاشهای زینتی یا «رشاشهای احمقانه» نیز صادق است. این پرسش که آیا مکشِ آب باعثِ چرخشِ لوله به سمتِ داخل میشود یا خیر، سالها ذهنِ محققان را درگیر کرده بود.
از آزمایشهایِ اولیه تا کشفِ نیویورک
ریشهٔ این تردید به کتابِ «علمِ مکانیک»ِ ارنستِ ماخ در سالِ 1883 بازمیگردد. ماخ استدلال میکرد که در حالتِ پایدار، نیرویِ واکنشی که نوکِ لوله هنگامِ مکشِ آب به آن وارد میشود، در خلافِ جهتِ عقربههای ساعت میچرخد، در حالی که جریانِ واردشده در جهتِ عقربههای ساعت فشار میآورد. این دو نیرو یکدیگر را خنثی میکنند. ریچاردِ فینمن در دههٔ 1940 این مفهوم را به اوجِ شهرت رساند و حتی آزمایشی در سیکلوترونِ دانشگاهِ پرینستون طراحی کرد تا فرضیهٔ خود را محک بزند. فینمن در خاطراتِ خود نوشت که پاسخ به نظر پیشپافتاده میرسید، اما اختلافِ نظرِ شدید میانِ محققان باعث شده بود هر کسی چیزی کاملاً واضح و متضاد با دیگری ببیند. آزمایشِ عملیِ فینمن تنها یک لرزشِ لحظهای هنگامِ پمپاژِ اولیهٔ آب نشان داد و سپس رشاش به حالتِ سکون بازگشت.
چرا رشاشهایِ بازیگوش کلیدِ حلِ معما شدند؟
مشاهدهٔ مستقیمِ چرخش در رشاشهای زینتی که جتهایِ آب را به شکلِ مارپیچ و حلقه درمیآورند، دیدگاهی نو پیشِ محققان گذاشت. وقتی آب از این لولههایِ خمیده و پیچیده با سرعت عبور میکند، توزیعِ فشار و سرعت در بخشهایِ مختلفِ مسیر دگرگون میشود. محققانِ نیویورک با شبیهسازی و آزمایشِ میدانی ثابت کردند که معادلاتِ پایهایِ دینامیکِ سیالات همچنان حاکم است و هیچ «موتورِ جاذبیِ خودخوانی» برای ایجادِ چرخشِ پایدار وجود ندارد. گرچه در لحظاتِ اوّل فشارِ گشتاورِ زاویهایِ خفیفی ایجاد میشود، اما به محضِ تثبیتِ جریان و رسیدنِ چرخهٔ مکش به تعادل، نیروها دقیقاً یکدیگر را خنثی میکنند.
درسِ پنهان برای آیندهٔ مهندسی
این کشف نهتنها یک پارادوکسِ کلاسیک را برای همیشه میبندد، بلکه درکِ ما از انتقالِ تکانه در لولههایِ خمیده و ناویلهایِ مکشی را نیز عمیقتر میکند. موانعِ دینامیکی و اثراتِ برشِ جریان در سیالاتِ متراکم عواملی هستند که در طراحیِ سیستمهایِ خنککنندهٔ صنعتی، پمپهایِ خلأ و حتی سامانههایِ میکروسیالی نقشِ حیاتی ایفا میکنند. ادامهٔ این خطِ تحقیقاتی میتواند راه را برای بهینهسازیِ ناویلهایی باز کند که در شرایطِ جریانِ متغیر یا فشارهایِ لحظهای قرار میگیرند و مرزهایِ فناوریِ مهندسیِ سیالات را جابهجا میکند.
