يستخدم علماء الرياضيات “رشاشات الأطفال السخيفة” لحل لغز فيزيائي عمره عقود
قام فريق من علماء الرياضيات من جامعة نيويورك وكلية كولورادو للمناجم بحل مشكلة الرشاش، وهي لغز فيزيائي عمره عقود يتعلق بكيفية عمل الرشاش في الاتجاه المعاكس. في اختبار هذه الألعاب غير المنتظمة في الفناء الخلفي، تمكن علماء الرياضيات من تحديد كيفية تسبب قوى السوائل في دوران الرشاش عندما يتم عكس تدفقه. إنه يوضح أن الرشاش ذو الشفط العكسي يدور للخلف بسبب القوى المتولدة داخل الجهاز. قال ليف ريستروف، الأستاذ المشارك في كلية معهد كورانت للرياضيات والحوسبة وعلوم البيانات بجامعة نيويورك: “يوفر هذا العمل الإجابة التجريبية لمشكلة فاينمان في الرشاشات، من خلال إظهار كيف أن الزخم الزاوي لتدفقات المياه يدفع دوران الرشاشات، عبر العديد من أنواع الرشاشات”. تمت دراسة تصميمات الرشاشات، مع اتجاه الدوران الملحوظ في الوضعين الأمامي (السهم الأحمر) والعكس (الأزرق). الصورة مقدمة من مختبر الرياضيات التطبيقية بجامعة نيويورك، لعبة ذهنية عمرها قرن من الزمان. السؤال بسيط بشكل خادع: ماذا يحدث لرش العشب إذا غمرته في الماء وعكست التدفق، وامتصت السائل بدلاً من إطلاقه؟ هل يدور للأمام أم للخلف أم يهتز ويبقى ثابتًا تمامًا؟ اللغز يسبق العصر الذري. طرح الفيزيائي الشهير إرنست ماخ هذه المشكلة لأول مرة في عام 1883، مشيرًا إلى أن “السوائل تدور في اتجاه واحد والرشاش في الاتجاه الآخر”. وبعد عقود من الزمن، قام ريتشارد فاينمان، الحائز على جائزة نوبل، بنشر اللغز بعد محاولته الخاصة لحله، والتي انتهت بانفجار عربة زجاجية تحت ضغط عالٍ. على مدى أجيال، تصادمت النماذج الرياضية المتضاربة والتجارب المعيبة. في دراستهم الأولية لعام 2024، قدم فريق البحث “نظرية تدفق الزخم” لتوضيح أن الرشاش العكسي يعمل مثل “صاروخ من الداخل إلى الخارج”. تشرح هذه النظرية أن دوران الرشاش يحركه الزخم الزاوي لتدفقات السوائل الداخلية. ويدور إلى الخلف بمعدل 50 مرة مقارنة بالسرعة التقليدية، لأن نفاثات الماء الداخلية فيه تتصادم قليلاً خارج المركز. وأشاروا إلى أن “الباحثين اكتشفوا أن النفاثتين الداخليتين تتصادمان، لكنهما لا يلتقيان بشكل مباشر، وهو تأثير خفي ينتج قوى تدور الرشاش في الاتجاه المعاكس”. ومع ذلك، ترك هذا العمل المبكر ثغرة هائلة. لقد قامت فقط بتقييم الأذرع القياسية والأنيقة على شكل حرف S. وهذا ترك السؤال مفتوحًا حول ما إذا كانت الأشكال الهندسية الأكثر تعقيدًا وجنونًا ستتصرف بشكل مختلف، في حين تركت أيضًا النظريات التاريخية المتنافسة لم يتم دحضها بعد. قوة الأشكال السخيفة لإغلاق العلبة، قام فريق البحث بتصنيع مجموعة من الرشاشات السخيفة المخصصة التي تتميز بمجموعة متنوعة من الحلقات والخطوط الهندسية. تم اختباره في وضعي الرش الأمامي والشفط العكسي. وقمت بقياس عزم الدوران الدقيق، ورسمت مسارات السوائل الداخلية، وتتبعت التيارات الخارجية. لقد أظهر أن الحلقات لم تغير الفيزياء. قدمت التجارب “دعمًا قويًا” لنظرية تدفق الزخم التي وضعها المؤلفون، والتي صمدت في جميع الأشكال الغريبة التي تم اختبارها. إنه يثبت أن النظرية تنطبق عالميًا على الوضعين الأمامي والخلفي، بغض النظر عن شكل الرشاش. علاوة على ذلك، أظهرت الدراسة أن تعديل ملامح الأذرع يسمح بالتحكم الدقيق في تدفقات السوائل الداخلية. ولها قيمة عملية للتطبيقات الهندسية مثل توربينات تحويل الطاقة. “من خلال إظهار أن تدفق الزخم هو الحل لمشكلة فاينمان في الرشاش، فإن النتائج التي توصلنا إليها تعالج مشكلة مفتوحة طويلة الأمد في فيزياء التدفق وتوفر معرفة مفيدة حول كيفية عمل هذه الأجهزة وفعاليتها،” اختتم ريستروف. ونُشرت النتائج في مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في 13 يوليو.
تم النشر: 2026-07-13 21:07:00
