The Mesmerizing Science of Garden Sprinklers


Det er utroligt, hvor meget fysik sjov du kan have med grundlæggende hverdagslige ting. Næste gang du vander gården, skal du stoppe og se på den enkle, roterende sprinkler. Se vandstrålerne, mens de skyder ud – hvorfor danner de disse smukke lysbue strømme? En fysikers job kommer mange gange ned på at finde ud af, hvorfor verden er så smuk.

Endnu sjovere, når du først ved, hvordan noget fungerer, kan du køre små tankeeksperimenter ved at ændre tingene op. Det var hvad Destin Sandlin og Steve Mold gjorde på YouTube. Begge disse fyre har deres egne (fremragende) videnskabskanaler. Men på en eller anden måde kom de til at diskutere, hvad der ville ske, hvis du lavede en sprinkler, der skød vand indad, mod centernavet i stedet for udad. Hvis du tog et snapshot ovenfra, hvilken form ville vandstrømmene antage?

For at ordne sagen byggede Steve netop en sådan en ekstern sprinkler, og de to samlede sig på Destins Smarter Every Day-kanal for at teste det. For det første, for at forenkle problemet, prøvede de imidlertid en anden, som Steve havde lavet, der skød vandet lige udgående, væk fra navet (dvs. uden den vinklede dyse er disse sprinklere normalt nødt til at frembringe roterende tryk).

Men selv på denne var deres forudsigelser forskellige. Destin sagde, at vandet fortsatte med at bevæge sig i den rotationsretning, det havde, da det forlod røret – hvilket betyder, at det ville gå frem og ud. Steve sagde, at det ville krumme tilbage. Hvad synes du?

Her er hvad der er så interessant ved dette: Disse fyre har begge en solid forståelse af fysik, men de taler om to forskellige ting. Steve fokuserer på formen på vandstrømmen – et øjebliksbillede – og Destin hører ikke helt den. Han tænker på bevægelsen af ​​individuelle vandpartikler. Det er meget forskellige spørgsmål!

Du kan se videoen og se, hvad der sker (og hvad du bør), men der er en anden mulighed. Hvad hvis vi bare modellerer vandet som en flok små kugler i stedet for en kontinuerlig strøm? Hver kugle starter med en indledende udgangshastighed, der afhænger af sprinklerens rotation og vandets hastighed, når det kommer ud af røret. Derefter kan du se på bevægelsen fra mange af disse "vandkugler" for at se det samlede mønster. Det er hvad jeg skal gøre. Det er sandt, at du ikke rigtig forstår noget, før du kan model det!

Squirters pegede udad

Lad os starte med tilfældet med vandet skudt radialt udad fra den roterende sprinkler. Først skal vi erkende, at når en vandkugle forlader røret, er der ingen kræfter, der virker på det. (OK, der ville være tyngdekraft, men det påvirker ikke, hvad vi er interesseret i, så vi ignorerer det.) Med nul nettokraft, kører bolden med konstant hastighed (samme hastighed og retning).

Jeg vil modellere dette i Python, og jeg vil kun bruge to squirterrør for at gøre det lettere. Derefter skal jeg blot vælge nogle værdier for hastigheden på vandet, rørets længde, rotationshastigheden og antallet af vandkugler i sekundet. Her er modellen. Du kan klikke på blyantikonet for at se koden; tryk på Play for at køre det.

Som du kan se, bøjer formen på strømmen tilbage fra spinderørene. Så Steve havde ret i det. Du kan gå ind i koden og prøve forskellige antagelser for at se, hvordan tingene ændres. Hvad sker der, hvis du drejer det konceptuelle vandhanehåndtag for at øge vandets hastighed?