Enerjide maliyetleri düşürecek formül: Feynman'ın fiski̇ye problemi̇ çözüldü

Fizik dünyasında yaklaşık 140 yıldır tartışılan “tersine çalışan sulama fıskiyesi” problemi çözüme kavuştu. New York Üniversitesi ile Colorado Maden Okulu araştırmacıları, suyu dışarı püskürtmek yerine içine çeken bir fıskiyenin hareketini deneysel ve matematiksel olarak inceleyerek cihazın geriye doğru dönmesinin nedenini ortaya koydu. İlk kez 1883 yılında fizikçi Ernst Mach tarafından gündeme getirilen problem, daha sonra Richard Feynman’ın yaptığı deneylerle tanındı. Temel soru, suya batırılan bir fıskiyenin akış yönü tersine çevrildiğinde hangi yönde hareket edeceğiydi.

MOMENTUM AKISI TEORİSİYLE AÇIKLANDI

Araştırma ekibi, ters yönde çalışan fıskiyenin hareketini açıklamak için momentum akısı teorisinden yararlandı. Deneylerde, suyu içine çeken sistemin içindeki akışın oluşturduğu kuvvet nedeniyle fıskiyenin geriye doğru döndüğü belirlendi. Araştırmacılara göre dönüş, cihazın içindeki su jetlerinin merkezden hafifçe uzakta ve tam karşı karşıya gelmeden çarpışmasından kaynaklanıyor. Bu çarpışma, sıvının açısal momentumunu değiştirerek fıskiye üzerinde ters yönlü bir tork oluşturuyor. Yapılan ölçümlerde, ters yöndeki hareketin bazı koşullarda geleneksel bir fıskiyenin dönüş hızının 50 katına kadar çıkabildiği görüldü.

FARKLI TASARIMLARDA TEST EDİLDİ

Araştırmacılar, teorinin yalnızca standart S biçimli fıskiyelerde geçerli olup olmadığını belirlemek amacıyla farklı geometrilere sahip modeller üretti. Döngüler, çeşitli konturlar ve karmaşık iç akış yolları içeren fıskiyeler hem su püskürtme hem de su çekme düzeninde test edildi. Deneylerde tork değerleri ölçüldü, cihazların içindeki sıvı yolları haritalandı ve dış akışlar takip edildi. Sonuçlar, fıskiyenin biçimi değişse de hareketi belirleyen temel mekanizmanın aynı kaldığını gösterdi. Momentum akısı teorisinin, püskürtme başlığının geometrisinden bağımsız olarak incelenen bütün tasarımlarda geçerli olduğu belirlendi.

AKIŞIN YÖNÜ TASARIMLA KONTROL EDİLEBİLİYOR

Çalışmada, fıskiye kollarının dış biçiminde yapılan değişikliklerin cihazın içindeki sıvı akışını ve ortaya çıkan dönüş kuvvetini etkilediği de tespit edildi. Böylece akışın yönünün ve mekanik davranışın tasarım yoluyla kontrol edilebileceği gösterildi. Araştırmanın yazarlarından New York Üniversitesi Courant Matematik Bilimleri Enstitüsü Doçenti Leif Ristroph, çalışmanın Feynman problemine momentum akısı üzerinden kesin bir açıklama getirdiğini belirtti. Ristroph, elde edilen sonuçların akışkan sistemlerinin mekanik işleyişi ve verimliliğine ilişkin mühendislik çalışmalarında da kullanılabileceğini ifade etti.

TÜRBİN VE HİDROLİK SİSTEMLERE UYARLANABİLİR

Araştırmadan elde edilen veriler, sıvı akışının hassas biçimde kontrol edildiği türbin, pompa ve hidrolik sistemlerin tasarımında kullanılabilecek bilgiler sunuyor. Yeni matematiksel modelin, enerji dönüştürücü türbinlerde, hidroelektrik santral bileşenlerinde ve endüstriyel hidrolik ekipmanlarda akış kaynaklı enerji kayıplarının ve mekanik aşınmanın incelenmesine katkı sağlaması öngörülüyor.