Investigadores del Courant Institute de la Universidad de Nueva York resolvieron el enigma del «aspersor inverso», un problema de dinámica de fluidos popularizado por el físico Richard Feynman. El estudio, publicado en los Proceedings of the National Academy of Sciences, demuestra que el movimiento del dispositivo al succionar agua depende del flujo de momento angular. A diferencia de un aspersor estándar, que rota debido a la fuerza de los chorros de agua expulsados, el aspersor inverso succiona fluido hacia adentro, creando una interacción más compleja entre el flujo interno y la resistencia del medio circundante.
El debate histórico de Ernst Mach sobre el aspersor inverso
El fin de un debate histórico iniciado por Ernst Mach
Durante décadas, el comportamiento de un aspersor que succiona agua en lugar de expulsarla ha sido objeto de debate entre físicos. El problema, que se remonta a un capítulo en el libro de texto de 1883 de Ernst Mach, The Science of Mechanics (Die Mechanik in Ihrer Entwicklung Historisch-Kritisch Dargerstellt), ganaría notoriedad mundial gracias a Richard Feynman. Mach propuso originalmente que no habría rotación, argumentando que las fuerzas de reacción del agua succionada y el flujo interno hacia la boquilla se cancelarían mutuamente en un escenario de estado estacionario.
En los años 40, mientras era estudiante de posgrado en la Universidad de Princeton, Feynman intentó resolver experimentalmente si el dispositivo rotaría o permanecería inmóvil. Feynman incluso construyó un aparato en el laboratorio de ciclotrones para probar su hipótesis, observando un ligero temblor al aplicar presión, tras lo cual el dispositivo regresaba a su posición original y permanecía quieto. Feynman describió su frustración en sus memorias de 1985, Surely You’re Joking, Mr. Feynman!, señalando la dificultad de llegar a un consenso: El problema era, un tipo pensaba que estaba perfectamente claro [que la rotación sería] en un sentido, y otro pensaba que estaba perfectamente claro en el otro sentido. Durante su vida, Feynman desalentó el uso de su nombre para el problema, reconociendo que este se basaba en ideas exploradas originalmente por Mach.
Leif Ristroph y el equipo del Courant Institute descifran el movimiento
La teoría del flujo de momento y los experimentos del Courant Institute
Un equipo de matemáticos de la Universidad de Nueva York (NYU) ha logrado finalmente descifrar el mecanismo físico que impulsa este movimiento. Los investigadores utilizaron una serie de experimentos con diferentes diseños de aspersores y una infraestructura especializada para medir las fuerzas actuantes. Este trabajo no solo resuelve el debate sobre si el dispositivo se movería, sino que aclara el papel de la inercia del fluido y los gradientes de presión en la determinación de la dirección y velocidad del movimiento.
El equipo, que ya había explorado el tema en un artículo previo publicado en 2024, logró esta vez que su aspersor inverso rotara, a diferencia de los intentos históricos de Feynman. Los investigadores encontraron que la rotación depende específicamente de cómo el fluido entra en el sistema y cómo reacciona el medio circundante ante dicha entrada.
Este trabajo proporciona la respuesta experimental para el Problema del Aspersor de Feynman al mostrar, a través de varios tipos de aspersores, cómo el momento angular de los flujos de agua impulsa la rotación de los aspersores, afirmó Leif Ristroph, autor principal y profesor asociado en el Courant Institute of Mathematical Sciences de la Universidad de Nueva York.
Brennan Sprinkle aplica los resultados a la ingeniería de turbinas
Aplicaciones prácticas más allá del laboratorio
La importancia de esta investigación trasciende un simple rompecabezas sobre un dispositivo hipotético. Al identificar los mecanismos físicos detrás del fenómeno, el equipo ha proporcionado nuevos conocimientos sobre cómo los componentes responden a los flujos de fluidos.
Brennan Sprinkle, coautor del estudio y profesor asistente en la Colorado School of Mines, señaló: Nuestros hallazgos proporcionan una comprensión más firme de cómo los componentes responden a los flujos de fluidos—conocimiento que puede guiar futuros avances de ingeniería y tecnológicos para dispositivos, tales como turbinas, que convierten estos flujos en energía.
El Applied Mathematics Laboratory de la NYU mapea la dinámica de fluidos
La investigación, que contó con visualizaciones detalladas desarrolladas por el Applied Mathematics Laboratory de la NYU, demuestra que el movimiento observado es el resultado de una compleja interacción que los físicos han intentado resolver desde mediados del siglo XX. Con estos resultados, los investigadores del Courant Institute han logrado mapear la física de un sistema que, para muchos, parecía un callejón sin salida experimental, validando que el comportamiento del aspersor está dictado por las leyes de la dinámica de fluidos que gobiernan la interacción entre el dispositivo y su entorno líquido.
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