Setiap musim panas, halaman rumput dipenuhi dengan “alat penyiram konyol” berwarna-warni, yang tabungnya berputar dan berputar sehingga air menyembur dalam pola yang tidak biasa. Desain mereka mungkin tampak lucu, tetapi para peneliti kini telah menggunakan perangkat di halaman belakang ini untuk mempelajari pertanyaan serius yang telah berusia puluhan tahun di bidang fisika.
Misteri ini dikenal dengan nama masalah alat penyiram Feynman. Dia bertanya apa yang terjadi jika alat penyiram bekerja mundur, menarik air ke dalamnya, bukan memaksanya keluar. Dengan membuat dan menguji alat penyiram dalam berbagai bentuk, tim matematikawan kini telah menghasilkan jawaban eksperimental yang jelas. Hasil penelitian ini juga memberikan pandangan yang lebih luas tentang bagaimana fluida bergerak mendorong, memelintir, dan memutar struktur fisik.
“Pekerjaan ini memberikan jawaban eksperimental terhadap masalah alat penyiram Feynman dengan menunjukkan, untuk beberapa jenis alat penyiram, bagaimana momentum sudut aliran air menentukan rotasi alat penyiram,” kata Leif Ristroph, profesor di Sekolah Matematika, Komputasi, dan Ilmu Data Courant Institute di Universitas New York dan penulis senior makalah tersebut, yang muncul di jurnal tersebut. Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
Mengapa masalah sprinkler itu penting
Para peneliti mengatakan temuan ini berguna lebih dari sekadar memecahkan teka-teki ilmiah yang terkenal. Memahami bagaimana objek merespons cairan bergerak dapat membantu para insinyur meningkatkan mesin yang menangkap atau mengubah energi dari cairan bergerak.
“Hasil kami memberikan wawasan tentang bagaimana komponen merespons aliran fluida – pengetahuan yang dapat memandu kemajuan teknis dan teknologi di masa depan untuk perangkat, seperti turbin, yang mengubah aliran ini menjadi energi,” kata Brennan Taburkan, asisten profesor di Colorado School of Mines dan salah satu penulis makalah ini.
Tim tersebut mulai mempelajari masalah alat penyiram Feynman dalam sebuah karya yang diterbitkan pada tahun 2024. Masalah ini menjadi dikenal luas pada tahun 1980-an setelah fisikawan Richard Feynman menggambarkan upayanya yang gagal untuk mempelajarinya secara eksperimental.
Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa sprinkler terbalik berputar sekitar 50 kali lebih lambat dibandingkan sprinkler biasa, meskipun keduanya bergantung pada mekanisme fisik yang berkaitan erat.
Alat penyiram konvensional berperilaku seperti roket yang berputar. Air menyembur dari lengan, menghasilkan gaya yang memutar perangkat. Alat penyiram terbalik bekerja lebih seperti “roket terbalik” karena pancaran air bergerak ke dalam dan memasuki ruang tengah tempat kedua lengan terhubung.
Di dalam ruangan ini, dua jet yang masuk bertabrakan. Namun, keduanya tidak bertabrakan secara sempurna. Ketidaksejajaran kecil ini menciptakan gaya yang menyebabkan sprinkler berputar ke arah berlawanan.
Ristroph, Sprinkle dan rekan-rekannya menggambarkan penjelasan ini sebagai teori aliran momentum, yang berfokus pada bagaimana pusaran air membawa momentumnya melalui alat penyiram.
Menguji Alat Penyiram dengan Twist dan Loop
Eksperimen tahun 2024 hanya berfokus pada alat penyiram standar dengan lengan berbentuk S. Hal ini membuka kemungkinan bahwa alat penyiram dengan bentuk yang lebih kompleks, termasuk tabung melengkung dan melingkar yang ditemukan pada alat penyiram konyol, mungkin berperilaku berbeda.
Penelitian sebelumnya juga tidak sepenuhnya mengesampingkan penjelasan utama lainnya mengenai pergerakan sprinkler.
Untuk penelitian baru ini, tim membuat koleksi alat penyiram konyol dengan kontur berbeda. Setiap perangkat diuji dalam dua konfigurasi. Dalam mode maju, air disemprotkan ke luar seperti yang dilakukan dengan alat penyiram rumput biasa. Dalam mode terbalik, air dialirkan ke dalam alat penyiram.
Bentuknya yang tidak biasa memungkinkan peneliti memeriksa beberapa fitur sekaligus. Mereka mencatat bagaimana alat penyiram berputar, mengamati air yang masuk dan keluar dari alat tersebut, dan mengukur torsi atau gaya puntir yang dihasilkan ketika alat penyiram dicegah untuk berputar.
Teori fisika yang bersaing diuji
Para ilmuwan membandingkan teori aliran momentum mereka dengan dua penjelasan lain yang diajukan selama bertahun-tahun.
Yang pertama berasal dari tahun 1880-an dan diperkenalkan oleh fisikawan Ernst Mach. Hal ini menunjukkan bahwa fluida berputar dalam satu arah sedangkan sprinkler berputar dalam arah yang berlawanan. Namun, penjelasan Mach tidak dapat menjelaskan rotasi terbalik dan torsi yang diukur selama eksperimen baru.
Teori kedua, yang dikaitkan dengan Feynman dan peneliti selanjutnya, berfokus pada air yang mengalir di dekat ujung luar lengan alat penyiram. Pengujian baru menunjukkan bahwa baik bagian luar lengan maupun air yang mengalir di sekitarnya tidak mempengaruhi pergerakan atau torsi alat penyiram.
Hasilnya cukup kuat mendukung teori aliran momentum. Para peneliti memperluas teorinya dan menemukan bahwa teori tersebut secara akurat menggambarkan operasi maju dan mundur untuk setiap bentuk sprinkler yang diuji.
Eksperimen tersebut juga mengungkapkan bahwa mengubah bentuk lengan dapat memodifikasi dan mengendalikan pancaran air. Kemampuan ini mungkin berguna ketika merancang perangkat praktis berbasis cairan.
“Dengan menunjukkan bahwa aliran momentum adalah jawaban terhadap masalah sprinkler Feynman, hasil kami mengatasi masalah terbuka yang sudah lama ada dalam fisika aliran dan memberikan wawasan yang berguna tentang cara kerja perangkat ini dan efektivitasnya,” Ristroph menyimpulkan.
Penulis makalah lainnya adalah mahasiswa pascasarjana NYU Jesse Smith dan Mingxuan Zuo, serta mahasiswa sarjana NYU Will Kuhlke.
Pekerjaan ini didukung oleh hibah dari National Science Foundation (DMS-2407787 dan DMS-2407788).
