i
i
“Strnad-brizgalnik” — 2010/6/16 — 14:47 — page 1 — #1 i
i
i
i
i
i
List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje
ISSN 0351-6652
Letnik 17 (1989/1990)
Številka 5
Strani 264–267
Janez Strnad:
ŠE O OBRATNEM BRIZGALNIKU
Ključne besede: fizika.
Elektronska verzija:
http://www.presek.si/17/1001-Strnad-Wheeler.pdf
c© 1990 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije
c© 2010 DMFA – založništvo
Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali
posameznih delov brez poprejšnjega dovoljenja založnika ni dovo-
ljeno.
264
ŠE O OBRATNEM BRIZGALNIKU
Do odgovora na vprašanje o obratnem brizgalniku se je najpreprosteje
dokopati po poti. ki smo jo uporabili pri brlzgalnlku (Presek 16 (1988/89)
str. 197) . Iz neznanih razlogov ta pot ni priljubljena nepri obravnavanju leta
letal ne brizgalnika in sploh ne pri razpravljanju o obratnem brizgalniku.
Zakaj leti letalo, težje od zraka? Za opazovalca na zemlji zrak pred
let alom miruje. krilo pa ga požene n avpičn o navzdol. Sprememba hitrosti
zra ka kaže nav pi čno navzdol in to smer imata t udi sprememba gibalne ko l i či n e
in sila krila na zrak. Sila zraka na krilo ima nasprotno smer. kaže navpično
navzgor. Tako preprosto je mogoce pojasniti dlns tni čni vzgon. [ l z ra č u u a t l ga
je teže. Vsi dcli zraka nimajo enake n avpi č ne komponent e hitrosti : ob krilu je
n aj v e čja , z na ra šč ajo čo razdaljo pa hitro pojema, V ra ču nu je treba upošt evati
efektlvno maso zraka, ki ga zajame krilo na sekundo , in povprečno vrednost
njegove na v pi č ne komponente hitrosti. Glej Presek 6 (1978/79) str. 241) .
Na hitro se sprehodimo po njej pri obratnem brizgalniku. čeprav privede
do enakega končnega izida. Mislimo si obratni brizgalnik v zelo veliki posodi
z rnirujo čo vodo v razmerah. ki se ne spreminjajo s časom. Del vode v
posodi pred vstopom v cev miruje. se giblje v cevi proti osi in ob osi ste če
na prosto (slika 1) . Zanimamo se le za sile v ravnini. ki je pravokotna na os.
Sprememba hitrosti dela vode ima smer radialno proti osi in to smer imata
tudi sprememba njegove gibalne količine in sila cevi na vodo. Voda deluje na
cev v nasprotni smeri. torej radialno od osi. Navor te sile glede na os je enak
nič. Obratn i brizgalnik miruje.
To ne velja. če voda v posodi ne miruje ali če se razmere spreminjajo s
časom . Priznati moramo. da za ta primer opisana preprosta pot ni uporabna .
V razmerah. ki se s časom ne spreminjajo. je dovolj. če se zanimamo le za
gibanje dela vode precej daleč od vstopa v cev in za gibanje tega dela ob
izstopu iz cevi. Ni pomembno. kaj se z delom vode dogaja med obema
točkama . Toda ko poženemo obratni brizgalnik. to ne zadostuje. Del vode
neposredno ' pred vstopom v cev spočetka miruje. Kratkotrajn a sila zaradi
tla čne razlike - v cevi je tlak manjši kot zunaj nje - pa ga pospe ši. ko
brizgalnik poženemo s tem. da priključimo tla čno razliko. Na del vode deluje
tedaj cev s kratkotrajno silo tangentno v notranjost cevi (slika 2). Voda
deluje tedaj s kratkotrajno silo v nasprotni smeri. se pravi tangentno iz cevi
navzven.
S kratkotrajno silo je povezan kratkotrajni navor. ki deluje pri obratnem
brizgalniku nasprotno kot pri brizgalniku. Zaradi njega se prožno pritrjena
cev za kratek čas odkloni. ko priključimo tla čno razliko. Nepritrjena cev se
265
sic vo de s i l a cevi
no ce v na vodo
!V2 -V1
!spr em em bagiba ln ekol ič in e
po spe č ek
kr o.kotr cjno si lo
cev i na vo d o
kratkotrajna sila
v ode na cev
o, O
navor
je O os O
I
kratkot rajn i
n a vor
Slika 1. Obravnavamo obratn i
brl zc alnlkv razmerah, ki se ne spre-
minjajo stasom . Opazovan! del vo-
de v posodi miruje, v cevi pa se
olblje proti osi s hitrostjo V2 ' Raz-
lika hitrosti določa smer sile cevi na
vodo, sila vode na cev Ima nasprotno
smer. Navor dvojice takih sil je
enak nit, obratni brlzcalnlk miruje.
ocrocnna je le velikost hitrosti v2'
zato pri obratnem zbiralni ku ne 00-
vorlmo o šobi, ampak o ustju cevi all
kar o cevI.
Sli ka 2. V razmerah, ki se spre-
minjajo s č a so m, ko poZenemo ob-
ratni brlzualn lk . moramo postopati
druuača, Ko po2enemo obratni brlz-
oalnlk, se del vode ob ustju cevi
pospeši v smeri tancentno proti no-
tranjosti cevI. Kratkotrajna sila cev i
na vodo Ima to smer, kratkotraj-
na sila vode na cev pa nasprotno .
Zaradi kratkotrajnaqa navora, ki je
povezan z dvojico takih sli, se zaene
obratni brlzoalnlk vrteti v nasprotni
smeri, kot se vrti br lz\Jalnlk . Ven-
dar se to vrtenje zaradi trenja v
le2ajlh kmalu zacust. Ko zaustavimo
obratni br lzqalnlk, nastopita kratko-
trajna sila ln kratkotrajni navor v
nasprotn i smerI.
266
Slika 3. Naprava brez le2ajev ,
k i de lu je pri poskusih ko t obratni
brlzoa lnl k all brlzc alnl k (pooled od
zcoraj ( a) ln pooled od strani (bj ).
Slika je vzeta Iz č l a nka R .E.Bero.
M .R.Col ller, The Feynman Inverse
sprinkler problem: A aemonstrs tton
and ausntttsttve analysis, American
Journal of Physlcs 37 (1989) 654 .
Posodica meri v premeru 12 cen-
t imetrov ln razdalja med nasprot-
nima ustjerna cevi 17 centimetrov .
~L- --'
za čne zelo po časi vrteti v nasprotni smeri kot pri brizgalniku . ko poženemo
obratni brizgalnik. in se zaustavi. ko prekinemo tok vode. Tedaj se namre č
del vode ob ustju cevi zaustavi zaradi kratkotrajne sile cevi tangentno iz
cevi navzven. Na cev deluje voda s kratkotrajno silo v tan gentni smeri v
notranjost. Tega pojava zaradi trenja v ležajih pri nepritrjenem obratnem
brizgalniku ni mogoče opazovati.
S posebno napravo brez ležajev pa sta ga R. E. Berg in M. R. Collier
lahko zasledovala. V steklopihaški delavnici so jima izdelali valjasto posodico
s štirimi pod pravim kotom zasukanimi cevmi (slika 3). Posodico sta dala v
ve čjo posodo z vodo . v kateri sta zračni tlak nad vodo uravnavala z gumijastim
balonom. Ko balon stisnemo , voda te če v posodico. dokler se zra čni tla k v
posodici ne izenači z zračnim tlakom v posodi. Tedaj deluje naprava kot
obratni brizgalnik. Trenja ni. upor vode na posodico pa je tako majhen. da
bi jo zaustavil šele po sto sekundah. Posodica se začne ob stiskanju vrteti s
frekvenco okoli 7 na uro in se vrti tako šest sekund. dokler balon stiskarno .
Ko vodni tok preneha. se zaustavi.
Nato balon popustimo . Zdaj je v posodi manjši tlak kot v posodici. voda
teče iz posodice . dokler se zračni tlak v posodi ne izenači z zračnim tlakom
v posodici. To traja šest sekund in tedaj deluje naprava kot brizgalnik .
Posodica se vrti ena komerno pospešeno v nasprotni smeri kot prej in doseže
največjo frekvenco okoli 1 na minuto . Ko vodni tok preneha. se zaradi upora
267
enakomerno pojernajoče ustavlja .
Posku s Američanov je vreden pozornosti. Vendar je t reba posebej
poudariti vlogo prehodnih pojavov in razlikovati od njih delovanje obratnega
brizgalnika in brizgalnika v razmerah . ki se ne spreminjajo s časom . V tem
primeru pa je daleč najpreprostejša naša razlaga.
Janez Strnad
WHEELER O OBRATNEM BRIZGALNIKU
"Ali naju je naloga iz uvodnega predavanja mehanike napeljala na to . da sva
razmišljala o znanem brizgalniku za zalivanje trate? Oblikovan kot svastika
brizga štiri vodne curke. Nasprotna sila curkov poganja krake brizgalnika .
da se vrtijo. Toda kje prijema ta sila? Ali v točki . v kateri vodni curek
nenadoma spremeni smer iz radiaine v prečno? Pa vzemimo. da kraki srkajo
vodo. namesto da bi jo brizgali. Zagotovo . sva rekla . je sila enaka. če je enaka
sprememba smeri. Zagotovo se brizgalnik vrti. če srka vodo. namesto da bi
jo brizgal. Ne. ne vrti se! Da. vrti se ! Zabavala sva se . ko sva vprašanje
zastavljala kolegom . S časom se je vse več kolegov s hodni kov odločilo za
eno ali drugo stališče. Razprava je postala vse živahnejša . Noben teorijski
razlog ni zadostoval. da bi zgladil nasprotja. Položaj je terjal poskus .
Feynman je naredil miniaturni IS-centimetrski brizgalnik iz st eklenih '
cevi in ga obesil na gibko gumijasto cev. Preskusil ga je. da deluje kot
brizgalnik. Nato je zvijajočo se zadevo zvito spravil skozi vrat velike st eklenice
z vodo. Svojo napravo je odnesel v ciklotronski laboratorij . v katerem je bil
priročen priključek za stisnjen zrak . Tega je priključil skozi drugo luknjo v
plutovinastem zamašku na steklenico. Ha! Malo se je zatreslo. ko je priključil
tlak in je voda začela teče v nasprotni smeri skozi miniaturni brizgalnik. Toda
ob mirnem toku ni bilo nasprotne sile. Potem je povečal zračni tlak. da se je
povečal tok vode . Zopet kratkotrajno tresenje ob spremembi. toda nobenega
trajnega zasuka . Dobro. še večji tlak . In več ! Bum! Steklenica se je razletela .
Voda in stekleni drobci so fr čaf po vsem ciklotronskem laboratoriju . Odtlej
Feynman ni smel več v laboratorij ."
J.A.Wheeler . The young Feynman. Physics Today 42 (1989) 24 (2)
V 4. števllkl (1988/89 ) je Presek oblavll odlomek Iz spominov znaneoa
amerlš keoa fizika Richarda Feynmana o poskusih z "obrat nim brlzoalnlkom" .
V zapisu Iz posebne številke revUe Physlcs Today, ki so jo Izda li po Feynmanovl
smrti. povzemamo spomin njeooveoa mentorja Johna Wheelerja na Isti poskus .
Iz le- teoa Jasno Izhaja oocovor. ki oa Feynman v svojih spominih ni Izdal:
obratni brlzoalnlk se ne vrtI.
Janez Strnad