वैज्ञानिकों ने भौतिकी की उस समस्या को हल करने के लिए बच्चों के ‘मूर्खतापूर्ण स्प्रिंकलर’ का उपयोग किया जिसे रिचर्ड फेनमैन हल नहीं कर सके; रिवर्स संस्करण 50 गुना धीमी गति से घूमता है

यदि आपने कभी किसी “मूर्खतापूर्ण स्प्रिंकलर” को क्रियान्वित होते देखा है (वे चमकीले, लूपिंग उपकरण जो मोड़ते हैं और जंगली पैटर्न में पानी छिड़कते हैं) तो आपने शायद उन्हें केवल गर्मियों की मौज-मस्ती के रूप में देखा है। लेकिन गणितज्ञों के एक समूह ने इन पिछवाड़े के खिलौनों को एक प्रसिद्ध भौतिकी पहेली को सुलझाने के लिए उपकरण में बदल दिया है, जिसने नोबेल पुरस्कार विजेता भौतिक विज्ञानी रिचर्ड फेनमैन को भी चकित कर दिया है।उस पहेली को फेनमैन की स्प्रिंकलर समस्या के नाम से जाना जाता है। इसके मूल में, यह एक सरल प्रश्न पूछता है: यदि आप स्प्रिंकलर को विपरीत दिशा में चलाते हैं, तो क्या होता है, जिससे यह पानी छिड़कने के बजाय पानी को अंदर खींच लेता है?दशकों तक, उत्तर को स्पष्ट करना आश्चर्यजनक रूप से कठिन था। अब, साइंस डेली के अनुसार, मानक स्प्रिंकलर और विगली “मूर्खतापूर्ण” दोनों के प्रयोगों के लिए धन्यवाद, शोधकर्ताओं का कहना है कि आखिरकार उनके पास एक स्पष्ट, परीक्षणित स्पष्टीकरण है, और यह हमें इस बारे में बहुत कुछ बताता है कि कैसे गतिशील तरल पदार्थ अपने चारों ओर की वस्तुओं को धक्का देते हैं, मोड़ते हैं और घुमाते हैं।

प्रश्न: “रिवर्स” स्प्रिंकलर वास्तव में क्या करता है?

एक नियमित लॉन स्प्रिंकलर एक घूमने वाले रॉकेट की तरह होता है: इसकी भुजाओं से पानी निकलता है, और प्रतिक्रिया बल पूरे उपकरण को घुमा देता है। वह भाग सहज ज्ञान युक्त है. लेकिन क्या होगा अगर आप प्रवाह को उलट दें ताकि पानी अंदर की ओर खींचा जाए? इसी बात ने 20वीं सदी के मध्य में रिचर्ड फेनमैन को आकर्षित किया था। उन्होंने एक रिवर्स स्प्रिंकलर के साथ प्रयोग करने की कोशिश की, जो पानी को बाहर धकेलने के बजाय अंदर खींचता है, लेकिन उनके प्रयास अनिर्णायक थे। यह समस्या 1980 के दशक में प्रसिद्ध हो गई क्योंकि भौतिकविदों और छात्रों ने इस बात पर बहस की कि क्या स्प्रिंकलर घूमेगा, किस दिशा में और क्यों।आधुनिक प्रयोगों से पता चला है कि एक रिवर्स स्प्रिंकलर घूमता है, लेकिन सामान्य की तुलना में बहुत धीमी गति से; लगभग 50 गुना धीमी. मुश्किल हिस्सा उस गति के पीछे के तंत्र को समझना था। अंदर-बाहर रॉकेट और टकराने वाले पानी के जेटयह देखने के लिए कि क्या हो रहा है, अंदर से स्प्रिंकलर की तस्वीर लेने से मदद मिलती है।एक पारंपरिक स्प्रिंकलर में:– पानी केंद्र से भुजाओं के माध्यम से बाहर की ओर बहता है।– जैसे ही यह बाहर निकलता है, प्रवाह में गति आ जाती है जो भुजाओं को विपरीत दिशा में धकेलती है, जिससे उपकरण घूमने लगता है।

रिवर्स स्प्रिंकलर में:– पानी बाहर से भुजाओं के माध्यम से अंदर की ओर बहता है।– आने वाले जेट केंद्रीय कक्ष में मिलते हैं जहां हथियार जुड़ते हैं। महत्वपूर्ण बात यह है कि वे जेट पूरी तरह से आमने-सामने नहीं टकराते हैं। थोड़ी गड़बड़ी है. उस वजह से:– टकराते हुए पानी के प्रवाह में कोणीय गति होती है – वे घूम रहे हैं, न कि सीधे टकरा रहे हैं।– वह घूमने वाली गति स्प्रिंकलर बॉडी पर एक टॉर्क (घुमावदार बल) लगाती है।फिर स्प्रिंकलर सामान्य “स्प्रे आउट” मोड की तुलना में विपरीत दिशा में घूमता है। स्प्रिंकलर के माध्यम से प्रवाह की गति कैसे चलती है, इस पर ध्यान केंद्रित करने के इस विचार को गति प्रवाह सिद्धांत कहा जाता है। पहले के काम ने सुझाव दिया था कि यह सही उत्तर था, लेकिन इसका परीक्षण केवल साधारण एस-आकार वाले हथियारों के साथ मानक स्प्रिंकलर पर किया गया था। उन सभी अजीब आकृतियों के बारे में क्या जो हम वास्तविक जीवन में देखते हैं, जैसे लूप और ट्विस्ट के साथ मूर्खतापूर्ण स्प्रिंकलर?यहीं पर नए प्रयोग आते हैं।

मूर्खतापूर्ण स्प्रिंकलर को गंभीर प्रयोगों में बदलना

रिपोर्ट के अनुसार, सिद्धांत को आगे बढ़ाने के लिए, शोधकर्ताओं ने उन चंचल पिछवाड़े डिजाइनों से प्रेरित स्प्रिंकलर का एक संग्रह बनाया। उन्होंने घुमावदार भुजाओं, लूप और ट्विस्ट और असामान्य आकृति वाले उपकरण बनाए।फिर प्रत्येक स्प्रिंकलर को दो मोड में चलाया गया:– फॉरवर्ड मोड – एक सामान्य लॉन स्प्रिंकलर की तरह, बाहर की ओर पानी का छिड़काव।– रिवर्स मोड – फेनमैन के रिवर्स स्प्रिंकलर की तरह पानी को अंदर की ओर खींचना। जब स्प्रिंकलर चल रहे थे, टीम:– रिकॉर्ड किया गया कि वे कितनी तेजी से और किस दिशा में घूमे।– देखा कि डिवाइस के चारों ओर बांहों के अंदर और बाहर दोनों तरफ पानी कैसे बहता है।– स्प्रिंकलर को मुड़ने से रोककर और यह देखकर कि पानी ने उन्हें कितनी ताकत से घुमाने की कोशिश की, टॉर्क, घुमा बल को मापा गया। इस सेटअप ने उन्हें न केवल यह जांचने दिया कि स्प्रिंकलर घूमे या नहीं, लेकिन क्यों। विभिन्न आकृतियों का मतलब अलग-अलग प्रवाह पैटर्न है, जो इसे प्रतिस्पर्धी सिद्धांतों का एक अच्छा परीक्षण बनाता है।

पुराने विचार बनाम नये साक्ष्य

वर्षों से, रिवर्स स्प्रिंकलर कैसे व्यवहार करते हैं, इसके लिए कई स्पष्टीकरण प्रस्तावित किए गए हैं:मच का सिद्धांत (1880)भौतिक विज्ञानी अर्न्स्ट माच ने सुझाव दिया कि द्रव स्वयं एक दिशा में घूमता है जबकि स्प्रिंकलर दूसरी दिशा में घूमता है। यह एक सुंदर विचार था, लेकिन यह रिवर्स रोटेशन या आधुनिक प्रयोगों में मापे गए टॉर्क के विवरण को पूरी तरह से स्पष्ट नहीं करता था।फेनमैन-युग सिद्धांतबाद के कुछ तर्कों में स्प्रिंकलर आर्म्स के बाहरी सिरों के पास पानी की गति पर ध्यान केंद्रित किया गया, जिसमें दावा किया गया कि उन युक्तियों के चारों ओर प्रवाह गति को नियंत्रित करता है।नए प्रयोगों ने इन विचारों का परीक्षण किया: आंतरिक जेट को समान रखते हुए बाहरी प्रवाह को बदलने के लिए बांह के आकार को बदलना, और यह मापना कि क्या बाहों के बाहर के बदलावों से रोटेशन या टॉर्क में कोई फर्क पड़ता है।उन्होंने पाया कि:– भुजाओं के बाहरी हिस्सों के पास प्रवाह ने गति या घुमाने वाली ताकतों को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित नहीं किया। – मैक का स्पष्टीकरण आगे और पीछे दोनों मोड के लिए देखे गए व्यवहार से मेल नहीं खा सका।इसके बजाय, परिणाम लगातार गति प्रवाह सिद्धांत के अनुरूप होते हैं:– बांह के आकार के बावजूद, मुख्य कारक यह था कि पानी के जेट स्प्रिंकलर के केंद्रीय कक्ष के माध्यम से कोणीय गति कैसे ले जाते हैं।– जब आगे की ओर दौड़ते हैं, तो बहते हुए जेट रॉकेट निकास की तरह काम करते हैं, जिससे स्प्रिंकलर एक तरफ घूमता है।– विपरीत दिशा में चलाने पर, आने वाले जेट चैम्बर के अंदर केंद्र से टकराते हैं, जिससे स्प्रिंकलर विपरीत दिशा में चला जाता है।महत्वपूर्ण रूप से, यह परीक्षण किए गए सभी अलग-अलग “मूर्खतापूर्ण” डिज़ाइनों पर सच साबित हुआ, जिससे पता चला कि सिद्धांत केवल एक विशेष आकार के लिए एक विशेष मामला नहीं था।

यह पिछवाड़े भौतिकी से परे क्यों मायने रखता है

सतह पर, फेनमैन की स्प्रिंकलर समस्या एक विशिष्ट जिज्ञासा की तरह लगती है; कक्षा में या ग्रीष्मकालीन बारबेक्यू में पहेली बनाने के लिए कुछ। लेकिन अंतर्निहित भौतिकी अधिक व्यापक रूप से उपयोगी है। बहती तरल पदार्थों के साथ बातचीत करने वाली मशीनों को डिजाइन करते समय आम समस्याएं उत्पन्न होती हैं। पसंद करना:– टर्बाइन और जलविद्युत प्रणालियाँ – बहते पानी की गति को घूर्णी ऊर्जा में बदलना।– पंप और निस्पंदन उपकरण – पाइप और कक्षों के माध्यम से द्रव आंदोलन का प्रबंधन करना।– ऊर्जा-संचयन प्रौद्योगिकियां – समुद्री धाराओं, नदियों या औद्योगिक प्रवाह से बिजली प्राप्त करना।यह समझना कि द्रव गति टोक़ और रोटेशन में कैसे परिवर्तित होती है, इंजीनियरों को मदद करती है:– भविष्यवाणी करें कि घटक विभिन्न प्रवाह विन्यास में कैसा प्रदर्शन करेंगे।– उच्च दक्षता के लिए ब्लेड, भुजाओं या चैनलों के आकार को अनुकूलित करें।- अप्रत्याशित व्यवहार से बचें जो ऊर्जा बर्बाद करते हैं या उपकरण को नुकसान पहुंचाते हैं।मूर्खतापूर्ण स्प्रिंकलर के साथ प्रयोगों से पता चला कि हथियारों के आकार को बदलने से जेट को नियंत्रित और पुनर्निर्देशित किया जा सकता है, जिससे तरल पदार्थ संरचनाओं को धक्का देने और मोड़ने के प्रबंधन के लिए एक प्रकार का “डिज़ाइन डायल” पेश करता है।इस बात की पुष्टि करके कि गति प्रवाह कई आकारों में फेनमैन की समस्या की कुंजी है, अनुसंधान एक सामान्य ढांचे को मजबूत करता है जिसे इंजीनियर वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में उपयोग कर सकते हैं।

एक चंचल वस्तु, एक गहन सीख

खिलौनों का उपयोग करके लंबे समय से चले आ रहे भौतिकी के प्रश्न को हल करना लगभग काव्यात्मक है, जिसे बच्चे गर्मी के दिनों में देखते हैं। यह हमें याद दिलाता है कि गंभीर विज्ञान हमेशा उच्च तकनीक प्रयोगशालाओं में शुरू नहीं होता है; कभी-कभी यह सरल, परिचित चीजों और एक जिद्दी जिज्ञासा से शुरू होता है कि वे वास्तव में कैसे काम करते हैं। अंत में, फेनमैन का रिवर्स स्प्रिंकलर अपनी भुजाओं की युक्तियों पर रहस्यमय शक्तियों के कारण नहीं, बल्कि पानी की गति कैसे बहती है और इसके मूल के अंदर टकराती है, इसके कारण बदल जाती है। मूर्खतापूर्ण मोड़ और लूप यह दिखाने में मदद करते हैं कि यह सिद्धांत लागू होता है, चाहे हथियार कितने भी जटिल क्यों न दिखें।अगली बार जब आप किसी स्प्रिंकलर को आँगन में घूमता हुआ देखें, विशेष रूप से लूपिंग वाले स्प्रिंकलर में से एक को, तो क्या यह आपके देखने के तरीके को बदल देता है, यह जानने के लिए कि उन्हीं चंचल जेटों ने भौतिकी के दशकों पुराने प्रश्न का उत्तर देने में मदद की है कि पानी की गति एक साधारण उपकरण को घूमने वाली मशीन में कैसे बदल सकती है?