Samstag, 18. Mai 2013

Feynmans inverser Wassersprinkler - Das Rätsel

Ein paar von euch haben vielleicht schon mal vom (in Physikerkreisen) berühmten Problem des inversen Wassersprinklers gehört. Populär wurde es durch Richard P. Feynman, der es in seinem Buch "Surely You're Joking, Mr. Feynman!" beschrieb und erzählte, wie er den Versuch im Zyklotron-Labor der Princeton University durchführte, ohne jedoch den Ausgang seines Experiments zu verraten.
Anschließend entstanden viele (teils widersprüchliche) Abhandlungen über dieses Problem.

A "reaction wheel," as illustrated in figure 153a,
from Ernst Mach's Mechanik, chapter III, section III, p. 2781


Der Wassersprinkler sei z. B. ein S-förmig gebogenes Rohr, das in der Mitte drehbar gelagert ist. Dort strömt auch gleichzeitig Wasser in das Rohr und wird zu den Öffnungen am Rand gedrückt, wo es austritt und durch den verursachten Rückstoß das Sprinkler-Rohr in die entgegengesetzte Richtung bewegt.
Beim inversen Sprinkler stellt man die Frage, was passiert, wenn man Wasser - anstatt es in das Rohr hinein zu pumpen - aus dem Rohr heraussaugt. (Dazu stellt man sich den ganzen Apparat am besten in einem Wassertank vor, sodass Wasser ständig nachfließen kann.)


Welche Bewegungsrichtung des Rohres beim inversen Wassersprinkler vermutet ihr, wenn sich der normale S-förmige Wassersprinkler (also der, der das Wasser auf dem Rasen verteilt) beispielsweise gegen den Uhrzeigersinn dreht?

Bewegt sich der inverse Sprinkler im Uhrzeigersinn, weil es das umgebende Wasser einsaugt und deshalb in Richtung des zuvor ruhenden Wassers gezogen wird, bzw. einfach aus dem Grund, weil eine Umkehrung der Wasserrichtung eine Umkehrung der physikalischen Resultate bewirkt?
Oder bewegt sich das Rohr in die gleiche Richtung wie im Fall des normalen Sprinklers (gegen den Uhrzeigersinn), weil das einströmende Wasser gegen die gebogenen Wände des Rohres drückt und somit einen Impuls an den Sprinkler weitergibt, der für die gleiche Bewegungsrichtung sorgt wie im umgekehrten Fall?
Oder passiert etwas ganz anderes?


Das witzige an diesem Problem, das ursprünglich Ernst Mach in seinem Buch The Science of Mechanics (1883) erwähnte, ist die Tatsache, dass sich viele sehr wiffe Leute darüben den Kopf zerbrochen haben und zu teilweise widersprüchlichen Aussagen gelangt sind, die sie jeweils aber überzeugend argumentieren konnten.
So sagen viele eine Rotation in eine Richtung vorher, während andere (z. B. Mach) zu der Schlussfolgerung gekommen sind, dass sich das Rohr überhaupt nicht bewegt.
Was passiert tatsächlich?


In einem späteren Artikel werde ich versuchen, die Lösung dieses scheinbaren Paradoxons zu erklären. Vielleicht habt ihr bis dahin einen Tipp abgegeben. ;-)


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1 Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Reaction_wheel.pdf

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