Feynman sprinkler

Il Diavoletto di Cartesio rotante, fatto con le cannucce, presentato nel video "Le caraffine di Magiotti" è una reinvenzione di un esperimento che il giovane Richard Feynman, futuro nobel per la fisica, fece da studente nei laboratori di Princeton nei primi anni 40 (il cosiddetto "innaffiatore di Feynman", in inglese Feynman sprinkler). Il fatto è raccontato da Feynman nelle sue conversazioni “Sta scherzando Mr. Feynman” e riportato da molti biografi. Proponiamo il brano ormai classico da “Surely You're Joking, Mr. Feynman!” (1985) pag. 62-63 (nostra traduzione).



Una volta feci un esperimento nel laboratorio del ciclotrone a Princeton che ebbe risultati spiazzanti. C'era un problema in un libro di idrodinamica che veniva discusso da tutti gli studenti di fisica. Il problema è questo: Hai un innaffiatore da giardino a forma di S – un tubo a S su un perno – e l'acqua esce ad angoli retti rispetto all'asse e lo fa girare in una certa direzione. Tutti sanno da che parte gira; indietreggia rispetto all'acqua che esce. Ora la domanda è questa: Se hai un lago, una piscina – tanta acqua – e immergi completamente l'innaffiatore, e risucchi l'acqua invece di spruzzarla, da che parte girerà? Girerà dalla stessa parte di quando l'acqua esce all'aperto, o girerà a contrario?
La risposta è chiarissima a prima vista. Il problema è, uno pensa sia chiarissimo che giri da una parte, e un altro pensa sia chiarissimo che giri dall'altra. E così tutti discutevano. Ricordo che a un certo seminario, o tè, qualcuno andò dal professor John Wheeler e disse “Lei da che parte pensa che giri?”
Wheeler disse, “Ieri, Feynman mi ha convinto che giri all'indietro. Oggi mi ha convinto altrettanto bene che giri dall'altra parte. Non so di cosa mi convincerà domani!”
Ora vi dirò un argomento che vi farà pensare che va da una parte, e un altro argomento che vi farà pensare che va dall'altra, OK?
Un argomento è che quando risucchiate l'acqua, state come tirando l'acqua nell'ugello, e quindi l'ugello andrà avanti, verso l'acqua che arriva.
Ma poi si fa avanti un tipo e dice “Supponiamo di tenere l'innaffiatore fermo e ci chiediamo di che momento torcente abbiamo bisogno per tenerlo fermo. Nel caso dell'acqua che esce, sappiamo tutti che dobbiamo tenerlo fermo sull'esterno della curva, per via della forza centrifuga dell'acqua che percorre la curva. Ora, quando l'acqua percorre la curva nell'altro senso, continua a fare la stessa forza centrifuga verso l'esterno della curva. E allora i due casi sono lo stesso, e l'innaffiatore gira allo stesso modo sia spruzzando l'acqua sia risucchiandola”.
Dopo averci pensato un po', alla fine decisi qual era la mia risposta, e per dimostrarla, volevo fare un esperimento.
Nel laboratorio del ciclotrone a Princeton avevano una grande damigiana, un bottiglione d'acqua mostruoso. Pensai andasse benissimo per l'esperimento. Presi un pezzo di tubo di rame e lo piegai a S. Poi nel mezzo ci feci un foro, ci misi un tubo di gomma che infilai in un tappo forato in cima alla bottiglia. Il tappo aveva un altro foro, nel quale misi un altro tubo di gomma, e lo collegai al rifornimento d'aria del laboratorio. Immettendo aria nella bottiglia, potevo spingere fuori l'acqua esattamente come se la stessi risucchiando dal tubo a S. Ora il tubo a S non avrebbe girato, ma avrebbe oscillato (per via del tubo di gomma flessibile), e io avrei misurato la velocità del flusso d'acqua misurando quanto alta usciva dalla sommità della bottiglia.
Approntai tutto, accesi l'aria, e fece “Poop!” La pressione dell'aria aveva fatto saltare il tappo della bottiglia. Lo legai col fil di ferro perché non saltasse ancora. Ora l'esperimento andava bene. L'acqua usciva, e il tubo oscillava, e così aumentai un poco la pressione, perché con una maggiore velocità, la misura sarebbe stata più accurata. Misurai l'angolo molto attentamente, e misurai la distanza, e aumentai ancora la pressione, e improvvisamente tutto quanto esplose mandando acqua e vetro in tutte le direzioni attraverso il laboratorio. Un tipo che era venuto a vedere si bagnò completamente e dovette andare a casa a cambiarsi (è un miracolo che non si fosse tagliato col vetro), e molte fotografie della camera a bolle prese con tanta pazienza usando il ciclotrone si bagnarono, ma per qualche ragione io ero abbastanza lontano, o in una posizione che non mi bagnai poi granché. Ma ricorderò sempre come il grande Professor Del Sasso, che era responsabile del ciclotrone, venne da me e mi disse duramente, “Gli esperimenti degli studenti vanno fatti nel laboratorio degli studenti!”