Das Bewässern des Rasens kann sowohl praktisch als auch unterhaltsam sein mit sogenannten „albernen Sprengern“, diesen entzückenden Plastikapparaten, die Wasser in amüsanten Schleifen und Spiralen versprühen. Doch unter ihrer verspielten Fassade verbirgt sich ein ernstes physikalisches Problem, das Wissenschaftler seit über einem Jahrhundert rätseln lässt. Forscher des Courant Institute der New York University haben sich nun des Rückwärtssprenger-Problems angenommen – popularisiert durch den Physiker Richard Feynman –, indem sie mit selbstgebauten albernen Sprengern experimentierten. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in den Proceedings of the National Academy of Sciences, stützen eine Theorie namens Impulsflusstheorie und widerlegen frühere Hypothesen sowohl von Ernst Mach als auch von Feynman.

Das Rückwärtssprenger-Problem geht auf ein Gedankenexperiment in Ernst Machs Lehrbuch von 1883 zurück. Mach schlug vor, dass ein Sprenger, der Wasser einsaugt, sich nicht drehen würde, da sich die Kräfte an der Düse aufheben würden. Feynman, damals Doktorand in Princeton in den 1940er Jahren, diskutierte das Problem bekanntermaßen und baute ein Experiment im Zyklotron-Labor, wobei er nur ein leichtes Zittern beobachtete. Spätere Experimente lieferten jedoch widersprüchliche Ergebnisse: Einige zeigten eine stetige Rückwärtsdrehung, andere nur eine vorübergehende Bewegung und wieder andere unstete Richtungswechsel.

Im Jahr 2024 baute der angewandte Mathematiker Leif Ristroph von der NYU mit seinem Team einen maßgeschneiderten Sprenger mit extrem reibungsarmen Lagern, tauchte ihn in Wasser und verwendete Farbstoffe und Laser, um die Strömung zu verfolgen. Sie fanden heraus, dass sich der Rückwärtssprenger 50-mal langsamer dreht als ein normaler, aber durch ähnliche Mechanismen – wie eine „umgekehrte Rakete“, bei der interne Strahlen kollidieren und ein Drehmoment erzeugen. Ihr mathematisches Modell, die Impulsflusstheorie, stimmte mit den Experimenten überein, testete jedoch nur S-förmige Arme.

Nun erweitern Ristroph et al. diese Arbeit auf alberne Sprenger verschiedener Formen und testen sowohl Vorwärts- als auch Rückwärtsmodi. Die Ergebnisse stützen die Impulsflusstheorie stark und widersprechen Machs und Feynmans Ideen. Sie zeigten auch, dass die Armform die Strahlströmung steuert, was Richtlinien für die Konstruktion von Strukturen wie Turbinen bietet, die Flüssigkeitsströmungen in Energie umwandeln. „Unsere Ergebnisse liefern ein festeres Verständnis dafür, wie Komponenten auf Flüssigkeitsströmungen reagieren – Wissen, das zukünftige technische und technologische Fortschritte leiten kann“, sagte Co-Autor Brennan Sprinkle von der Colorado School of Mines.

Ristrophs Labor hat eine Geschichte der Bearbeitung farbenfroher Rätsel: 2018 perfektionierten sie das Blasenrezept; 2021 untersuchten sie chinesische „Steinwälder“; 2021 bauten sie ein funktionierendes Tesla-Ventil; und 2022 analysierten sie die Aerodynamik von Papierfliegern. Denn manchmal kommt die tiefgründigste Physik von den albernsten Spielzeugen.