Arroser votre pelouse peut être à la fois pragmatique et amusant avec les soi-disant « arroseurs idiots », ces charmants gadgets en plastique qui projettent de l'eau en boucles et spirales amusantes. Mais sous leur apparence ludique se cache un sérieux problème de physique qui intrigue les scientifiques depuis plus d'un siècle. Des chercheurs du Courant Institute de l'Université de New York se sont attaqués au problème de l'arroseur inverse - popularisé par le physicien Richard Feynman - en expérimentant avec des arroseurs idiots qu'ils ont fabriqués eux-mêmes. Leurs résultats, publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, soutiennent une théorie appelée théorie du flux de quantité de mouvement et réfutent les hypothèses antérieures d'Ernst Mach et de Feynman.

Le problème de l'arroseur inverse remonte à une expérience de pensée dans le manuel d'Ernst Mach de 1883. Mach proposait qu'un arroseur aspirant de l'eau ne tournerait pas, car les forces sur la buse s'annuleraient. Feynman, alors étudiant diplômé à Princeton dans les années 1940, a débattu de la question et a construit une expérience dans le laboratoire du cyclotron, n'observant qu'un léger tremblement. Mais des expériences ultérieures ont produit des résultats contradictoires : certaines montraient une rotation inverse régulière, d'autres seulement un mouvement transitoire, et certaines des changements de direction instables.

En 2024, le mathématicien appliqué de NYU, Leif Ristroph, et son équipe ont construit un arroseur personnalisé avec des roulements à ultra-faible friction, l'ont immergé dans l'eau et ont utilisé des colorants et des lasers pour suivre l'écoulement. Ils ont découvert que l'arroseur inverse tourne 50 fois plus lentement qu'un arroseur normal, mais par des mécanismes similaires - comme une « fusée inversée » où des jets internes entrent en collision et produisent un couple. Leur modèle mathématique, la théorie du flux de quantité de mouvement, correspondait aux expériences mais n'était testé que sur des bras en forme de S.

Maintenant, Ristroph et al. étendent ce travail à des arroseurs idiots de formes variées, testant à la fois les modes avant et inverse. Les résultats soutiennent fortement la théorie du flux de quantité de mouvement et contredisent les idées de Mach et de Feynman. Ils ont également montré que la forme du bras contrôle l'écoulement du jet, offrant des directives pour concevoir des structures comme des turbines qui convertissent les écoulements de fluides en énergie. « Nos résultats fournissent une compréhension plus ferme de la façon dont les composants réagissent aux écoulements de fluides - des connaissances qui peuvent guider les futures avancées techniques et technologiques », a déclaré le co-auteur Brennan Sprinkle de la Colorado School of Mines.

Le laboratoire de Ristroph a l'habitude de s'attaquer à des énigmes colorées : en 2018, ils ont perfectionné la recette des bulles ; en 2021, ils ont étudié les « forêts de pierre » chinoises ; en 2021, ils ont construit une vanne Tesla fonctionnelle ; et en 2022, ils ont analysé l'aérodynamique des avions en papier. Parce que parfois la physique la plus profonde vient des jouets les plus idiots.