Innaffiare il prato può essere sia pratico che divertente con i cosiddetti "irrigatori sciocchi", quei deliziosi aggeggi di plastica che spruzzano acqua in anelli e spirali divertenti. Ma sotto la loro superficie giocosa si nasconde un serio problema di fisica che ha sconcertato gli scienziati per oltre un secolo. I ricercatori del Courant Institute della New York University hanno ora affrontato il problema dell'irrigatore inverso - reso popolare dal fisico Richard Feynman - sperimentando con irrigatori sciocchi costruiti da loro stessi. I loro risultati, pubblicati sugli Atti della National Academy of Sciences, supportano una teoria chiamata teoria del flusso di quantità di moto e sfatano le ipotesi precedenti sia di Ernst Mach che di Feynman.

Il problema dell'irrigatore inverso risale a un esperimento mentale nel libro di testo di Ernst Mach del 1883. Mach propose che un irrigatore che aspira acqua non ruoterebbe, poiché le forze sull'ugello si annullerebbero. Feynman, da studente laureato a Princeton negli anni '40, discusse famosamente la questione e costruì un esperimento nel laboratorio del ciclotrone, osservando solo un leggero tremore. Ma esperimenti successivi produssero risultati contrastanti: alcuni mostrarono una rotazione inversa costante, altri solo un movimento transitorio, e alcuni cambiamenti instabili di direzione.

Nel 2024, il matematico applicato della NYU Leif Ristroph e il suo team hanno costruito un irrigatore personalizzato con cuscinetti a bassissimo attrito, lo hanno immerso in acqua e hanno usato coloranti e laser per tracciare il flusso. Hanno scoperto che l'irrigatore inverso ruota 50 volte più lentamente di uno normale, ma attraverso meccanismi simili - come un "razzo al contrario" in cui getti interni collidono e producono coppia. Il loro modello matematico, la teoria del flusso di quantità di moto, corrispondeva agli esperimenti ma testava solo bracci a forma di S.

Ora, Ristroph e colleghi estendono quel lavoro a irrigatori sciocchi di varie forme, testando sia la modalità diretta che quella inversa. I risultati supportano fortemente la teoria del flusso di quantità di moto e contraddicono le idee di Mach e Feynman. Hanno anche mostrato che la forma del braccio controlla il flusso del getto, offrendo linee guida per progettare strutture come turbine che convertono i flussi fluidi in energia. "I nostri risultati forniscono una comprensione più solida di come i componenti rispondono ai flussi fluidi - conoscenza che può guidare futuri progressi ingegneristici e tecnologici", ha detto il coautore Brennan Sprinkle della Colorado School of Mines.

Il laboratorio di Ristroph ha una storia di affrontare enigmi colorati: nel 2018, hanno perfezionato la ricetta delle bolle; nel 2021, hanno studiato le "foreste di pietra" cinesi; nel 2021, hanno costruito una valvola Tesla funzionante; e nel 2022, hanno analizzato l'aerodinamica degli aeroplani di carta. Perché a volte la fisica più profonda viene dai giocattoli più sciocchi.