잔디에 물을 주는 것은 소위 '바보 스프링클러'라고 불리는, 재미있는 고리와 나선형으로 물을 뿌리는 사랑스러운 플라스틱 장치 덕분에 실용적이면서도 재미있을 수 있습니다. 하지만 그 장난기 많은 외관 아래에는 한 세기 넘게 과학자들을 당혹스럽게 만든 심각한 물리학 문제가 숨어 있습니다. 뉴욕대학교 쿠랑 연구소의 연구진은 이제 물리학자 리처드 파인만이 대중화한 역회전 스프링클러 문제를 직접 만든 바보 스프링클러로 실험하여 해결했습니다. 그들의 연구 결과는 '국립과학원 회보'에 게재되었으며, 운동량 플럭스 이론을 지지하고 에른스트 마흐와 파인만의 초기 가설을 반박합니다.

역회전 스프링클러 문제는 1883년 에른스트 마흐의 교과서에 나온 사고 실험으로 거슬러 올라갑니다. 마흐는 물을 빨아들이는 스프링클러는 노즐에 가해지는 힘이 상쇄되어 회전하지 않을 것이라고 제안했습니다. 1940년대 프린스턴 대학원생이었던 파인만은 이 문제에 대해 유명한 논쟁을 벌였고 사이클로트론 연구실에서 실험을 진행했지만, 약간의 떨림만 관찰했습니다. 그러나 이후 실험에서는 일부는 꾸준한 역회전을, 다른 일부는 일시적인 움직임만을, 또 어떤 것은 방향이 불안정하게 변하는 등 상충되는 결과가 나왔습니다.

2024년, NYU 응용수학자 라이프 리스트로프와 그의 팀은 초저마찰 베어링이 있는 맞춤형 스프링클러를 제작하여 물에 담그고 염료와 레이저를 사용하여 흐름을 추적했습니다. 그들은 역회전 스프링클러가 일반 스프링클러보다 50배 느리게 회전하지만, 내부 제트가 충돌하여 토크를 생성하는 '안팎이 뒤집힌 로켓'과 유사한 메커니즘을 통해 회전한다는 것을 발견했습니다. 그들의 수학적 모델인 운동량 플럭스 이론은 실험과 일치했지만 S자형 팔에 대해서만 테스트되었습니다.

이제 리스트로프 등은 다양한 모양의 바보 스프링클러로 연구를 확장하여 정방향 및 역방향 모드를 모두 테스트했습니다. 결과는 운동량 플럭스 이론을 강력히 지지하며 마흐와 파인만의 생각을 반박합니다. 또한 팔 모양이 제트 흐름을 제어한다는 것을 보여주어, 유체 흐름을 에너지로 변환하는 터빈과 같은 구조물 설계에 대한 지침을 제공합니다. "우리의 연구 결과는 구성 요소가 유체 흐름에 어떻게 반응하는지에 대한 더 확실한 이해를 제공하며, 이는 향후 공학 및 기술 발전을 안내할 수 있는 지식입니다"라고 콜로라도 광업대학의 공동 저자 브레넌 스프링클이 말했습니다.

리스트로프의 연구실은 다채로운 퍼즐을 해결한 역사가 있습니다: 2018년에는 거품 레시피를 완성했고, 2021년에는 중국 '석림'을 연구했으며, 2021년에는 작동하는 테슬라 밸브를 만들었고, 2022년에는 종이비행기 공기역학을 분석했습니다. 가장 심오한 물리학이 때로는 가장 바보 같은 장난감에서 나오기 때문입니다.