Je gazon water geven kan zowel praktisch als leuk zijn met zogenaamde 'domme sproeiers', die heerlijke plastic apparaten die water in grappige lussen en spiralen spuiten. Maar achter hun speelse uiterlijk schuilt een serieus natuurkundig probleem dat wetenschappers al meer dan een eeuw in verwarring brengt. Onderzoekers van het Courant Institute van de New York University hebben nu het omgekeerde sproeierprobleem aangepakt - gepopulariseerd door natuurkundige Richard Feynman - door te experimenteren met zelfgebouwde domme sproeiers. Hun bevindingen, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences, ondersteunen een theorie genaamd impulsflux-theorie en ontkrachten eerdere hypothesen van zowel Ernst Mach als Feynman.

Het omgekeerde sproeierprobleem dateert van een gedachte-experiment in Ernst Machs leerboek uit 1883. Mach stelde dat een sproeier die water aanzuigt niet zou draaien, omdat de krachten op de sproeikop elkaar zouden opheffen. Feynman, als promovendus in Princeton in de jaren 1940, bediscussieerde het probleem beroemdelijk en bouwde een experiment in het cyclotronlaboratorium, waarbij hij slechts een lichte trilling waarnam. Maar latere experimenten leverden tegenstrijdige resultaten op: sommige toonden een gestage omgekeerde rotatie, andere alleen kortstondige beweging, en sommige onregelmatige richtingsveranderingen.

In 2024 bouwden de NYU toegepast wiskundige Leif Ristroph en zijn team een op maat gemaakte sproeier met lagers met extreem lage wrijving, dompelden deze onder in water en gebruikten kleurstoffen en lasers om de stroming te volgen. Ze ontdekten dat de omgekeerde sproeier 50 keer langzamer draait dan een gewone, maar via vergelijkbare mechanismen - als een 'binnenstebuiten raket' waar interne jets botsen en koppel produceren. Hun wiskundige model, impulsflux-theorie, kwam overeen met experimenten, maar testte alleen S-vormige armen.

Nu breiden Ristroph et al. dat werk uit naar domme sproeiers van verschillende vormen, waarbij ze zowel voorwaartse als omgekeerde modi testen. De resultaten ondersteunen sterk de impulsflux-theorie en spreken Machs en Feynmans ideeën tegen. Ze toonden ook aan dat de armvorm de jetstroming regelt, wat richtlijnen biedt voor het ontwerpen van structuren zoals turbines die vloeistofstromen omzetten in energie. 'Onze bevindingen geven een steviger begrip van hoe componenten reageren op vloeistofstromen - kennis die toekomstige technische en technologische vooruitgang kan sturen,' zei co-auteur Brennan Sprinkle van de Colorado School of Mines.

Ristrophs lab heeft een geschiedenis van het aanpakken van kleurrijke puzzels: in 2018 perfectioneerden ze het bellenrecept; in 2021 bestudeerden ze Chinese 'stenen bossen'; in 2021 bouwden ze een werkende Tesla-klep; en in 2022 analyseerden ze de aerodynamica van papieren vliegtuigjes. Want soms komt de diepste natuurkunde van de stomste speeltjes.