Podlewanie trawnika może być zarówno praktyczne, jak i zabawne dzięki tak zwanym „śmiesznym zraszaczom”, tym uroczym plastikowym urządzeniom, które rozpylają wodę w zabawnych pętlach i spiralach. Ale pod ich figlarną powierzchownością kryje się poważny problem fizyczny, który nurtuje naukowców od ponad wieku. Naukowcy z Courant Institute Uniwersytetu Nowojorskiego zajęli się problemem odwrotnego zraszacza – spopularyzowanym przez fizyka Richarda Feynmana – eksperymentując ze zbudowanymi przez siebie śmiesznymi zraszaczami. Ich odkrycia, opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences, potwierdzają teorię zwaną teorią strumienia pędu i obalają wcześniejsze hipotezy zarówno Ernsta Macha, jak i Feynmana.

Problem odwrotnego zraszacza sięga eksperymentu myślowego z podręcznika Ernsta Macha z 1883 roku. Mach zaproponował, że zraszacz zasysający wodę nie będzie się obracał, ponieważ siły na dyszy zniosą się. Feynman, jako student studiów magisterskich w Princeton w latach 40. XX wieku, słynnie debatował nad tą kwestią i zbudował eksperyment w laboratorium cyklotronu, obserwując jedynie lekkie drżenie. Ale późniejsze eksperymenty dały sprzeczne wyniki: niektóre wykazywały stały obrót wsteczny, inne tylko ruch przejściowy, a jeszcze inne niestabilne zmiany kierunku.

W 2024 roku matematyk stosowany z NYU, Leif Ristroph, wraz z zespołem zbudował niestandardowy zraszacz z łożyskami o ultraniskim tarciu, zanurzył go w wodzie i użył barwników oraz laserów do śledzenia przepływu. Odkryli, że odwrotny zraszacz obraca się 50 razy wolniej niż zwykły, ale poprzez podobne mechanizmy – jak „rakieta na lewą stronę”, gdzie wewnętrzne strumienie zderzają się i wytwarzają moment obrotowy. Ich model matematyczny, teoria strumienia pędu, pasował do eksperymentów, ale testowano tylko ramiona w kształcie litery S.

Teraz Ristroph i in. rozszerzają tę pracę na śmieszne zraszacze o różnych kształtach, testując zarówno tryb do przodu, jak i wsteczny. Wyniki silnie wspierają teorię strumienia pędu i są sprzeczne z pomysłami Macha i Feynmana. Pokazali również, że kształt ramienia kontroluje przepływ strumienia, oferując wskazówki do projektowania struktur takich jak turbiny, które przekształcają przepływy płynów w energię. „Nasze odkrycia zapewniają lepsze zrozumienie, jak komponenty reagują na przepływy płynów – wiedzę, która może kierować przyszłymi postępami inżynieryjnymi i technologicznymi” – powiedział współautor Brennan Sprinkle z Colorado School of Mines.

Laboratorium Ristroph ma historię rozwiązywania kolorowych zagadek: w 2018 roku udoskonalili przepis na bańki; w 2021 roku badali chińskie „kamienne lasy”; w 2021 roku zbudowali działający zawór Tesli; a w 2022 roku analizowali aerodynamikę papierowych samolotów. Bo czasami najgłębsza fizyka pochodzi z najgłupszych zabawek.