Полив газона может быть и практичным, и весёлым с помощью так называемых «глупых разбрызгивателей» — тех восхитительных пластиковых устройств, которые разбрызгивают воду забавными петлями и спиралями. Но за их игривой внешностью скрывается серьёзная физическая проблема, которая ставила учёных в тупик более века. Исследователи из Института Куранта Нью-Йоркского университета теперь решили проблему обратного разбрызгивателя — популяризированную физиком Ричардом Фейнманом — экспериментируя с самостоятельно построенными глупыми разбрызгивателями. Их результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, подтверждают теорию, называемую теорией потока импульса, и опровергают более ранние гипотезы как Эрнста Маха, так и Фейнмана.

Проблема обратного разбрызгивателя восходит к мысленному эксперименту в учебнике Эрнста Маха 1883 года. Мах предположил, что разбрызгиватель, всасывающий воду, не будет вращаться, так как силы на сопле взаимно компенсируются. Фейнман, будучи аспирантом Принстона в 1940-х годах, знаменито обсуждал этот вопрос и построил эксперимент в лаборатории циклотрона, наблюдая лишь лёгкую дрожь. Но более поздние эксперименты дали противоречивые результаты: некоторые показали устойчивое обратное вращение, другие — только переходное движение, а некоторые — нестабильные изменения направления.

В 2024 году прикладной математик Нью-Йоркского университета Лейф Ристроф и его команда построили специальный разбрызгиватель с подшипниками сверхнизкого трения, погрузили его в воду и использовали красители и лазеры для отслеживания потока. Они обнаружили, что обратный разбрызгиватель вращается в 50 раз медленнее обычного, но через аналогичные механизмы — как «ракета наизнанку», где внутренние струи сталкиваются и создают крутящий момент. Их математическая модель, теория потока импульса, совпала с экспериментами, но проверялась только на S-образных рукавах.

Теперь Ристроф и др. расширяют эту работу на глупые разбрызгиватели различных форм, тестируя как прямой, так и обратный режимы. Результаты убедительно подтверждают теорию потока импульса и противоречат идеям Маха и Фейнмана. Они также показали, что форма рукава управляет струйным потоком, предлагая рекомендации для проектирования структур, таких как турбины, преобразующие потоки жидкости в энергию. «Наши результаты дают более твёрдое понимание того, как компоненты реагируют на потоки жидкости — знания, которые могут направлять будущие инженерные и технологические достижения», — сказал соавтор Бреннан Спринкл из Колорадской школы горного дела.

Лаборатория Ристрофа имеет историю решения красочных головоломок: в 2018 году они усовершенствовали рецепт пузырей; в 2021 году изучали китайские «каменные леса»; в 2021 году построили работающий клапан Теслы; а в 2022 году анализировали аэродинамику бумажных самолётиков. Потому что иногда самая глубокая физика исходит из самых глупых игрушек.