Att vattna gräsmattan kan vara både praktiskt och roligt med så kallade "dumma sprinklers", de där förtjusande plastkonstruktionerna som sprutar vatten i lustiga loopar och spiraler. Men under deras lekfulla yta döljer sig ett allvarligt fysikproblem som har förbryllat forskare i över ett sekel. Forskare vid New York Universitys Courant Institute har nu tagit sig an problemet med den reverserade sprinklern – populariserat av fysikern Richard Feynman – genom att experimentera med dumma sprinklers som de byggde själva. Deras resultat, publicerade i Proceedings of the National Academy of Sciences, stöder en teori som kallas momentumflödesteorin och avfärdar tidigare hypoteser från både Ernst Mach och Feynman.

Problemet med den reverserade sprinklern går tillbaka till ett tankeexperiment i Ernst Machs lärobok från 1883. Mach föreslog att en sprinkler som suger in vatten inte skulle rotera, eftersom krafterna på munstycket skulle ta ut varandra. Feynman, som doktorand vid Princeton på 1940-talet, debatterade frågan berömt och byggde ett experiment i cyklotronlaboratoriet, där han observerade endast en lätt darrning. Men senare experiment gav motstridiga resultat: vissa visade stadig reverserad rotation, andra endast övergående rörelse, och några ostadiga riktningsändringar.

2024 byggde Leif Ristroph, tillämpad matematiker vid NYU, och hans team en specialbyggd sprinkler med ultralågfriktionslager, sänkte ner den i vatten och använde färgämnen och lasrar för att spåra flödet. De fann att den reverserade sprinklern roterar 50 gånger långsammare än en vanlig, men genom liknande mekanismer – som en "ut-och-in-vänd raket" där inre jetstrålar kolliderar och producerar vridmoment. Deras matematiska modell, momentumflödesteorin, matchade experimenten men testades endast på S-formade armar.

Nu utökar Ristroph et al. det arbetet till dumma sprinklers av olika former, och testar både framåt- och bakåtlägen. Resultaten stöder starkt momentumflödesteorin och motsäger Machs och Feynmans idéer. De visade också att armens form styr jetflödet, vilket ger riktlinjer för att designa strukturer som turbiner som omvandlar vätskeflöden till energi. "Våra resultat ger en fastare förståelse för hur komponenter reagerar på vätskeflöden – kunskap som kan vägleda framtida ingenjörs- och teknikframsteg," säger medförfattaren Brennan Sprinkle från Colorado School of Mines.

Ristrophs labb har en historia av att ta sig an färgglada pussel: 2018 perfektionerade de bubbelreceptet; 2021 studerade de kinesiska "sten-skogar"; 2021 byggde de en fungerande Tesla-ventil; och 2022 analyserade de pappersflygplans aerodynamik. För ibland kommer den djupaste fysiken från de dummaste leksakerna.