Richard Feynman glaubte, sich mit Physik auszukennen.
Bekanntermaßen rätselte er darüber, warum sich ein normaler Rasensprinkler in eine Richtung dreht, sich aber in der umgekehrten Richtung – Wasser ansaugen statt herauszuspritzen – so anders verhält. Jahrzehntelang war das „Feynman-Sprinkler-Problem“ offen. Über die Mechanik konnte sich niemand ganz einigen.
Jetzt haben Forscher es geklärt. Sie nutzten keine High-Tech-Teilchenbeschleuniger oder Windkanäle.
Sie benutzten „alberne Sprinkler“. Die Art mit den spiralförmigen Plastikschläuchen, die Kinder jeden Sommer auf den Rasen werfen. Indem ein Team der NYU und der Colorado School of Mines diese skurrilen Hinterhofgeräte im Rückwärtsgang testete, konnte es schließlich herausfinden, wie fließendes Wasser Objekte dreht.
Die Ergebnisse erschienen in Proceedings of the National Academy of Sciences.
Was fragt Feynmans Sprinkler eigentlich?
Es klingt einfach.
Nehmen Sie einen Standard-Rotationsregner. Der Wasserdruck drückt Flüssigkeit aus den abgewinkelten Düsen. Die Reaktionskraft dreht den Arm. Newtons drittes Gesetz. Wirkung und Gegenwirkung. Es funktioniert wie eine rotierende Rakete.
Jetzt kehren Sie es um.
Saugen Sie das Wasser durch dieselben Düsen ein. In welche Richtung soll es sich drehen? Die Intuition legt nahe, dass er sich in die entgegengesetzte Richtung drehen sollte wie der Standard-Sprinkler.
Feynman hat dies in den 1980er Jahren versucht. Er konnte keine klare Antwort bekommen. Das Gerät bewegte sich kaum.
Die neue Studie erklärt warum. Es geht nicht darum, dass Wasser in die Düse gelangt. Es geht darum, was passiert, wenn zwei einströmende Wasserstrahlen in der zentralen Kammer kollidieren.
Wie Schleifenformen das Wasserdrehmoment steuern
Frühere Experimente verwendeten einfache S-förmige Arme. Das hinterließ Lücken in der Theorie. Spielte die Form der Röhre eine Rolle? Was wäre, wenn das Wasser einen längeren Weg nehmen würde?
Die Forscher bauten ihre eigene Sprinklersammlung auf. Sie variierten die Geometrie wild. Schleifen. Kurven. Verschlungene Wege.
Sie testeten jedes Design in zwei Modi:
- Vorwärts: Wasser herausspritzen.
- Umgekehrt: Wasser einsaugen.
Dadurch konnten sie das Drehmoment präzise messen. Drehmoment ist die Drehkraft, die eine Drehung verursacht. Sie verfolgten auch, wie sich das Wasser innerhalb der Rohre im Vergleich zu außerhalb bewegte.
Die Daten waren eindeutig.
Warum Momentum Flux andere Theorien übertrifft
Zwei ältere Theorien scheiterten bei der Prüfung.
Einer davon wurde in den 1880er Jahren von Ernst Mach vorgeschlagen und argumentierte, dass die Flüssigkeit in die eine Richtung wirbelt, während der Sprinkler in die andere dreht. Die neuen Experimente zeigten, dass dies keinen Einfluss auf die gemessene Rotation oder das gemessene Drehmoment hatte.
Eine andere Theorie konzentrierte sich auf das Wasser, das um die Außenseite der Sprinklerarme herumfließt. Feynman hatte darüber nachgedacht. Es stellte sich als irrelevant heraus. Die äußere Strömung hatte keinen Einfluss auf die Bewegung.
Stattdessen siegte die Impulsflusstheorie.
So funktioniert es:
Beim Ansaugen von Wasser gelangen zwei Strahlen von gegenüberliegenden Seiten in die Zentralkammer. Sie treffen sich nicht perfekt frontal. Es gibt einen leichten Versatz. Es bildet sich eine Kollisionszone. Dieses Ungleichgewicht erzeugt eine Nettokraft. Diese Kraft treibt den Sprinkler in Rotation.
Es funktioniert wie eine „Inside-Out-Rakete“.
„Diese Arbeit liefert die experimentelle Antwort auf Feynmans Sprinklerproblem, indem sie für alle Sprinklertypen zeigt, wie die Drehimpulsflüsse die Rotation der Sprinkler antreiben“, sagte Leif Ristroph von der NYU.
Spielt das außerhalb des Hinterhofs eine Rolle?
Es geht nicht nur um Rasenspiele.
Zu verstehen, wie Flüssigkeiten Kraft auf rotierende Körper ausüben, ist eine grundlegende Technik. Turbinen, Pumpen und Schiffspropeller basieren alle auf der Umwandlung von Flüssigkeitsströmen in mechanische Energie.
Brennan Sprinkle von der Colorado School of Mines stellte fest, dass die Ergebnisse ein „festeres Verständnis“ für die Entwicklung solcher Geräte bieten. Wenn Sie genau wissen, wie die Form den Impulsfluss steuert, können Sie bessere Turbinen bauen. Sie können vorhersagen, wie sie sich unter turbulenten Bedingungen verhalten werden.
Das Team stellte außerdem fest, dass eine Anpassung der Armform eine bessere Kontrolle ermöglicht. Sie können die Wasserstrahlen ändern, um das Drehmoment zu steuern. Das ist nützliches Wissen für Ingenieure, die die Energieumwandlung optimieren möchten.
Wenn Sie also das nächste Mal einen albernen Sprinkler sehen, der sich im Gras dreht, lachen Sie nicht nur.
Beobachten Sie die Schleifen. Denken Sie an die Kollision im Inneren. Es könnte nur eine jahrhundertealte Physikdebatte lösen.
