Фейнман ошибался, Мах — тоже: физики сломали «дурацкие» разбрызгиватели и раскрыли тайну обратного вращения
Ричард Фейнман был серьезным физиком, обожавшим отвечать на несерьезные вопросы. Может ли математика подсказать, как заказать оптимальный обед? Способен ли человек идти по запаху, как ищейка, обнюхивая собственные следы? Теперь исследователи взялись за один из самых любопытных нерешенных вопросов Фейнмана, заглянув в физику «дурацких» разбрызгивателей.
Обычный газонный разбрызгиватель с S-образным соплом крутится в заданном направлении, выбрасывая воду из двух отверстий. Но что, если бросить этот разбрызгиватель в бассейн, подключить к вакууму, и он начнет всасывать воду, а не выбрасывать ее — куда он повернется? В ту же сторону, что и раньше, или в противоположную?
Фейнман задал этот вопрос еще аспирантом Принстона в 1940-х. По его собственному рассказу, он соорудил стеклянный разбрызгиватель в университетской лаборатории. Тот коротко «вздрогнул», а затем едва шевелился, даже когда он повышал давление. Он повторял эксперимент, пока стекло не разбилось, оставив ответ неразрешенным. С тех пор десятилетия последующих опытов давали все возможные результаты: разбрызгиватель крутился в одну сторону, в другую, дергался туда-сюда или не двигался вовсе — в зависимости от аккуратности постановки эксперимента.
В 2024 году команда Нью-Йоркского университета под руководством прикладного математика и физика-экспериментатора Лейфа Ристрофа впервые взялась за этот вопрос и обнаружила, что обратный разбрызгиватель вращается противоположно прямому. Однако это объяснение было проверено лишь на обычных S-образных разбрызгивателях, и его еще не сопоставили напрямую с двумя другими ведущими теориями. Первая, восходящая к австрийскому физику Эрнсту Маху, утверждает, что суммарный угловой момент закручивающейся воды внутри плеч разбрызгивателя должен быть уравновешен противоположным вращением самого устройства. Вторая, связываемая с самим Фейнманом, фокусируется на эффектах давления и всасывания непосредственно у внешних сопел.
Тогда команда Ристрофа задалась вопросом: а что, если разбрызгиватель вообще не будет похож на разбрызгиватель? Что, если его плечи закрутить спиралью, изогнуть в обратную сторону или завернуть обратно?
Семь «дурацких» моделей против двух великих теорий
В новом исследовании, опубликованном 13 июля в журнале PNAS, ученые построили семь нарочито «дурацких» разбрызгивателей с необычной геометрией плеч, чтобы столкнуть ведущие теории друг с другом. Среди них — разбрызгиватель с плечами, закрученными в многократную спираль для максимального увеличения углового момента воды, и модель с противозагибом у сопла.
В процессе работы они разрушили обе идеи. Если бы Мах был прав, спиральная конструкция должна была вращаться кардинально иначе. Если бы прав был Фейнман, изменение загиба сопла должно было развернуть направление вращения разбрызгивателя. Не случилось ни того, ни другого.
«Мы были вынуждены сказать: «Фейнман и его последователи, вы не правы»», — заявил Ристроф Live Science.
Спиральный разбрызгиватель, призванный проверить теорию Маха, оказался столь же непреклонен. Хотя жидкость внутри несла значительно больший угловой момент, «твердое тело на это почти не реагировало», сказал Ристроф.
Все три измерения на семи конструкциях указали вместо этого на центральную втулку разбрызгивателя — место соединения плеч. Именно там входящая вода сталкивается и закручивается, порождая поток углового момента внутри устройства, которому твердая конструкция оказывает противодействие. Открытие указывает на то, что обратный разбрызгиватель — это, по сути, вывернутая наизнанку версия прямого, управляемая той же физикой, но разыгрывающейся на противоположных концах плеч.
Ристроф подчеркнул, что этот результат стал возможен благодаря Джесси Смиту, только что защитившему докторскую диссертацию по физике в NYU во время работы над проектом, небольшой команде собственных студентов Ристрофа и его давнему соавтору Бреннану Спринклу, специалисту по вычислительной гидродинамике из Колорадской горной школы, чья фамилия по случайному совпадению означает «разбрызгивать».
Сейчас команда строит компьютерные симуляции, чтобы проверить, выдерживает ли модель потокового момента проверку за пределами уже изученных условий течения, и надеется в итоге вывести ее из фундаментальных уравнений гидродинамики.
От газона к турбинам
Ристроф отметил, что у этой «дурацкой» задачи есть и реальные приложения: понимание того, как изогнутые каналы преобразуют поток жидкости во вращательную силу, может помочь в проектировании турбин и других устройств, извлекающих энергию из ветра и водных течений. «Если мы сможем сделать что-то, что поможет инженерам создавать устройства, лучше использующие огромные объемы энергии ветра и воды, которые повсюду вокруг нас, — сказал он, — это, конечно, будет замечательно».
При подготовке статьи использовались материалы Live Science, а также публикация: Smith, J.E., Zuo, M., Kuhlke, W., Sprinkle, B., & Ristroph, L. (2026). Geometry controls momentum flux in the sprinkler problem. Proceedings of the National Academy of Sciences, 123.
