Обычный садовый разбрызгиватель вращается под напором вылетающей воды. Но что произойдёт, если полностью погрузить устройство в воду и запустить поток в обратную сторону, заставив трубки не выбрасывать, а всасывать жидкость? Простой вопрос почти полтора века ставил в тупик физиков, включая нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана.
Команда математиков из Нью-Йоркского университета и Колорадской горной школы провела серию экспериментов и пришла к выводу, что обратный разбрызгиватель всё же вращается. Устройство движется в сторону, противоположную обычному режиму, но примерно в 50 раз медленнее.
Задачу проверяли на специально изготовленных конструкциях с прямыми, изогнутыми и закрученными трубками. Некоторые модели напоминали детские «безумные разбрызгиватели» с петлями и спиралями, которые создают хаотичные водяные струи. Разная геометрия позволила исследователям отделить силы внутри устройства от движения воды снаружи.
При обычной работе вода вылетает из загнутых сопел и уносит угловой импульс в одном направлении, а корпус начинает вращаться в другом. Обратный режим выглядит сложнее. Вода входит через сопла, проходит по изогнутым трубкам и образует струи внутри центральной камеры. Внутренние потоки сталкиваются не строго лоб в лоб, поэтому часть углового импульса сохраняется и создаёт слабый крутящий момент.
Исследователи называют такое объяснение теорией потока импульса. Геометрия трубок определяет направление внутренних струй, а вместе с ним скорость и направление вращения всей конструкции. Эксперименты показали, что один механизм работает как для обычных, так и для обратных разбрызгивателей независимо от числа изгибов и формы трубок.
Новые результаты также опровергли два популярных объяснения. Согласно первой гипотезе, корпус должен реагировать на закручивание воды снаружи. Вторая связывала вращение с потоком возле входных отверстий на концах трубок. Изменение внешних участков конструкции не повлияло ни на направление движения, ни на крутящий момент. Главную роль сыграли потоки внутри разбрызгивателя.
Первые описания обратного разбрызгивателя появились в книге австрийского физика Эрнста Маха в 1883 году. Широкую известность задача получила после рассказа Ричарда Фейнмана о неудачной попытке провести эксперимент. С тех пор разные установки давали противоречивые результаты. Одни разбрызгиватели оставались неподвижными, другие ненадолго поворачивались, а направление движения часто зависело от трения и особенностей конструкции.
Работа закрывает давний спор, но значение исследования выходит за пределы занимательной физической головоломки. Точное понимание сил, возникающих при прохождении жидкости через изогнутые каналы, поможет проектировать турбины и другие механизмы, которые преобразуют энергию потоков в движение. Форма трубок в подобных устройствах может управлять импульсом жидкости без дополнительных подвижных деталей.