Was passiert, wenn Rasensprenger Wasser ansaugen? Physiker beantworten diese eigenartige Frage.

Physiker sind fasziniert von schweren Rätseln, von der Natur von Raum und Zeit bis hin zur Frage, wie das Universum entstanden ist. Aber auch wirbelnde Rasensprenger? Ja, das auch.

Ein neues Experiment liefert eine Antwort auf eine skurrile physikalische Frage, die in den 1980er Jahren vom Physiker Richard Feynman populär gemacht wurde. Das Rätsel dreht sich um einen Rasensprenger, der funktioniert, indem er Wasser aus den Enden eines S-förmigen Rohrs spritzt. Der Sprenger dreht sich durch die Erhaltung des Drehimpulses weg vom austretenden Wasser. Das ist soweit klar.

Aber was passiert, wenn man den Sprenger in ein Wasserbecken steckt und ihn Wasser ansaugen lässt? Die Frage scheint einfach zu sein. Aber komplexe Flüssigkeitsströmungen und Feinheiten der Impulserhaltung haben dazu geführt, dass verschiedene Physiker argumentiert haben, dass er entweder in die entgegengesetzte Richtung drehen sollte wie normalerweise oder überhaupt nicht bewegen sollte. Auch verschiedene Experimente waren sich nicht einig.

Also haben der angewandte Mathematiker Leif Ristroph und seine Kollegen es versucht. "Es war eines der schwierigsten Probleme, an denen unser Labor jemals gearbeitet hat", sagt Ristroph von der New York University. Das Team führte Experimente mit einem aufwändig konstruierten transparenten Sprenger durch, begleitet von mathematischen Berechnungen, die ihre Messungen unterstützten. Das Gerät schwimmt in einem Wasserbecken, um die Reibung zu reduzieren, ein Effekt, der frühere Experimente durcheinandergebracht hat. Wenn der Sprenger rückwärts betrieben wird, dreht er sich tatsächlich in die entgegengesetzte Richtung, berichten die Forscher in einer Arbeit, die zur Veröffentlichung in den Physical Review Letters angenommen wurde. Weitere Experimente enthüllten, warum.

Während der normale Sprenger Wasserstrahlen nach außen spritzt, bilden sich bei dem umgekehrten Betrieb Strahlen im Inneren des Sprengers. Diese Strahlen erzeugen Wirbel, die mithilfe von Laserlicht beleuchtet wurden und zuvor dem Wasser zugesetzte Mikropartikel sichtbar machten. Wichtig ist, dass die Strahlen und ihre Wirbel nicht symmetrisch sind. Wenn sich die Strahlen in der Mitte des Sprengers treffen, setzen sie ihren Weg unter einem Winkel fort, was darauf hindeutet, dass sie seitlich kollidiert sind und nicht frontal aufeinandertreffen.

Das liegt daran, dass die Arme des Sprengers zwar perfekt ausgerichtet sind, aber die inneren Strahlen nicht. Die Reise durch die gekrümmten Arme verändert den Wasserfluss in jedem Strahl. Diese Asymmetrie führt dazu, dass der Sprenger sich rückwärts dreht, um den Drehimpuls zu erhalten.

Die Lösung des Rasensprenger-Rätsels erforderte einfach einen Spritzer Einsicht.