Wie funktioniert ein „Umkehrsprinkler“? Forscher lösen jahrzehntealtes Physik-Rätsel

Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, Feynmans Sprinklerproblem zu lösen: Wie funktioniert ein rückwärts laufender Sprinkler, bei dem das Wasser in das Gerät hinein und nicht aus ihm herausfließt? Durch eine Reihe von Experimenten hat ein Team von Mathematikern herausgefunden, wie strömende Flüssigkeiten Kräfte ausüben und Strukturen bewegen, und damit die Antwort auf dieses seit langem bestehende Rätsel gelüftet.

„Unsere Studie löst das Problem, indem sie Präzisionslaborexperimente mit mathematischen Modellen kombiniert, die erklären, wie ein Umkehrsprinkler funktioniert“, erklärt Leif Ristroph, außerordentlicher Professor am Courant Institute of Mathematical Sciences der New York University und leitender Autor des Buches Papier erscheint im Tagebuch Briefe zur körperlichen Untersuchung.

„Wir haben herausgefunden, dass sich der Umkehrsprinkler sowohl beim Ansaugen als auch beim Ausstoßen in die ‚umgekehrte‘ oder entgegengesetzte Richtung dreht, und die Ursache ist subtil und überraschend.“

„Der reguläre oder ‚vorwärts gerichtete‘ Sprinkler ähnelt einer Rakete, da er sich selbst durch das Abfeuern von Strahlen antreibt“, fügt Ristroph hinzu. „Aber der umgekehrte Sprinkler ist mysteriös, da das angesaugte Wasser überhaupt nicht wie Strahlen aussieht. Wir haben herausgefunden, dass das Geheimnis im Inneren des Sprinklers verborgen ist, wo es tatsächlich Düsen gibt, die die beobachteten Bewegungen erklären.“

Die Forschung beantwortet eines der ältesten und schwierigsten Probleme der Flüssigkeitsphysik. Und obwohl Ristroph anerkennt, dass das Verständnis der Funktionsweise eines Umkehrsprinklers von bescheidenem Nutzen ist – „Es besteht keine Notwendigkeit, Rasen zu ‚entwässern‘“, sagt er –, geben uns die Ergebnisse Aufschluss über die zugrunde liegende Physik und darüber, ob wir die für die Technik erforderlichen Methoden verbessern können Geräte, die fließende Flüssigkeiten nutzen, um Bewegungen und Kräfte zu steuern.

„Wir haben jetzt ein viel besseres Verständnis für Situationen, in denen Flüssigkeitsströme durch Strukturen Bewegung auslösen können“, bemerkt Brennan Sprinkle, Assistenzprofessor an der Colorado School of Mines und einer der Co-Autoren der Studie. „Wir glauben, dass diese Methoden, die wir in unseren Experimenten verwendet haben, für viele praktische Anwendungen nützlich sein werden, bei denen es um Geräte geht, die auf strömende Luft oder Wasser reagieren.“

Das Feynman-Sprinklerproblem wird typischerweise als Gedankenexperiment über eine Art Rasensprinkler dargestellt, der sich dreht, wenn Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, aus seinen S-förmigen Rohren oder „Armen“ ausgestoßen wird. Die Frage lautet, was passiert, wenn Flüssigkeit durch die Arme angesaugt wird: Dreht sich das Gerät, in welche Richtung und warum?

Das Problem wird mit Pionieren der Physik in Verbindung gebracht, von Ernst Mach, der das Problem in den 1880er Jahren aufstellte, bis zum Nobelpreisträger Richard Feynman, der es in den 1960er bis 1980er Jahren bearbeitete und populär machte. Seitdem hat es zahlreiche Studien hervorgebracht, die das Ergebnis und die zugrunde liegende Physik diskutieren – und bis heute wird es in der Physik und in Lehrbüchern der Strömungsmechanik als offenes Problem dargestellt.

Um das Reverse-Sprinkler-Problem zu lösen, stellten Ristroph, Sprinkle und ihre Co-Autoren Kaizhe Wang, ein NYU-Doktorand zum Zeitpunkt der Studie, und Mingxuan Zuo, ein NYU-Doktorand, maßgeschneiderte Sprinklergeräte her und tauchten sie ein in Wasser in einem Gerät, das Wasser mit kontrollierbarer Geschwindigkeit hineindrückt oder herauszieht.

Damit sich das Gerät als Reaktion auf die Strömung frei drehen kann, bauten die Forscher einen neuen Typ eines Rotationslagers mit extrem geringer Reibung. Außerdem haben sie den Sprinkler so konzipiert, dass sie beobachten und messen können, wie das Wasser außen, innen und durch den Sprinkler fließt.

„Das gab es noch nie zuvor und war der Schlüssel zur Lösung des Problems“, erklärt Ristroph.

Um den Reverse-Sprinkler-Prozess besser beobachten zu können, fügten die Forscher dem Wasser Farbstoffe und Mikropartikel hinzu, beleuchteten es mit Lasern und erfassten die Strömungen mit Hochgeschwindigkeitskameras.

Die Ergebnisse zeigten, dass sich ein Umkehrsprinkler viel langsamer dreht als ein herkömmlicher Sprinkler – etwa 50-mal langsamer –, aber die Mechanismen sind grundsätzlich ähnlich.

Ein herkömmlicher Vorwärtssprinkler wirkt wie eine rotierende Version einer Rakete, angetrieben durch Wasser, das aus den Armen spritzt. Ein Umkehrsprinkler fungiert als „Inside-Out-Rakete“, wobei seine Düsen in die Kammer schießen, wo die Arme aufeinander treffen. Die Forscher fanden heraus, dass die beiden internen Strahlen kollidieren, sich aber nicht genau frontal treffen, und ihr mathematisches Modell zeigte, wie dieser subtile Effekt Kräfte erzeugt, die den Sprinkler in die entgegengesetzte Richtung drehen.

Das Team sieht in dem Durchbruch einen potenziellen Nutzen für die Nutzung klimafreundlicher Energiequellen.

„Um uns herum fließen reichlich und nachhaltige Energiequellen – Wind in unserer Atmosphäre sowie Wellen und Strömungen in unseren Ozeanen und Flüssen“, sagt Ristroph. „Herauszufinden, wie diese Energie gewonnen werden kann, ist eine große Herausforderung und erfordert ein besseres Verständnis der Physik von Flüssigkeiten.“