Sprinklerproblem: Jahrzehnte altes Physik-Rätsel ist gelöst

Einen einfachen, S-förmigen Sprinkler kennt wohl jeder: Dreht man das Wasser auf, spritzt es an den beiden Enden heraus und treibt den Sprinkler an. Der Sprinkler dreht sich im Kreis. 

Doch was würde passieren, wenn man den Sprinklerkopf unter Wasser taucht und das Wasser einsaugt, anstatt herausspritzt? Würde sich der Sprinkler in die andere Richtung drehen? Oder würde er sich überhaupt drehen?

Physiker*innen zerbrechen sich den Kopf

Diese Fragen haben sich bereits viele Physiker*innen gestellt, allen voran der Nobelpreisträger Richard Feynman, weshalb das Problem auch als das Feynmansche Sprinklerproblem bekannt ist. Davor beschäftigte das Phänomen den österreichischen Physiker Ernst Mach, nach dem die Mach-Zahl benannt ist. Mach 1 beschreibt die Schallgeschwindigkeit (Referenzwert: 1.234,8 km/h), Mach 2 die doppelte Schallgeschwindigkeit usw.

Eine Gruppe von Mathematiker*innen glaubt nun, die Antwort gefunden zu haben. Dafür führten sie eine Reihe von Experimenten durch, die durch mathematische Modellierungen unterstützt wurden.

Bisherige Experimente waren widersprüchlich

Bisherige Experimente lieferten widersprüchliche Ergebnisse. Manche Sprinkler drehten sich in die entgegengesetzte Richtung, andere bewegten sich nur kurz, um dann stehenzubleiben. Wieder andere änderten ihre Richtung unregelmäßig. Das Team der New York University baute daher ein extrem reibungsarmes Drehlager, auf dem sich ihr Sprinkler frei drehen konnte. Der Versuch wurde zudem so designt, dass das Experiment unbegrenzt laufen konnte. Das abgesaugte Wasser kam in ein Reservoir, von wo es wieder in den Tank mit dem Sprinkler gepumpt wurde.

Die Forscher*innen nutzten auch gefärbtes Wasser und lichtbrechende Mikropartikel, um die Wasserströme besser sichtbar zu machen. Das Ergebnis: "Wir haben herausgefunden, dass sich der Rückwärtssprinkler beim Ansaugen von Wasser wirklich in die entgegengesetzte Richtung dreht", erklärt Leif Ristroph, der Hauptautor der Studie, in einer Aussendung.

Langsame Rückwärtsbewegung

Das eingesaugte Wasser trifft im Hauptschlauch aufeinander und erzeugt Wirbel, die den Sprinkler in die Rückwärtsbewegung setzen. Diese Bewegung ist nicht konstant und etwa 50 Mal langsamer, als wenn das Wasser herausspritzt. Diese Bewegung ist auch das Ergebnis, was durch die Computersimulationen erwartet wurde. 

Das Forscher*innenteam will seine Erkenntnisse dazu nutzen, um neue erneuerbare Energiequellen zu erschließen. "Es gibt reichlich und nachhaltige Energiequellen, die uns umgeben - Wind in unserer Atmosphäre sowie Wellen und Strömungen in unseren Ozeanen und Flüssen", sagt Ristroph. "Herauszufinden, wie man diese Energie nutzen kann, erfordert ein besseres Verständnis von Strömungsphysik." Ihre Studie würde dazu beitragen.