На первый взгляд, «глупые разбрызгиватели» — те самые пёстрые садовые штуки с извилистыми трубками, из которых вода бьёт в самых неожиданных направлениях, — кажутся просто летним развлечением. Но именно их причудливые формы помогли физикам поставить точку в споре, который не утихал десятилетиями. Речь о так называемой проблеме разбрызгивателя Фейнмана: что произойдёт, если заставить устройство работать в обратную сторону и всасывать воду вместо того, чтобы разбрызгивать её? Вопрос, который когда-то озадачил самого Ричарда Фейнмана, наконец получил экспериментальный ответ.

Загадка, которую не смог решить Фейнман

История уходит корнями в 1980-е, когда нобелевский лауреат Ричард Фейнман рассказал о своих безуспешных попытках проверить на опыте, как поведёт себя разбрызгиватель при обратном потоке. Обычный разбрызгиватель работает как вращающаяся ракета: вода вылетает из плеч, и устройство крутится в противоположную сторону. А вот если воду втягивать, картина становится куда менее очевидной. Фейнман так и не смог добиться однозначного результата, и вопрос завис в воздухе.

Группа исследователей под руководством Лейфа Ристрофа, адъюнкт-профессора Курантовского института математических наук Нью-Йоркского университета, взялась за проблему всерьёз. В 2024 году они опубликовали первую работу, где показали: обратный разбрызгиватель вращается примерно в 50 раз медленнее обычного, хотя физические процессы в обоих случаях тесно связаны. Тогда же учёные предложили объяснение, которое назвали теорией потока импульса.

Внутри «вывернутой ракеты»

Ключ к разгадке — в том, что происходит внутри центральной камеры, где сходятся плечи разбрызгивателя. В обратном режиме вода поступает через оба плеча и образует две струи, направленные внутрь. Эти струи сталкиваются, но не строго лоб в лоб — возникает небольшой дисбаланс. Именно он порождает силы, заставляющие устройство вращаться в обратном направлении. По сути, обратный разбрызгиватель работает как «ракета наизнанку»: вместо выброса струй наружу он втягивает их внутрь, и сложная динамика столкновения потоков создаёт вращающий момент.

Теория потока импульса описывает, как импульс, переносимый закручивающейся водой, проходит через разбрызгиватель и порождает вращение. Но первые эксперименты 2024 года ограничивались стандартными S-образными плечами. Оставался открытым вопрос: а что будет с более замысловатыми формами — петлями, изгибами, спиралями? Вдруг они ведут себя иначе?

Причудливые формы как инструмент проверки

Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи спроектировали и построили собственную коллекцию «глупых разбрызгивателей» с самыми разнообразными контурами. Каждое устройство испытывали в двух режимах: прямом, когда вода разбрызгивается наружу, и обратном, когда она всасывается внутрь. Учёные следили за вращением, наблюдали за движением воды внутри и снаружи, а также измеряли крутящий момент, возникающий, когда разбрызгиватель удерживали от поворота.

Результаты оказались однозначными. Форма плеч действительно влияет на характер струй — меняя геометрию, можно управлять водяными потоками. Но сам механизм вращения остаётся неизменным. Теория потока импульса точно описывает и прямое, и обратное вращение для всех испытанных форм.

Две конкурирующие гипотезы не выдержали проверки

За десятилетия споров у проблемы Фейнмана появилось несколько возможных решений. Одно из них предложил ещё в 1880-х годах физик Эрнст Мах: по его версии, жидкость закручивается в одну сторону, а разбрызгиватель — в противоположную. Однако новая серия экспериментов показала, что эта идея не объясняет наблюдаемые обратные вращения и измеренный крутящий момент.

Другое объяснение, связанное с самим Фейнманом и более поздними исследователями, делало упор на воду, обтекающую внешние концы плеч. Но и оно не подтвердилось: ни внешние части плеч, ни потоки вокруг них не влияли на движение или крутящий момент устройства.

Таким образом, из трёх конкурирующих теорий выжила только теория потока импульса. Исследователи расширили её и показали, что она работает для всех форм разбрызгивателей, которые они испытывали.

Зачем это нужно за пределами лужайки

Результаты, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, важны не только как решение давней головоломки. Бреннан Спринкл, доцент Колорадской школы горного дела и один из соавторов работы, подчёркивает: понимание того, как компоненты реагируют на потоки жидкости, может пригодиться при проектировании турбин и других устройств, преобразующих энергию потоков. Возможность управлять струями за счёт изменения формы плеч — это прямой путь к повышению эффективности подобных механизмов.

Среди авторов исследования также аспиранты Нью-Йоркского университета Джесси Смит и Минсюань Цзо и студент Уилл Кулке. Работа поддержана грантами Национального научного фонда.

Так что в следующий раз, глядя, как по газону вертится пёстрый разбрызгиватель, можно вспомнить: эта игрушка помогла закрыть вопрос, над которым ломал голову один из самых блестящих физиков XX века. И кто знает, какие ещё причудливые формы подскажут учёным новые идеи.