Bewegt sich doch
150 Jahre altes Physikproblem um rückwärts laufenden Sprinkler gelöst
An dem Problem bissen sich Genies wie Richard Feynman und Ernst Mach die Zähne aus. Nun gibt es endlich Klarheit
Reinhard Kleindl
Sprinkler sind für Rasenbesitzer und Landwirte gleichermaßen unverzichtbare Hilfsmittel, wenn man in der warmen Jahreszeit Pflanzen überlebenswichtige Flüssigkeit zuführen will – oder wenn die eigenen Kinder beschäftigt werden sollen, während man sich selbst mit einem kühlen Getränk in den Schatten zurückzieht. Es gibt verschiedene Konzepte, von denen viele eines gemeinsam haben: Der Wasserdruck versetzt mechanische Teile des Sprinklers in Bewegung, um einen beweglichen Wasserstrahl zu erzeugen, damit das Wasser noch besser verteilt wird.
Eines dieser Konzepte besteht aus einem drehbaren Kopf mit seitlichen Düsen, die den Kopf beim Einschalten des Wassers in Rotation versetzen. Dass der Kopf rotiert, erscheint uns ganz selbstverständlich und ist es aus physikalischer Sicht auch, weil der Rückstoß des austretenden Wassers ausgeglichen werden muss. Doch was würde passieren, wenn ein baugleicher Sprinkler Wasser nicht ausstoßen, sondern einsaugen würde?
Mach und Feynman
Naheliegend wäre, dass sich der Kopf dann in die Gegenrichtung dreht. Doch so einfach ist es nicht, wie bereits der österreichische Physiker und Philosoph Ernst Mach herausfand. Im Jahr 1883 schreibt er: "Man könnte leicht glauben, dass beim Saugen an den Reaktionsrädern die umgekehrte Bewegung eintreten müsste wie beim Blasen. Das geschieht jedoch im Allgemeinen nicht, und lässt sich auch leicht erklären." Mach erläutert: "Beim Blasen strömt die Luft in Strahlen (mit einer Rotation) ab. Beim Saugen kommt die Luft ohne Rotation von allen Seiten hinzu."
Seit der Quantenphysiker und Nobelpreisträger Richard Feynman das Problem in seinen Memoiren erwähnte, verbindet man es vor allem mit seinem Namen. Lösen konnte auch er es nicht. Entgegen Machs Beobachtungen und einleuchtenden Argumenten ist nämlich nicht klar, ob sich der umgekehrte Sprinkler, sofern man die Reibung aller Komponenten vernachlässigt, nicht doch bewegt.
Langsame Bewegung
Das gelang erst 2024 einem Forschungsteam von der New York University. Um das Problem zu lösen, genügt es nicht, sich auf die Wasserbewegungen rund um die Düsen an der Außenseite zu konzentrieren. Stattdessen wird nun die Innenseite relevant, wo die eigentlichen Einlassöffnungen nun als Düsen fungieren. Dort treffen zwei Wasserstrahlen aufeinander, allerdings nicht genau zentral. Das genügt, um den Sprinkler bei Umkehrung der Flussrichtung doch zu bewegen, und zwar wie erwartet in entgegengesetzter Richtung, wenn auch rund 50-mal langsamer als ein konventionell betriebener Sprinkler.
Doch die Tests wurden nur für eine einzige, gängige Sprinklerform mit S-förmigen Armen durchgeführt. Konnte es bei einem so komplexen Problem sein, dass ein anders geformtes Modell sich anders verhielt?
Richtige Erklärung
Diese Frage klärt dasselbe Team nun in einer neuen Studie im Fachjournal PNAS. "Diese Arbeit liefert die experimentelle Antwort auf Feynmans Sprinklerproblem, indem sie anhand verschiedener Sprinklertypen zeigt, wie der Drehimpuls der Wasserströme die Rotation der Sprinkler antreibt", freut sich Leif Ristroph von der New York University. Die Forschenden konnten die Flüssigkeitsströmungen innerhalb und außerhalb des Sprinklers ebenso messen wie die auftretenden Kräfte auf den rotierenden Kopf.
Dabei stellte sich heraus, dass die äußere Form des Sprinklers keinen Einfluss auf die Bewegung eines umgekehrt betriebenen Sprinklers hat. Insgesamt zeigen die Forschungen: Ein umgekehrt betriebener Sprinkler verhält sich – entgegen Machs Einschätzung – doch genauso, wie man es intuitiv erwarten würde, wenn auch sehr, sehr bedächtig. (Reinhard Kleindl, 13.7.2026)
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